Les objectifs de l'aérodynamique pour les constructeurs automobile

Performances

    Au début de sa découverte, le principal objectif de l'aérodynamique était d'améliorer les performances notamment lors des courses automobiles.
L'aérodynamique a une grande importance sur les performances, notamment les skieurs ou les cyclistes, qui se mettent en position courbée (qui est plus aérodynamique que debout), leurs performances sont alors meilleures.
Pour améliorer au maximum la vitesse d’un véhicule il faut que sa traînée et sa portance soient les plus bas possibles : car plus la traînée est faible plus le véhicule peut aller vite en ligne droite et plus la portance est faible plus le véhicule peut aller vite lors des tournants sans risques.
Cependant, le mariage entre l'augmentation de la déportance et la diminution de la traînée est plutôt incompatible. En effet, pour une même configuration aérodynamique, une augmentation d’appui (par un braquage d’aileron par exemple) entraîne une augmentation de la traînée. Il est donc nécessaire de trouver le meilleur compromis entre les deux forces pour obtenir  l’automobile la plus performante. Tous les constructeurs s’y sont employés même si les préoccupations concernant la déportance ont été bien plus tardives que celles concernant la réduction de la traînée.
Plus le coefficient de trainée est faible, plus une forme est dite aérodynamique. Vitesse et aérodynamique sont donc liés : plus les coefficients de trainée et de portance sont faibles, moins la voiture est ralentie. C’est pour cela que la forme d’une carrosserie a une influence sur l’aérodynamique d’une voiture, et donc sa vitesse.

‘ : minute    ‘’ : seconde

Cz : coéfficient de portance

Ces tableaux montrent l’importance du Cx et du Cz pour la vitesse. Le premier tableau nous montre que le Cx influence la vitesse en modifiant la vitesse maximale. Le deuxième tableau nous montre qu’il n’y a pas de différence de vitesse maximale selon le Cz, ce qui confirme le fait que le Cz est important pour les virages.

A 90km/h, le moteur d'une voiture moderne fourni 13,5 kW. 8,3 kW sont consommés par la résistance aérodynamique, soit 62% de l'énergie du moteur qui ne sert pas à l'avancement de la voiture, et est gaspillé en pure perte dans l'air ambiant.

 Dans les circuits réputés rapides, les forces aérodynamiques développées sont très fortes, puisque proportionnelles à la vitesse au carrée. Un coefficient de déportance faible est suffisant pour retrouver une force d’appui importante, mais aussi pour minimiser la traînée. Dans les circuits réputés lents, il faut rechercher des coefficients d’appui très fort, car, les vitesses étant faibles, c’est le seul moyen d’obtenir de la déportance.

Consommation

    Le constructeur Renault explique que l'étude aérodynamique, s'effectuant dans une soufflerie, d'un véhicule permet de réduire sa résistance à l'avancement aux vitesses élevées. Meilleure est sa pénétration dans l'air, moins le moteur est sollicité pour maintenir sa vitesse et, donc, moins il consomme. L'essentiel de l'énergie que délivre un moteur est consacré à vaincre la résistance de l'air dès qu'une voiture roule à une vitesse supérieure à 80 km/h. A 90 km/h une voiture qui consomme 8 l aux 100 gaspille 5 l aux 100 d'essence, juste à cause de l'aérodynamique. Cette force qui s'oppose à l'avancement du véhicule est directement liée à son Cx : son coefficient de pénétration dans l'air suivant l'axe de son déplacement. Plus le Cx sera faible, moins le frottement qu'exerce l'air sera important et ainsi la puissance que devra délivrer le moteur pour conserver la vitesse du véhicule sera réduite d'autant.

Le Cx d'une voiture influe donc considérablement sur sa consommation, mais il faut faire attention car le Cx d’un véhicule peut facilement varier, par exemple lorsque les fenêtres d’un véhicule sont ouvertes le Cx augmente de 4%, lorsque le véhicule comporte un coffre sur le toit le Cx augmente de 40% ou lorsqu’un toit ouvrant est ouvert le Cx peut augmenter de 2%. Comme on l’a déjà vu on peut aussi diminuer le Cx, par exemple en abaissant le véhicule de 30 mm le Cx diminue de 5% ou avoir des enjoliveurs lisses permet de diminuer le Cx de 3%. 

            On voit avec ce tableau que si le Cx d’un véhicule passe de 0,3 à 0,38, la consommation augmente d’environ 25%.

Sur cette courbe, réalisée sur géogébra, on voit que le Cx joue considérablement sur la consommation comme on peut le voir ici la courbe en bleu représente la consommation d’un SUV de maître couple 2.7 m2 et de Cx=0.30 en L/100km, en fonction de sa vitesse en dizaine de km/h (donc sur l’échelle une unité correspond à 10 km/h). Celle en rouge est pour un SUV dans les mêmes conditions mais avec un Cx de 0.38. Par exemple si ces deux véhicules roulent à 130 km/h celui avec un Cx de 0.3 consomme 4.4 L/100km et celui avec un Cx de 0.38 consomme 5.5 L/100km. On voit que le Cx est très important car la consommation augmente beaucoup plus vite lorsque le Cx est élevé.

Cependant c’est la baisse de la vitesse qui réduit le plus fortement la traînée et donc la consommation. Lorsque la vitesse double la traînée est multipliée par 4. C’est d’ailleurs pour cela que l’on demande aux automobilistes de réduire leurs vitesses lors des pics de pollution. En effet, en montée sur autoroute avec une pente de 4%, rouler à 120 km/h peut représenter une consommation de 19 litres de carburant au 100 km contre moins de 15 litres aux 100 km si le véhicule roule à 100 km/h, ce qui peut permettre de faire un économie de 4 litres aux 100 km.