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(2/2) L'aérodynamisme de mon auto : comment l'améliorer ?
aerodynamisme couverture 2

(2/2) L’aérodynamisme de mon auto : comment l’améliorer ?19 minutes de lecture

Bienvenue dans cet article consacré à l’aérodynamisme de votre auto. Pour des raisons de clarté, ce sujet est abordé en 2 articles séparés :

  • L’aérodynamisme de mon auto : ça veut dire quoi ? (suivre ce lien)
  • L’aérodynamisme de mon auto : comment l’améliorer ? (vous êtes au bon endroit)

L’aérodynamisme auto : une quête vers la perfection

Les constructeurs automobiles ont très tôt prêtés attention à l’aérodynamisme de leurs modèles. Leurs progrès sont fortement liés à ceux de l’aéronautique. Et aussi à la compréhension par certains ingénieurs des spécificités des écoulements autour de formes fuselées proches du sol.

Il faut savoir que suite au krach de la bourse américaine en 1929 l’industrie automobile américaine développe un nouveau style automobile. Un des intérêts est d’améliorer l’aérodynamique pour diminuer la consommation.

La Peugeot 402 est un exemple de cette époque, elle apparaît au Salon de Paris en 1935. Ce qui la distingue sont une calandre arrondie, des ailes gonflées, une très longue carrosserie et un pare-brise coupe-vent en deux parties. A noter les phares intégrés à la calandre, une première.

peugeot 402 avant
Peugeot 402 – Lebubu93 / CC BY-SA

Plus tard, le choc pétrolier de 1973 poussa l’ensemble des constructeurs à réagir. L’aérodynamisme des véhicules sera encore plus travaillé. Le coefficient de traînée devient même un critère majeur dans les cahiers des charges.

Aujourd’hui l’aérodynamique automobile évolue entre deux mondes communicants. Celui de la compétition avec des voitures très rapides et capables de prendre des virages à grande vitesse. Celui des voitures de série où réduction de consommation, confort et stabilité à grande vitesse sont recherchés.

Les voitures de course

C’est au milieu du XXème siècle qu’est instauré le premier championnat du monde des pilotes de Formule 1.
Grâce aux diverses interdictions et restrictions réglementaires de la FIA (Fédération Internationale de l’Automobile), la F1 a développé de nombreuses technologies. Les spoilers, ailerons, diffuseurs et déflecteurs sont autant d’améliorations aérodynamiques.

La course d’endurance des 24 Heures du Mans, créée en 1923, a tiré l’industrie automobile vers le haut. En termes de performances comme en respect de l’environnement. Un grand nombre d’innovations ont été éprouvées sur la piste sarthoise avant d’être déclinées sur les routes. Je peux citer les essuie-glaces, les freins à disques, les pneus radiaux ou encore les feux antibrouillards.
Audi a même lancé son premier moteur à injection directe essence en 2001. Cette technologie s’est retrouvée sur l’A2 deux ans plus tard et est maintenant déployée sur toute la gamme.

Les voitures de série

Rechercher le meilleur aérodynamisme auto pour les voitures de série est une réponse à la fois technique et marketing aux préoccupations des usagers. Le développement des voitures de série s’inspire des voitures de course. Là où la voiture de course cherche à diminuer sa traînée pour atteindre de grandes vitesses. La voiture de série a la même quête mais le but est de diminuer sa consommation de carburant.
Les voitures de série utilisent ces recherches pour améliorer leur sobriété, leur stabilité et leur insonorisation à grande vitesse (autoroute, dépassements).

Que veux dire améliorer l’aérodynamisme de son auto ?

Dans l’article sur les notions d’aérodynamisme, je vous ai parlé de plusieurs éléments. Une voiture a un coefficient de traînée Cx qui définit sa capacité à ne pas perturber l’air lors de son déplacement. Elle a également une surface frontale S qui correspond au « trou » que la voiture laisse dans l’air lors de son passage.

Par la suite, j’évoque le SCx (la multiplication du Cx par la surface S) dont la valeur joue sur la traînée du véhicule, donc, son aérodynamisme. Plus le SCx est petit, plus la traînée est faible et meilleur est son aérodynamisme.
Améliorer l’aérodynamisme passe donc par deux voies, diminuer le Cx et diminuer le S. La première voie dépend de la forme complète de la voiture. La seconde dépend de sa surface frontale. Je vous montre dans les prochaines lignes que les constructeurs s’attardent sur la diminution du Cx. En effet, la surface frontale d’un véhicule est conditionné par la taille de l’habitacle et ne peux être trop contrainte.

Nous verrons quelles ont été les astuces pour expliquer que de 0.45 dans les années 60, le Cx peut aujourd’hui être inférieur à 0.30.

Jouer avec la géométrie de son auto pour modifier son aérodynamisme

La forme de la carrosserie d’un véhicule que j’appelle géométrie véhicule conditionne la façon dont l’air se comporte lors de son passage. J’ai montré dans l’article précédent les traînées responsables d’un mauvais aérodynamisme. Elles dépendent toutes de la géométrie véhicule.

« Tout s’explique par un épurement de l’écoulement de l’air sur la partie supérieure de la carrosserie. Une voiture en déplacement est un obstacle que l’air cherche à contourner. Pour ce faire, il va accélérer autour de la carrosserie et cherchera aussitôt à se tranquilliser. Accélérer, il le fait très bien, se tranquilliser, il le fera d’autant plus mal qu’on lui proposera des trajectoires aberrantes : accidents de formes, joints, cornières, gouttières, poignées, grilles, angles vifs… Autant de choses qui créent des tourbillons et polluent l’écoulement de l’air sur l’arrière de la voiture. Sur l’Audi 100, la réduction du Cx ne relève que de détails : étanchéité des joints, glaces affleurantes, hauteur du coffre… Il y a quelques années, lorsque l’on parlait d’un Cx de 0.30 les spécialistes voyaient une voiture en forme de goutte d’eau et bien non ! L’Audi reste de formes classiques et un carénage inférieur bien étudié permettrait de descendre à 0.27. »

Communication d’Audi à propos de l’Audi 100

Quand un véhicule roule, les molécules d’air à son approche sont perturbées. Elles traversent des zones de hautes pressions (calandre, pare-brise) et des zones de basses pressions (toit, coffre).

pression air berline
La pression de l’air sur la voiture (en dessous et au dessus) – Bernard de Go Mars / CC BY-SA 4.0

La forme de la carrosserie de la voiture est en lien avec sa traînée. Avec une géométrie bien pensée, il est possible d’avoir une auto très aérodynamique. Je décris ci-dessous des différents types de géométrie des voitures de série.

Ce n’est pas l’avant qui contribue le plus à la traînée...

La géométrie avant d’une auto représente environ 3% de sa traînée totale. Les montants de baie autour du pare-brise représentent 5%. L’avant d’un véhicule n’est donc générateur que d’une partie très faible de la traînée.

Une calandre aux arêtes droites perturbe plus l’écoulement de l’air qu’une calandre aux arêtes arrondies. Le top est d’avoir une calandre inclinée pour s’opposer le moins possible à l’air.

forme avant
Evolution du coefficient de traînée en fonction de 3 formes de calandre.

L’angle du capot et du pare-brise détermine la traînée du véhicule. Grâce au schéma ci-dessous on voit qu’apporter un angle (α) au capot diminue la traînée. Un angle inférieur à 10° s’avère bénéfique. Au-delà, la réduction de la traînée reste identique.
Apporter un angle (δ) au pare-brise réduit également la traînée.

avant capot
Évolutions de la traînée en fonction de l’angle du pare-brise et du capot

C’est la forme arrière qui impacte la traînée...

Responsable d’environ 30% de la traînée totale, le dessin arrière d’un véhicule est important. Il est nécessaire d’avoir le moins de décrochements et de se terminer en pointe. Le phénomène de décollement de la couche limite intervient lorsque l’air ne suit plus les formes de la carrosserie.

Des études sur 3 types de carrosserie arrières montrent ce phénomène :

  • Géométrie Fastback : lunette arrière très inclinée
  • La géométrie Notchback : lunette arrière inclinée avec un décrochement pour le coffre
  • Géométrie Hatchback ou Estate Back : une lunette très peu inclinée
géométrie arrière
Inclinaison de la lunette arrière en fonction de la géométrie.

La géométrie Fastback génère le moins de traînée car la lunette est la plus inclinée. Le décrochement du coffre de la géométrie Notchback augmente légèrement la traînée. Enfin la géométrie Hatchback ou Estate Back engendre le plus de traînée.

Grâce à des mesures on peut visualiser ci-dessous l’incidence de l’angle de la lunette arrière sur le SCx. A noter qu’un angle de 12 à 15° donne une traînée minimale. L’air s’écoule naturellement sur la lunette et décolle en bout de véhicule.
La traînée augmente entre 12° et 30° car l’air décolle partiellement de la paroi en haut de la lunette et crée des turbulences.
Toutefois, il existe un angle (entre 30 et 35°) à partir duquel la traînée diminue car les turbulences ou vortex générés à l’arrière du véhicule sont moins forts.

angle lunette arriere
Le SCx et donc la traînée évolue en fonction de l’inclinaison de la lunette arrière.

Allonger la partie arrière de la voiture et lui donner un angle améliore également sa traînée. Sur ce schéma, la traînée diminue lorsque la partie en pointe grandit. La Mercedes 190 adopte un arrière de ce type avec un angle de 10°.

arrière longtail
Diminution de la traînée en fonction de la longueur de la queue

Et le dessous de la voiture aussi

Eh oui, l’air passe aussi en dessous de la voiture. La géométrie des soubassements participe jusqu’à 30% de la traînée totale.
Les flux d’air sont assez complexes mais plusieurs dispositifs réduisent cette traînée. A savoir que la hauteur de caisse conditionne en grande partie le niveau d’appui et à moindre mesure la traînée.

hauteur de caisse
En vert l’appui et en bleu la traînée qui diminuent avec le rapport « hauteur de caisse/longueur de caisse »

Plus le dessous de la voiture sera lisse et moins l’air sera perturbé. En appliquant plusieurs surfaces lisses sous la voiture, des études ont mesuré la réduction de la traînée. On peut voir sur le schéma ci-dessous que l’utilisation combinée des panneaux crée une traînée plus faible.

trainee plancher voiture
Les panneaux lisses sous la voiture réduisent la traînée

La forme de la carrosserie sous l’arrière d’un véhicule modifie sa traînée. Appelé diffuseur dans le monde de la compétition, il peut être simulé avec la forme de la carrosserie. Avec le schéma ci-dessous, un léger angle diminue la traînée. Par contre, plus cet angle est important et plus la traînée augmente car l’appui augmente.

diffuseur trainee aerodynamisme
Lien entre l’angle du « diffuseur » et la traînée

Enfin les roues d’un véhicule peuvent, à elles 4, contribuer entre 15% et 20% de sa traînée totale. Là encore, les constructeurs ont développé des solutions pour la diminuer.
Les roues peuvent être carénées et la cavité du garde-boue réduit. Aussi, les jantes peuvent être pleines ou optimisées. L’utilisation de roues fines permet également de réduire la traînée. C’est le cas pour des véhicules de série où la force d’adhérence des pneumatiques n’est pas une priorité.

pneus roues aérodynamisme
A gauche : le flux d’air autour de la roue et dans le garde-boue
A droite : diminution de la traînée en carénant 2 ou 4 roues

Corps de moindre traînée : une conception non utilisée par les constructeurs

Comme la face avant d’un véhicule est très peu responsable de sa traînée totale. Et que c’est la géométrie arrière qui l’impacte principalement. Il est crucial de soigner la forme arrière en premier et d’adapter la forme avant par la suite.
Cela n’est pas vraiment utilisé par les constructeurs automobiles du début du XXIe siècle. On retrouve plusieurs silhouettes à l’avant-corps « en coin » pour fendre l’air. Et l’arrière qui se termine net, avec peu d’inclinaison.
Finalement on peut en déduire qu’en inversant le sens de l’auto, on améliore grandement son aérodynamisme. Il est préférable que l’arrière d’une auto se termine le plus en pointe possible 🙂

corps traînée
L’avant de cette voiture de moindre traînée est à gauche 🙂 – Par Bernard de Go Mars – CC BY-SA 4.0, 2

Des accessoires pour améliorer l’aérodynamisme de son auto

On voit sur des voitures de série à vocations sportives des éléments ajoutés à l’avant, en dessous de la calandre. Ce sont des spoilers, sortes de lames donnant l’impression de « lécher » le sol. Leur atout est de créer une zone bloquant l’air donc de créer de la pression. Ceci engendre une zone de plus faible pression sous la voiture. Résultat : un appui aérodynamique accru. Comme on l’a vu dans l’article précédent, la déportance croît mais pas la traînée.

audi spoiler calandre
A quelques centimètres du sol, le spoiler noir augmente l’appui aéro de l’Audi – Photo by kareem Roberts on Unsplash

Ces spoilers existent à l’arrière comme on peut le voir ci-dessous. De la même manière qu’un spoiler avant, l’air se retrouve bloqué dessus et cela crée un « coussin » d’air. Grâce à cela, l’air qui arrive au-dessus du toit passe sur le coussin et n’est plus perturbé par le décrochement du toit. Il s’en suit une diminution des turbulences et donc de la traînée.

porsche spoiler
Porsche 911 équipée d’un spoiler arrière

Ce spoiler arrière est différent d’un aileron. L’aileron est comme une aile d’avion inversée. Dans ce cas, l’air peut passer au-dessus et en dessous et sa forme produit de l’appui aérodynamique. La tenue de route est ici améliorée.

porsche spoiler aileron arriere
Porsche 911 équipée d’un aileron et d’un subtil spoiler arrière

Comment gâcher l’aérodynamisme de son auto

Les accessoires ci-dessus améliorent l’aérodynamisme en réduisant la traînée ou en augmentant l’appui. Il y a à l’inverse des accessoires qui détériorent l’aérodynamisme d’un véhicule.
Tout objet qui s’oppose au flux d’air doit avoir été longuement étudié pour qu’il soit bénéfique à l’aérodynamisme.
Les rétroviseurs sont des éléments perturbateurs. Il est préférable de les dessiner de la forme la plus aérodynamique. Plus ils sont placés loin de la carrosserie moins ils génèrent de perturbations.
Les barres de toit augmentent le Cx de 30 à 40% et les coffres de toit ont un impact encore pire. Pourquoi ces derniers ont une forme qui va à l’encontre des règles de l’aérodynamique ? Il faudrait mieux les fixer à l’inverse, l’arrière en direction de l’avant.

coffre toit
Voilà comment dégrader l’aérodynamisme de son auto 🙂

Cas concrets d’amélioration de l’aérodynamisme de son auto

Les éléments précédents sont des preuves de ce qui est bénéfique à l’aérodynamisme de votre auto.
Pour bien illustrer la question, un comparatif de véhicules de différentes géométries se trouve plus bas. Je vais, par l’utilisation des formules de l’article précédent, montrer l’impact sur la traînée et déduire le gain en terme de consommation !

Donc voici les candidats de ce comparatif aérodynamique !

comparatif aerodynamisme voiture
Comparatif de grande envergure : à vous de faire vos pronostics !
  1. MERCEDES CLA 180 BLUEEFFICIENCY – Modèle de 2013 équipé d’un 4 cylindres 1.6 l de 122 ch.
  2. RENAULT Zoé – Modèle de 2019 équipé d’un moteur électrique équivalent à 90 ch.
  3. TESLA Model S 75D – Modèle de 2019 équipé d’un moteur électrique équivalent à 322 ch.
  4. BUGATTI Veyron – Modèle de 2014 équipé d’un 16 cylindres 8.0 l de 1001 ch.
  5. MERCEDES Vito – Modèle de 2016 équipé d’un 4 cylindres 1.6 l de 88 ch.
  6. FORD Focus RS – Modèle de 2018 équipé d’un 4 cylindres 2.2 l de 350 ch.

Chacune de ces voitures possède son propre aérodynamisme. Laquelle génère le moins de traînée ? Pour le savoir, j’ai recueilli le SCx de ces autos (surface frontale*coefficient de traînée). Plus ce SCx est faible, plus la traînée est faible et meilleur est son aérodynamisme.

On voit que la majorité des carrosseries a des bords arrondis, gage d’un bon Cx. Ensuite la forme de l’avant est assez fine même si celle de la Zoé et du Vito paraissent plus imposantes. A l’arrière chacune est différente, on voit des lunettes arrières de différentes inclinaisons. L’inclinaison joue sur le Cx. Certaines possèdent des ailerons arrières comme la Veyron et la Focus RS.
Quant à l’estimation de la surface frontale, on peut la jauger. Le Vito a l’air d’être le plus imposant même si la Veyron possède une belle largeur. La CLA et la Model S semblent les plus profilées.

Classement du meilleur SCx

Il est temps de regarder le tableau ci-dessous pour déterminer la voiture la plus aérodynamique :

classement aerodynamisme cx
Qui a le meilleur aérodynamisme et qui a le pire ? Mercedes 🙂

La Mercedes CLA est la grand gagnante avec un Cx record de 0.22 qui lui donne un SCx de 0.490. La Tesla Model S n’est pas loin avec un SCx de 0.562. Ensuite la troisième place est remportée de peu par la Bugatti Veyron malgré un Cx élevé (car elle doit avoir beaucoup d’appui aérodynamique) mais grâce à une surface frontale la plus petite. Suit la Renault Zoé à quasi égalité qui bien qu’avoir un Cx très faible, sa surface frontale assez grande la pénalise. La Ford Focus RS arrive 5ème car son Cx élevé est une conséquence de forts appuis aérodynamiques pour cette voiture de sport. Le Vito termine à la dernière place car il a à la fois un Cx élevé et une surface frontale S grande.

Un bon SCx est garant d’une faible consommation

Les voitures de ce comparatif ont une traînée plus ou moins forte, cela influe sur la consommation de carburant.

Ci-dessous un nouveau tableau où j’ai simulé plusieurs vitesses de circulation. J’en déduis la perte de consommation liée aux frottements aérodynamiques.
Les calculs se basent sur la page Wikipédia de l’aérodynamique automobile. Je détermine la traînée grâce à la vitesse, la surface frontale S et le Cx. Ensuite je relie cet effort à la perte de carburant pour 100 km/h. 1 litre d’essence au 100 km correspond à un effort de 360 N. J’obtiens alors la perte énergétique aérodynamique pour chaque véhicule en fonction de 3 vitesses de circulation.

classement aerodynamisme consommation
Plus le véhicule roule vite et plus la perte de consommation aérodynamique est importante.

Comment mesurer la traînée aérodynamique de votre auto – sans soufflerie, ni ordinateur !

Les calculs précédents s’appuient sur des données provenant de tests en souffleries pour la plupart. Cependant, il existe un moyen de mesurer la traînée de sa voiture sans soufflerie ni ordinateur.

Il faut en premier la valeur S de la surface frontale. Pour cela mesurez la hauteur H et la largeur L de votre voiture. Grâce à la formule S = 0.81*(H*L) vous avez S.
Ensuite il vous faut le Cx et c’est un peu plus fastidieux à déterminer. Pour cela il existe la procédure de décélérations. Elle consiste à faire rouler la voiture en roue libre à plus de 100 km/h et mesurer sa décélération. Commencez par rouler à 130 km/h et débrayez complètement. Quand l’aiguille passe à 120 km/h déclenchez le chronomètre. Quand elle passe à 100 km/h, stoppez le chronomètre. Suivez ensuite ce lien et allez page 25 pour déterminer votre Cx.

Pour clore cet article

Un véhicule dépense en moyenne 15% de l’énergie de son moteur pour vaincre la résistance aérodynamique à l’avancement. L’aérodynamique d’une auto est donc un domaine où il est crucial de progresser.

L’aérodynamique automobile est assez contre-intuitive car on ressent, à tort, que la partie avant d’un véhicule est comme chargée de faire la trace (fendre l’air) pour le reste du véhicule. C’est totalement l’inverse, prenez une goutte d’eau qui tombe, la forme avant est bombée et l’arrière se termine en pointe. C’est la forme aérodynamique idéale dans cette condition.

Jouer avec la géométrie véhicule c’est jouer avec le design. Quelques fois les contraintes techniques s’opposent à la création d’une voiture parfaitement aérodynamique. Une solution est de jouer sur les détails de carrosserie et sur le traitement de sa surface. A noter que le biomimétisme est utilisé pour copier la rugosité d’une peau de requin, imiter la forme des ailes d’oiseau ou bien reprendre la forme profilée du bec d’un martin-pêcheur.

Au final, la vitesse de circulation d’un véhicule reste le principal responsable de la traînée. On estime que chaque km/h supplémentaire (au delà de 100 km/h) coûte 1% de plus de consommation. Circuler à 120 au lieu de 130 engendre une économie de 10% de carburant.

J’espère que je vous ai apporté des explications claires et que vous avez les clés pour évaluer la performance aérodynamique de votre auto 🙂

Des références et des sources pour approfondir les notions évoquées :

Si vous souhaitez faire une remarque sur cet article, je vous invite bien entendu à laisser un commentaire !

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