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AÉRODYNAMIQUE : ENTRE CX, RÉSISTANCE DE L’AIR, VITESSE ET CONSOMMATION

Par Frank Maas

Le développement des véhicules électriques suscite un regain d’intérêt de la part des ingénieurs pour l’aérodynamique. Nous vous expliquons pourquoi ce facteur est si important.

Avec l’apparition de moteurs turbodiesel à faible consommation dans les années 1990 et, plus tard, l’essor des SUV, l’efficacité aérodynamique est un peu passée au second plan. La tendance a pourtant changé du tout au tout avec l’essor des véhicules électriques, car chaque détail compte pour améliorer l’autonomie.

À basse vitesse, la résistance au roulement au niveau des roues, qui dépend notamment de la taille des pneumatiques, est le facteur déterminant au niveau des forces de frottement. Avec l’augmentation de la vitesse, la résistance de l’air supplante progressivement la résistance au roulement comme principale résistance au mouvement de la voiture. La résistance aérodynamique est due au fait que le véhicule doit repousser l’air qu’il traverse. Cela provoque des frottements à la surface et, à vitesse élevée, des tourbillons d’air peuvent également apparaître. Les chiffres annoncés par les constructeurs peuvent facilement provoquer une confusion chez les automobilistes. La valeur la plus couramment communiquée est le Cx. Mais celui-ci décrit uniquement l’aérodynamique du véhicule, c’est-à-dire la façon dont il fend l’air. Il s’agit en fait d’un coefficient de trainée, aussi appelé « coefficient de résistance au flux », déterminé en soufflerie.

Le Cx n’indique donc pas la résistance aérodynamique réelle (sCx), mais permet une comparaison directe du rendement aérodynamique de différents modèles de véhicules. Plus cette valeur est faible, plus la résistance au flux est basse. La résistance aérodynamique, quant à elle, est le produit de la surface frontale (surface de pénétration dans l’air, c’est-à-dire la section frontale du véhicule) par le Cx que nous venons d’évoquer. C’est pourquoi, dans les chiffres, le Cx est toujours inférieur à la résistance aérodynamique (sCx). Pour clarifier, prenons l’exemple d’une voiture de taille moyenne au Cx de 0,30 et possédant une surface frontale de 2,20 m2 : cela nous donne un indice de résistance aérodynamique de 0,66. En théorie, il faudrait également tenir compte de la densité de l’air.

La R Sistance Augmente Exponentiellement

Il est intéressant de noter que la résistance aérodynamique n’augmente pas de façon linéaire avec la vitesse, mais bien en fonction du carré de celle-ci. Dans la pratique donc, lorsque la vitesse est multipliée par deux, la résistance aérodynamique n’est pas multipliée par deux, mais par quatre. Le véhicule consomme donc d’autant plus d’énergie. La surconsommation des moteurs thermiques dans ces circonstances est moins marquée étant donné que ces moteurs présentent de toute façon un rendement médiocre n’atteignant pas 35 %, et qu’ils atteignent leur meilleur rendement à vitesse stabilisée et relativement élevée. Les véhicules électriques, à l’inverse, affichent un rendement très élevé de plus de 90 %. La densité énergétique des batteries est nettement inférieure à celle d’un réservoir rempli. Pour clarifier, et en comparaison directe, une batterie de 50 KWh typique d’une voiture électrique compacte ou moyenne contient autant d’énergie que cinq litres de carburant. Cette plus faible teneur en énergie de la batterie est compensée par le rendement avantageux du moteur électrique, surtout à faible charge et à basse vitesse.

L’EXEMPLE DU PINGOUIN

Mais avec l’augmentation de la vitesse, qui s’accompagne d’une augmentation au carré de la résistance de l’air, la consom- mation augmente et la faible densité énergétique de la batterie limite l’autonomie.

C’est précisément cette raison qui fait que l’optimisation aérodynamique est essentielle pour les véhicules électriques. Les voitures aux larges surfaces frontales cèdent de plus en plus la place à des silhouette étirées de coupés aux parebrises fortement inclinés et aux lignes fluides. Et pour améliorer encore plus la pénétration dans l’air, on observe une tendance en faveur de passages de roues fermés, de poignées de portes rentrant dans la carrosserie, de joints de carrosserie étroits, de rétroviseurs virtuels, d’entrées d’air à géométrie variable et de suspensions à hauteur variable. La disparition du réservoir de carburant et du pot d’échappement, qui provoquent des turbulences défavorables sous la voiture, permet d’adopter un dessous de caisse aérodynamique assurant un écoulement contrôlé de l’air. Les constructeurs misent en outre sur des pneus plus fins aux mélanges de gommes adaptés.

Les optimisations aérodynamiques des voitures électriques évoquées ci-dessus permettent d’économiser l’énergie sur autoroute, ce qui augmente leur autonomie. Une comparaison fictive dans le monde animal illustre parfaitement l’importance particulière de la forme des véhicules dans ce contexte. Le pingouin de Terre Adélie possède un corps idéalement taillé pour l’aérodynamique, avec un Cx de 0,03 contre 0,30 en moyenne pour les voitures particulières. En théorie, ce Cx permettrait au pingouin de parcourir 1 500 km avec un seul litre d’essence ou, s’il était un véhicule électrique, avec une batterie de seulement 10 KWh.

Un peu d’histoire

Les premiers efforts d’amélioration de l’aérodynamique remontent à 1914, avec le modèle « 40-60hp Aerodinamica » du comte italien Marco Ricotti. En 1919, Edmund Rumpler présente la « voiture goutte », à laquelle des essais en soufflerie réalisés en 1979 ont attribué un Cx appréciable de 0,28. Dans les années 1930, Auto Union et Mercedes utilisent des véhicules aérodynamiques avancés pour établir des records de vitesse de plus de 400 km/h.

La forme de base des voitures actuelles apparaît dans les années 1950, sans toutefois accorder d’importance particulière à l’aérodynamique. Ce n’est qu’après la crise pétrolière du début des années 1970 que les constructeurs commencent réellement à faire des efforts dans ce sens. Cette crise suscite le développement des premières souffleries calibrées qui permettent d'améliorer encore les résultats.