Opór ruchu, a zużycie paliwa

Najogólniej mówiąc oporami ruchu nazywamy wszystkie siły na jakie napotyka pojazd i które musi pokonać podczas jazdy. Możemy je podzielić na: drogowe (toczenia, wzniesienia), związane z konstrukcją (powietrza, wewnętrzne mechaniczne) i opory bezwładności. Przyjrzyjmy się więc każdemu z nich.

1. Opory drogowe
Podczas jazdy, koło samochodowe tocząc się musi przezwyciężyć dwa rodzaje oporów. Jeden wynika z tarcia opony o nawierzchnię, a drugi to opór wynikający ze sprężystych odkształceń opony. O ile współczynnik tarcia zależy od nawierzchni drogi (na szutrowej drodze jest on dwa razy większy niż na asfalcie, a na drodze z nierównościami, jak dziury pośniegowe, jeszcze większy) i konstruktorzy mają na to niewielki wpływ, to opory powstające w wyniku ugniatania opon są przez konstruktorów bardzo uważnie badane.

Próby przeprowadzone w laboratoriach firm oponiarskich wykazały, że przy stałej prędkości 120 km/h pobór energii przez cztery koła wynosi około 4 kilowaty, co przekłada się na zużycie około 1 l paliwa więcej na 100 km. Oczywiście mało kto podróżuje non stop 120 km/h, niemniej zużycie paliwa jest znaczne. Stąd też w laboratoriach opracowywane są nowe opony, które nie są już tak idealne w każdym zakresie jak klasyczne gumy, ale uwzględniają tylko kilka aspektów.

Wersje ekonomiczne mają wyraźnie mniejsze opory toczenia i lepsze walory przyczepności, ale zrealizowano to kosztem większej ścieralności opony i większej głośności podczas jazdy. Warto też podkreślić, że opór wynikający z ugniatania opony podczas jazdy zmniejsza się wraz ze wzrostem ciśnienia w oponie.

Jednakże w tym wypadku przekraczanie norm, jakie zakłada producent, oprócz mniejszego oporu toczenia (czyli mniejszego zużycia paliwa) zaowocuje również zmniejszeniem własności na mokrej i suchej nawierzchni. Do oporów drogowych możemy także zaliczyć opory wzniesienia, które zależą od kąta jego nachylenia. Jednakże tak jak w przypadku współczynnika tarcia nie zależy to od konstruktorów samochodu.

2. Opory związane z konstrukcją
Opór powietrza to opór, jaki stawia ośrodek poruszającej się w nim bryle. W przypadku samochodu ośrodkiem tym jest powietrze atmosferyczne. W obliczeniach przyjmuje się, że opór jest wprost proporcjonalny do gęstości ośrodka (powietrza), kwadratu prędkości oraz rozmiarów i kształtu poruszającego się ciała.

W mechanice oznaczone jest to jako iloczyn: 1q x V2 x A x Cx, gdzie q to gęstość powietrza, Cx - współczynnik doskonałości aerodynamicznej, A - powierzchnia czołowa samochodu, a V - prędkość jazdy. Z tego równania wynika, że wzrost oporów toczenia zależy w ogromnej mierze od prędkości jazdy (gdy zwiększymy prędkość dwukrotnie, opór wzrośnie cztery razy), co nie jest zależne od producentów. Zależy od nich jednak kształt samochodu i zarys powierzchni czołowej.

Aerodynamika to szersze zagadnienie, któremu można by poświęcić osobny tekst, niemniej warto wiedzieć jak zmieniał się współczynnik Cx i jak zależy on od wielkości bryły: Fiat 126 miał Cx= 0,47, Fiat 125 - 0,42, Polonez Caro - 0,36, Fiat Uno - 0,35, Renault Megane I - 0,33, SAAB 9-5 - 0,29, Audi A6 - 0,28, Mercedes Klassy E W211 - 0,26. Warto także podać charakterystyczne wartości Cx: dla jadącego na skuterze wynosi on 0,70, dla samochodu ciężarowego - 0,80, dla skrzydła samolotu - 0,08, a dla ideału stworzonego przez przyrodę, którym jest... pingwin - tylko 0,03.

3. Opory bezwładności
Kolejnym czynnikiem wpływającym na poprawność ruchu jest opór związany z bezwładnością pojazdu, czyli z jego masą. Ograniczyć można go jedynie poprzez zmniejszenie wagi samochodu. Warto jednak pamiętać, że to wymagania klientów nakręcają spiralę wagową. Jeżeli bowiem będziemy chcieli posiadać klimatyzację, elektryczne wspomaganie różnych układów, systemy nawigacji itd., to musimy liczyć się ze wzrostem masy proporcjonalnym do ilości urządzeń.

Jedynym wyjściem z tej sytuacji jest zatem "odchudzenie konstrukcji". W przypadku lżejszych materiałów użytych na mocowanie kół, dodatkowym plusem jest redukcja mas nieresorowanych, czyli poprawa komfortu jazdy. Największe ograniczenie masy finalnej jest jednak przy wykorzystaniu nowoczesnych materiałów, użytych do budowy nadwozia.

Najkorzystniejsze jest oczywiście zbudowanie karoserii z tworzyw sztucznych, ale skomplikowana rama przestrzenna, do której będą zamocowane poszycia nadwozia, jest tak droga i ma tak oryginalne kształty wzmocnień, że nie trafiła do seryjnej produkcji (mają ją tylko niektóre modele sportowe i Renault Espace). Rozwinęło się za to wykorzystanie stopów aluminium.

Najbardziej zaawansowaną technologię w tym zakresie stosuje Audi. W roku 1993 we Frankfurcie zaprezentowano "kosmiczny pojazd" wykonany z wypolerowanego aluminium, a rok później okazało się że ten kosmiczny model (tylko wylakierowany) jest ofertą handlową nazwaną A8.

W modelu inżynierowie Audi opracowali i wdrożyli do produkcji system ASF (Audi Space Frame) polegający na zbudowaniu ramy przestrzennej z zamkniętych profili wyciskanych w procesie obróbki plastycznej ze stopów aluminium. Poszczególne elementy tej klatki zostały połączone za pomocą specjalnych łączników odlewanych ciśnieniowo, także wykonanych ze stopu aluminium. Dopiero na tak przygotowaną ramę mocowane są poszycia nadwozia.

Technologia ta oprócz niepodważalnej zalety obniżenia wagi pojazdu, zwiększa także bezpieczeństwo bierne. Przestrzenna kratownica tworzy bowiem klatkę bezpieczeństwa, która jest sztywniejsza niż analogiczna wykonana z materiałów tradycyjnych. Odpowiednie zaprojektowanie profili z aluminium spowodowało bowiem, że w razie wypadku, uderzenie jest całkowicie absorbowane przez elementy wzmacniające, które zostają spęczane podczas pochłaniania energii zderzenia.

Kilka sezonów później w Audi zaprezentowano kolejną nowość - prototyp "Al2". Konstrukcją nośną samochodu jest rama przestrzenna podobna do tej z pojazdów A8. Obejmuje ona kratownicę podwozia (z trzema poprzeczkami i tunelem wzmacniającym), słupki przedni i środkowy, konstrukcję wzmacniającą ścianę grodziową, oraz wzmocniony obrys szyby przedniej, a wszystkie elementy ramy są zamkniętymi profilami wyciskanymi w procesach obróbki plastycznej.

Technologia taka pozwalała na oszczędność kilkudziesięciu procent wagi. "Al2" ważył bowiem 750 kg, a identyczny model wykonany z blach stalowych byłby o ok. 250 kg cięższy. Kolejnym krokiem w firmie była produkcja - wyglądającego identycznie jak "Al2" - Audi A2. Jednakże później zaniechano wdrożenie systemów ASF w całej gamie produkcyjnej. Aktualnie produkowane w tej technologii są jedynie: Audi A8 (jego karoseria waży 220 kg, czyli mniej niż samochodów klasy średniej), Audi R8 (waga karoserii 210 kg), TT i TT Roadster (firma podaje, że karoseria Coupe ważąca 206 kg wykonana ze stali byłaby 100 kg cięższa).

Tak więc zużycie paliwa nie zależy tylko od silnika, ale też od nadwozia w jakim jest on zamontowany. O tym jak ważne są m.in. modernizacje opon i aerodynamiki pokazali konstruktorzy Opla prezentując Insignię EcoFlex, która w porównaniu z modelem bazowym z identycznym silnikiem zużywa o 15 proc. paliwa mniej.

Bogusław Korzeniowski