Aerodynamica

Een rijdende vrachtwagen ondervindt luchtweerstand. De luchtweerstand, die de vrachtwagen afremt, is opgebouwd uit een drukweerstand en een wrijvingsweerstand. De drukweerstand ontstaat doordat er op bepaalde plaatsen overdruk of onderdruk heerst ten opzichte van de atmosferische omgevingsdruk. De aankomende stroming duwt tegen de voorkant van de trekker. Zo ontstaat er een gebied met overdruk, net zoals bij de wielen en de voorkant van de oplegger. Doordat de vrachtwagen zich verder beweegt in de stroming ontstaat er een onderdruk achter de trekker en de oplegger. Deze gebieden zuigen als het ware de vrachtauto naar achteren. Opvallend is dat de overdruk aan de voorkant evenveel bijdraagt in de weerstand als de onderdruk aan de achterkant; met en zonder zijwind is elke bijdrage circa 1/3 van de totale weerstand (figuur). Het resterende 1/3 deel van de totale weerstand wordt door de onderkant van de vrachtauto gecreëerd.

Pressure drag versus skin friction drag
De verhouding druk- en wrijvingsweerstand

De wrijvingsweerstand vindt zijn oorsprong in het contact van de stroming met de carrosserie. Door de viscositeit van lucht wordt een laag lucht om het voertuig, grenslaag genoemd, meegesleept en ontstaan er schuifkrachten. De som van alle schuifkrachten over het hele oppervlak resulteert in de wrijvingsweerstand; de zijkanten en bovenkant leveren de grootste bijdragen. Er dient te worden opgemerkt dat de wrijvingsweerstand stijgt naarmate de lengte van het voertuig toeneemt. Vereiste voor een lage wrijvingsweerstand is dat de oppervlakkenglad zijn.

Hoe de drukweerstand en de wrijvingsweerstand zich ten opzichte van elkaar verhouden voor verschillende transportvoertuigen is te zien in de figuur.

De luchtweerstand D kan men beschrijven met de volgende formule

D = ½ Cd rho V2 S

waarin CD de weerstandscoëfficiënt voorstelt,  de luchtdichtheid, V de snelheid en Shet frontaal oppervlak. De weerstand wordt dus bepaald door de aerodynamische vorm uitgedrukt in CD, de winddruk ½ρV2 en de grootte van het voertuig S.

Luchtdichtheid

De luchtdichtheid is afhankelijk van de temperatuur, de druk en de hoogte waar men zich bevindt. De luchtdichtheid op zeeniveau bij 0 ◦C bedraagt  = 1,293kg/m3.

Snelheid V

Uit bovenstaande formule blijkt dat de luchtweerstand D kwadratisch toeneemtmet de rijsnelheid V. Het is dus interessant om vrachtauto’s die rijden met hogere snelheden (boven de 50km/u) aan te passen. De meest efficiënte manier om brandstof te besparen is langzamer rijden.

Frontaal oppervlak S

Een ander aspect dat de luchtweerstand sterk bepaald is het frontaal oppervlak van de vrachtauto. Hoe groter het frontaal oppervlak, des te groter de weerstand. Als het mogelijk is, is het zeker aan te raden om een kleinere cabine en lagere oplegger of laadbak te gebruiken (als de lading dit toelaat), omdat dit rechtstreeks de luchtweerstand verlaagt.

Weerstandscoëfficiënt CD

De luchtweerstand van een voertuig wordt in belangrijke mate bepaald door de vorm. Om met één enkel getal de kwaliteit van de aërodynamische vorm van het voertuig uit te drukken, wordt gebruik gemaakt van een zogeheten weerstandscoëfficiënt CD. De figuur geeft een indicatie van de weerstandscoëfficiënt van verschillende voertuigen.

Drag coefficient for different vehicle types
Weerstandcoëfficiënt van verschillen voertuigcombinaties

Aangezien CD altijd betrokken is op het frontaal oppervlak S, is het product van CDS (het weerstandsoppervlak genoemd) maatgevend voor de weerstand en bijbehorend aandeel in het brandstofverbruik. Een voertuig met hoge CD en klein frontaal oppervlak S kan dus een lagere weerstand hebben dan een groot voertuig met een lage CD en omgekeerd. Om op een correcte manier de weerstand van twee voertuigen aërodynamisch te vergelijken moet dus naar het weerstandsoppervlak CDS van beide voertuigen worden gekeken.

De scherpe randen van de cabine zorgen voor een losgelaten wervelende stroming die niet gunstig is voor de weerstand. Afgeronde hoeken laten een netter stromingspatroon laat zien.

De tweede basisregel zegt dat de hoogten van de cabine en de oplegger gelijk moeten zijn. De relatie tussen weerstandscoëfficiënten, de hoogte van de cabine en oplegger is weergegeven in de figuur.

Drag coefficient as a result of trailer height
Weerstandcoëfficiënt in relatie met de hoogte van de oplegger

 

Er is een onderscheid gemaakt tussen een afgeronde (blauw) en een niet afgeronde (groen) dakrand van de cabine. Men ziet dat de cabine met een scherpe dakrand een lagere weerstandscoëfficiënt heeft bij een toenemende verhouding van de hoogte van (oplegger/cabine) tot een bepaald niveau. De scherpe dakrand veroorzaakt een losgelaten stroming die bij een hogere oplegger minder weerstand genereert. Terwijl bij een afgeronde dakrand de weerstandscoëfficiënt alleen maar groter wordt als de verhouding van de hoogte van (oplegger/cabine) toeneemt omdat de aanliggende stroming tegen de oplegger duwt en er een groter gebied ontstaat met overdruk. In veel situaties is een gelijke hoogte van cabine en oplegger niet mogelijk door de gewenste laadcapaciteit van de oplegger. Daarom wordt er een dakwindgeleider gemonteerd die ervoor zorgt dat de stroming aansluit op de maten van de oplegger. Deze dakwindgeleider moet dan natuurlijk wel op de juiste hoogte afgesteld worden.

De derde basisregel zegt dat de ruimte tussen de cabine en laadbak of oplegger zo klein mogelijk moet zijn. Zij-fenders kunnen gebruikt worden om de stroming over deze opening te geleiden in het geval van een trekker-oplegger combinatie. Met een zogenaamde kraag kan de opening bij een motorvoertuig dichtgemaakt worden om zo de stroming naar achteren te geleiden. Figuur 3.8 geeft de relatie weer tussen de opening en de hoogte van de oplegger; hoe groter de opening, des te groter is de weerstand.

Drag coefficient as a result of gap width
Weerstandcoëfficiënt in relatie tot de opening tussen cabine en oplegger

Tip: De basis voor een gestroomlijnde vrachtwagen zijn

  • afgeronde hoeken
  • gelijke hoogte van de cabine en laadbak
  • een zo klein mogelijke opening tussen trekker en oplegger

Een belangrijk aspect voor de stroming rond een vrachtauto is de zijwind. Het komt zelden voor dat de wind steeds op kop staat en daarom is het belangrijk om deze situatie te bekijken. Bij een situatie waar er zijwind optreedt zal aan de ene kant de stroming mooi aanliggen terwijl aan de andere kant van de cabine of oplegger een losgelaten stroming optreedt wat resulteert in een hogere weerstandscoëfficiënt en dus een hogere weerstand. Daarnaast verstoort de ruimte tussen de wielen en de onderkant van de vrachtauto de stroming bij zijwind.

Drag coefficient as a result of crosswind
Weerstandcoëfficiënt in relatie met zijwinden

Aerodynamische verbeteringen bij vrachtwagens leveren meer voordelen dan enkel een lagere weerstand en een lager brandstofverbruik. Samenhangend met het brandstofverbruik is er natuurlijk het effect van minder uitstoot, wat weer voordelen oplevert voor het milieu. Verder hebben sommige externe delen die op de trekker of oplegger gemonteerd kunnen worden andere voordelen, zoals:

  • het reduceren van opspattend water (d.w.z. het verbeteren van het zicht van medeweggebruikers)
  • het verminderen van vuilafzetting op de trekker en oplegger
  • een verminderde gevoeligheid voor zijwind, met als gevolg een betere bestuurbaarheid,stabiliteit en verminderde bandenslijtage en verbeterd rijcomfort
  • het verhogen van de veiligheid (extra kreukelzones, betere bescherming bij dode hoekongelukken)
  • verlagen van het geluidsniveau