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.
Ainsi, 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.
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. Et 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. Ainsi, un grand nombre d’innovations ont été éprouvées sur la piste sarthoise avant d’être déclinées sur les routes. Je peux donc 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.
Finalement, 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. Premièrement, 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 ensuite 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. Ainsi, j’ai montré dans l’article précédent les traînées responsables d’un mauvais aérodynamisme. Elles dépendent donc 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).
La forme de la carrosserie de la voiture est donc 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. Finalement, le top est d’avoir une calandre inclinée pour s’opposer le moins possible à l’air.
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. Ensuite, 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.
…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 donc 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
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.
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°.
…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.
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 donc voir sur le schéma ci-dessous que l’utilisation combinée des panneaux crée une traînée plus faible.
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.
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 donc le cas pour des véhicules de série où la force d’adhérence des pneumatiques n’est pas une priorité.
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.
Toutefois cela n’est pas vraiment utilisé par les constructeurs automobiles du début du XXIe siècle. On retrouve donc 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 donc préférable que l’arrière d’une auto se termine le plus en pointe possible 🙂
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.
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.
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 alors ici améliorée.
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.
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 !
- MERCEDES CLA 180 BLUEEFFICIENCY – Modèle de 2013 équipé d’un 4 cylindres 1.6 l de 122 ch.
- RENAULT Zoé – Modèle de 2019 équipé d’un moteur électrique équivalent à 90 ch.
- TESLA Model S 75D – Modèle de 2019 équipé d’un moteur électrique équivalent à 322 ch.
- BUGATTI Veyron – Modèle de 2014 équipé d’un 16 cylindres 8.0 l de 1001 ch.
- MERCEDES Vito – Modèle de 2016 équipé d’un 4 cylindres 1.6 l de 88 ch.
- 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 alors les plus profilées.
Classement du meilleur SCx
Il est donc temps de regarder le tableau ci-dessous pour déterminer la voiture la plus aérodynamique :
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 donc 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.
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 donc 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.
Finalement 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 donc 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 :
- Travail de TPE avec une partie sur l’aérodynamisme
- Exemples de liens entre technologie du sport automobile sur les voitures de série
- L’influence d’appendices aérodynamiques latéraux sur l’aérodynamisme d’une auto de sport (anglais)
- L’aérodynamique d’une Formule 1
- Thèse sur la réduction de la traînée d’un véhicule
- Présentation détaillée de l’aérodynamique automobile (anglais)
- L’aérodynamique en sport automobile (anglais)
- Différence entre spoiler et aileron (anglais) et une explication en français
- Le biomimétisme au service du progrès de l’aérodynamique
- Article sur le Renault EoLab et son aérodynamisme auto amélioré
La théorie est belle mais la conclusion totalement fausse pour les moteurs thermiques du moins qui ont un rendement de 20%.
Je suis du genre a mesurer et calculer mes consos a chaque plein depuis plus de 30 ans, 1millon de km, et donc j’ai les chiffres et l’expérience.
Ayant conduit pendant pas mal d’année plusieurs TDI 90CV, et habitant en moyenne montagne avec des dénivelés boulot/maison de + de 700m, je peux vous dire qu’un TDI 90 consomme dans les 6l/100 sur ce type de trajet. la conso est de 5L/100 sur parcours vallonné, route a 90km/h ou autoroute a 130km/h. et le record s’est fait en bretagne 4L/100 sur route totalement plate a 70km/h.
Pour être ensuite passé à un kangoo essence 110CV la conso est toujours plus ou moins 10L/100, que ce soit sur autoroute a 130km/h ou sur petite route a 70km/h et ceci avec un SCX qui doit être vraiment mauvais de l’ordre du mercedes vito.
Et ces conso sont des moyenne que j’ai mesurée avec une variation de + ou – 0.1L/100 (soit 2%) à chaque plein quel que soit le type de conduite que ce soit moi, énervé ou pas ou ma femme qui conduit, aucune différence.
Donc votre théorie de 10% de conso entre 120 et 130km/h est totalement ahurissante. Si tel était le cas je devrais consommer du 15 ou 20L/100 avec un Kangoo à 130km/h sur autoroute et pourtant aucune différence entre 130km/h et 70km/h . Idem avec le tdi 90, impossible de mesurer une différence en parcours vallonné que ce soit sur autoroute ou sur route .
En revanche le facteur qui change beaucoup la conso, de 20% en moyenne et dont personne ne parle jamais c’est le dénivelé. Entre 6l/100 et 5l/100 ca fait 20% de conso en plus sur du dénivelé. et 20% de moins en bretagne sur du plat a 4l/100.
Aussi le fait d’emmener les vélos en vacance sur un porte vélo arrière avait fait monter la conso a 9L/100 et ralentissait fortement la voiture qui se retrouvait en peine à 100/110km/h en plus de représenter une augmentation de conso de 80% sur trajet d’autoroute en TDI 90 (100*9/5). Dans ce cas la il y avait une vrai différence particulièrement notable et mesurable par l’effondrement de l’aérodynamisme de la voiture.
Donc oui il peut y avoir des différences d’aérodynamisme, mais vos chiffres, je le répète, sont ahurissants et non représentatifs de la réalité.
Alors évidement c’est plus facile d’emmerder les gens et d’interdire de rouler a 130km/h que d’interdire de rouler en montagne quoi que je risque de donner des idées a certains … et pourquoi pas interdire de transporter des vélos.
Bonjour Bob, merci pour ce partage d’expérience enrichissant.
C’est vrai que vos chiffres issus de situations réelles ne concordent pas avec la théorie.
Dans mon article j’ai simplement repris la formule de la traînée qui évolue avec le carré de la vitesse. Cela veut dire dire qu’en théorie, le rapport traînée/vitesse augmente plus on roule vite.
En tout cas, la vraie vie est toujours enrichissante et il y a dans chaque cas des raisons pour expliquer l’écart par rapport à la théorie.
Je vous rejoins sur le dénivelé qui est vraiment une part majeure à l’évolution de la consommation. On n’en parle en effet pas souvent.