Toute voiture en mouvement doit se frayer un chemin dans l’air, qui s’oppose à son avancement avec une force d’autant plus grande que la vitesse augmente. Cette force porte le nom de résistance aérodynamique et, avec la résistance au roulement et les frottements de la transmission, elle représente le travail que le moteur doit accomplir rien que pour maintenir la voiture en marche. Son expression est plutôt simple :
Fa = ½ · ρ · v² · Cx · S
où ρ est la masse volumique de l’air, v la vitesse relative entre la voiture et l’air, S la surface frontale et Cx le coefficient de résistance aérodynamique. Ce dernier, noté Cd dans la littérature anglo-saxonne et Cw dans la littérature allemande, est un nombre sans dimension : il ne dépend pas des dimensions du corps, mais uniquement de sa forme et de la manière dont l’écoulement le quitte. Un Cx faible désigne un corps autour duquel l’air se referme de façon ordonnée, sans laisser derrière lui un large sillage tourbillonnaire : c’est précisément ce sillage qui constitue la part la plus importante de la traînée d’une automobile.
Le Cx ne se calcule pas sur le papier, il se mesure. La vérification classique a lieu en soufflerie, où des balances spécifiques relèvent les forces échangées par la voiture soumise à un flux d’air de vitesse connue, tandis qu’un tapis roulant sous le plancher reproduit l’écoulement sous le fond. À cela s’ajoute la mécanique des fluides numérique (CFD), qui simule l’écoulement par ordinateur et permet d’évaluer des dizaines de variantes avant de construire un modèle physique.
Cx et surface frontale : deux grandeurs à lire ensemble
À côté du coefficient, la formule fait apparaître la surface frontale S, c’est-à-dire la surface de la silhouette que la voiture projette lorsqu’on l’observe exactement de face. La résistance dépend du produit des deux termes, noté SCx (ou CdA) et exprimé en mètres carrés. Il en découle qu’une voiture haute et large dotée d’un excellent Cx peut opposer à l’air plus de résistance qu’une voiture basse et étroite au Cx médiocre : c’est la raison pour laquelle les SUV, malgré des progrès considérables réalisés sur la forme, restent pénalisés par rapport aux berlines.
En ordre de grandeur, les berlines modernes se situent entre 0,28 et 0,32 de Cx, les sportives entre 0,25 et 0,30, tandis que les véhicules à carrosserie anguleuse dépassent facilement 0,35. Les voitures conçues autour de l’efficience descendent sous 0,25 : la Mercedes EQS a été présentée comme la première voiture de série avec une valeur annoncée à partir de 0,20, tandis que la Lucid Air revendique 0,197 dans la configuration à jantes aérodynamiques.
Pourquoi le Cx compte autant
Dans la formule, la vitesse apparaît élevée au carré : doubler l’allure revient donc à quadrupler la force résistante. Et puisque la puissance est le produit de la force par la vitesse, la puissance absorbée croît avec le cube de la vitesse : vaincre l’air à 200 km/h demande environ huit fois la puissance nécessaire à 100 km/h. Quatre conséquences en découlent.
Les deux premières concernent l’énergie. Sur la consommation, à basse vitesse c’est la résistance au roulement qui domine, mais aux allures autoroutières la contribution aérodynamique devient la composante prépondérante de la résistance à l’avancement, et sur les voitures électriques l’autonomie en dépend dans une large mesure. Sur la vitesse maximale, atteinte là où la puissance aux roues égale celle absorbée par les résistances, gagner quelques km/h en pointe exige des augmentations de puissance toujours plus importantes : travailler sur la forme est presque toujours plus rentable que travailler sur le moteur.
Les deux autres concernent le comportement. La stabilité, parce que le flux qui passe au-dessus de la carrosserie parcourt un trajet plus long que celui qui passe sous le plancher et que la différence de pression engendre une force verticale dirigée vers le haut, la portance, qui allège les essieux en réduisant l’adhérence ; et si cette force se répartit de façon déséquilibrée entre les deux essieux, la précision de la direction et le comportement par vent latéral s’en ressentent. Et le bruit, puisque les tourbillons générés par les rétroviseurs, les montants avant et les joints des vitres produisent un sifflement aérodynamique qui, à haute vitesse, dépasse celui du moteur et du roulement.
Pour maîtriser ces aspects, les concepteurs disposent de dispositifs qui agissent sur l’écoulement en différents points de la voiture :
- Splitters et becquets avant
- Becquets et ailerons arrière
- Fond plat et diffuseur
- Éléments aérodynamiques actifs
Splitters et becquets avant
À l’avant, le flux se divise entre la partie qui passe au-dessus de la carrosserie et celle qui s’engouffre sous le plancher. Le splitter est une lame horizontale qui dépasse à la base du pare-chocs : l’air qui le frappe de face est ralenti presque jusqu’à l’arrêt et engendre au-dessus de lui une zone de haute pression, tandis que celui qui passe en dessous est accéléré et voit sa pression diminuer. La différence entre les deux charge l’essieu avant vers le bas.
Sur les voitures de série, la même tâche est confiée à un becquet avant plus simple, qui descend vers l’asphalte pour limiter l’air dirigé sous la voiture, où le soubassement et les organes mécaniques exposés génèrent une résistance élevée. C’est à la même logique qu’appartiennent les volets mobiles de calandre, qui ferment partiellement les prises d’air du compartiment moteur lorsque les besoins de refroidissement le permettent.
Becquets et ailerons arrière
Il convient de distinguer deux dispositifs que le langage courant a tendance à confondre. Le becquet est un élément intégré à la carrosserie, typiquement une lèvre relevée sur le bord du capot ou du hayon, dont le rôle est d’établir un point de décollement net de l’écoulement, en empêchant l’air de suivre la poupe inclinée en générant portance et tourbillons désordonnés. Correctement dimensionné, il réduit à la fois la portance et la résistance, car il rend le sillage plus compact.
L’aileron est en revanche un profil d’aile séparé de la carrosserie et monté à l’envers par rapport à l’aile d’un avion : sa fonction est de produire de la déportance, une force qui plaque le train arrière sur l’asphalte en augmentant l’adhérence en courbe et au freinage. Mais tout profil qui génère de la déportance génère aussi de la résistance : le choix de l’incidence est toujours un compromis entre les deux effets.
Fond plat et diffuseur
Le soubassement d’une voiture traditionnelle est une surface irrégulière, peuplée par l’échappement, les suspensions et les traverses, qui ralentit l’écoulement et provoque son décollement. Le recouvrir de panneaux de carénage est aujourd’hui l’une des solutions les plus efficaces pour abaisser le Cx sans intervenir sur la forme visible de la carrosserie, au point d’être adoptée jusque sur les voitures des segments moyen et inférieur.
Un fond régulier rend en outre possible le diffuseur, le canal divergent aménagé dans la partie terminale du plancher. L’air qui parcourt l’espace étroit entre le fond et l’asphalte est contraint d’accélérer et sa pression baisse, selon le même principe qui régit un conduit étranglé ; le diffuseur ramène progressivement le flux de sortie à la pression ambiante, appelant ainsi davantage d’air sous la voiture. On obtient une déportance répartie sur tout le fond sans ajouter de surfaces exposées au vent : c’est pourquoi le fond est le moyen le plus efficace de produire de la charge aérodynamique et, en compétition, il en constitue l’élément principal.
Éléments aérodynamiques actifs
Les besoins d’une voiture changent continuellement : sur autoroute, c’est la résistance minimale qui est recherchée ; en courbe et au freinage, c’est la charge maximale. Un profil fixe ne peut satisfaire les deux conditions, et c’est de là que naît l’aérodynamique active, c’est-à-dire l’emploi de surfaces mobiles gérées par un calculateur en fonction de la vitesse, de l’angle de braquage et de la pression sur la pédale de frein. Sur les Porsche 911, le becquet arrière escamotable prend différentes positions selon la vitesse et le mode de conduite ; sur la Bugatti Chiron, l’aileron arrière à commande hydraulique se relève pour générer de la charge, s’abaisse dans la recherche de la vitesse maximale et se dresse presque à la verticale au freinage, faisant office de frein aérodynamique. Le système ALA (Aerodinamica Lamborghini Attiva) de la Huracán Performante agit quant à lui avec des valves qui ouvrent et ferment des conduits internes au splitter et à l’aileron.
Deux philosophies face à face
Dans la conception d’une voiture de route, l’objectif prépondérant est la réduction de la résistance : on travaille sur la propreté des surfaces, sur le carénage du fond, sur le dessin des jantes et sur l’écoulement autour des passages de roue. La déportance n’est pas recherchée en soi ; on cherche plutôt à annuler la portance et à la répartir de manière équilibrée entre les deux essieux, juste ce qu’il faut pour garantir stabilité et sécurité.
Sur une voiture à hautes performances ou de compétition, la priorité s’inverse. Puisque la force transmissible par un pneumatique croît à mesure qu’augmente la charge verticale qui l’écrase au sol, générer de la déportance signifie passer les courbes plus vite et freiner plus tard : le concepteur accepte alors sciemment une augmentation du Cx en échange de la charge, sachant que sur un tour chronométré le temps gagné en courbe dépasse celui perdu en ligne droite. Une fois cela compris, on lit aussi correctement une fiche technique : un Cx élevé n’est pas nécessairement un défaut de conception, ni un Cx très bas une garantie de performance en courbe.
Foto: © Car-Shooters