McLaren W1: Grondeffect-vormgeving verandert de aerodynamica

Wie heeft nog een grote, hoge vleugel nodig als dit alternatief beschikbaar is?

Wanneer men de McLaren (McLaren) W1 vanuit een cijfermatig oogpunt bekijkt, lijkt het model geen bijzondere grenzen te verleggen in de hypercarwereld. De auto beschikt over een aanzienlijk motorvermogen (1258 pk) uit een geavanceerde hybride aandrijflijn, heeft een superlicht leeggewicht van 1399 kg en draagt het achtervoegsel “1” om aan te geven dat het de toonaangevende McLaren van deze tijd is. Toch zit het speciale karakter van deze hypercar grotendeels in wat men niet ziet, en dat alles bevindt zich in de magische wereld van de aerodynamica.

De W1 is een grondeffectauto. Niet in de zin dat hij een geringe hoeveelheid van zijn neerwaartse druk genereert via het mysterieuze grondeffect, maar dat de gehele auto rond dit aerodynamische concept is ontworpen. Dit is geen Formule 1-geïnspireerde techniek; het betreft feitelijke Formule 1-technologie. De auto werd ontwikkeld en vormgegeven door Robin Algoo, een man die voorheen als aerodynamist in de Formule 1 werkte voordat hij geavanceerd aerodynamisch architect werd voor de straatauto’s van McLaren.

„Ik zat daar naar een leeg plafond te staren en dacht: hoe verleggen we de grenzen van de automobiele aerodynamica?” liet Algoo weten. „We hebben een zeer grote vleugel op de Senna ontworpen. De vraag is nu: hoeveel groter kan die nog zijn? Het antwoord is: niet veel groter.”

McLaren en Algoo wisten dat de W1 de hypercarwereld vooruit moest helpen, net zoals eerdere hypercars dat deden. De impact van de F1 op de autogeschiedenis is blijvend, en de P1 veranderde de manier waarop we over hybride rijprestaties denken. Nu is de W1 er om onze denkwijze over de aerodynamica van straatauto’s te transformeren. Het concept van een grondeffect-strategie is uiteraard oud in racetermen – de Lotus 78 F1-wagen baande in 1977 de weg in de Formule 1, jaren na inspanningen van Chaparral en anderen die hun grondeffectauto’s bouwden – maar grondeffect laten werken als de primaire bron van neerwaartse druk in een straatauto is simpelweg nog niet eerder gedaan.

De centrale rol van de diffuser

„Ik begreep de aerodynamische grens die we hadden bereikt met zo’n groot vleugelconcept,” begon Algoo. „En voortbouwend op mijn ervaring in de Formule 1, waar we veel neerwaartse druk genereerden door gebruik te maken van de onderkant, diffuser, enzovoort, zag ik een duidelijke kans om het paradigma te veranderen. Van het genereren van neerwaartse druk met een hoge vleugel, zoals die op de P1 wordt gebruikt of vast is gemonteerd, naar veel meer gebruikmaken van de achterdiffuser dan voorheen.”

De diffuser en de uitschuifbare achtervleugel, die dient als verlengstuk van de diffuser, zijn inderdaad de pronkstukken. Algoo stelde dat de diffuser een totale lengte heeft van ongeveer 170,18 cm van voor naar achter, en dat deze alleen zo groot kan zijn doordat McLaren de motor ongeveer drie graden heeft gekanteld om ruimte te creëren. Bovendien dient de diffuser als een structurele belastingweg, die zich uitstrekt van de ene kant van de achterwielophanging naar de andere en zo de noodzaak van een metalen dwarsbalk onder de transaxle elimineert.

Afhankelijk van de lichaamslengte, zou men comfortabel op de diffuser kunnen slapen als deze uit de auto verwijderd zou worden. Zo enorm is deze. De meeste sportwagens en supercars hebben wel functionele diffusers, maar wat is er zo bijzonder aan deze? Zoals te verwachten bij een grondeffect-concept, is de diffuser wellicht zeer prominent aanwezig, maar het vergt een enorme inspanning overal in en onder de auto om deze daadwerkelijk effectief te maken.

„Mensen kijken vaak naar de diffuser en denken: ‘Oh, het is een grote diffuser’,” zei Algoo. „Hij moet hard werken. Maar dat is niet het geval. Niet noodzakelijkerwijs. Er is een vorm van geometrische diffusie, pure geometrische diffusie, wat de omvang ervan is, maar dan is er ook nog de effectieve aerodynamische diffusie.”

Wat Algoo hiermee bedoelt, is hoe effectief de diffuser daadwerkelijk is in het genereren van neerwaartse druk. In de meeste auto’s zijn diffusers vrij efficiënt in het produceren van neerwaartse druk in het midden, maar niet aan de zijkanten. De oorzaak hiervan kan grotendeels worden toegeschreven aan de voorbanden die “turbulentie van de banden” creëren, waardoor de lucht onder de auto wordt gevangen en er niets nuttigs mee gebeurt. Dit probleem wordt meestal genegeerd bij de meeste productievoertuigen, en daarom gebruiken we in plaats daarvan gigantische vleugels op de achterklep om neerwaartse druk te produceren. Het is simpelweg gemakkelijker. Algoo is geen groot voorstander van gigantische achtervleugels, omdat deze gepaard gaan met luchtweerstand en veel minder efficiënt zijn dan een grondeffect-concept. Hoewel men neerwaartse druk produceert, creëert men tegelijkertijd een onderdruk tussen de achterklep en de vleugel, wat effectief lift veroorzaakt.

„En ik weet zeker dat het produceren van neerwaartse druk bovenop de achterklep niet de meest efficiënte manier is, maar wel de meest legale,” grapte Algoo. „Het maakt het homologeren van de auto een stuk eenvoudiger. Maar bij deze auto wilden we veel ambitieuzer zijn.”

Oplossingen voor luchtstroombeheer

Dus gingen Algoo en zijn team aan de slag om het probleem van het elimineren van de turbulentie van de voorbanden op te lossen. Dit, plus het creëren van een onderdruk onder de auto, zijn de twee belangrijkste elementen die een oplossing vereisten om een grondeffect-productieauto te laten functioneren. Het begint met de volledig op maat gemaakte Aerocell-monocoque.

Geen enkele bestaande koolstofvezel monocoque van McLaren zou werken met een grondeffect-concept, dus begon het team van vooraf aan. De voetenruimte is ongeveer 10,16 cm hoger, en de ‘taille’ (de opening tussen de voorbanden en de kuip) is ongeveer 15,24 cm smaller dan McLaren’s typische Monocage-vormgeving. Dit vereiste dat de bestuurder vast op zijn plaats zit, waarna de pedalen en het stuurwiel zeer verstelbaar zijn gemaakt. Dit verplaatst de monocoque uit de weg om een zuivere luchtstroom naar de achterkant van het voertuig te garanderen, wat helpt bij het creëren van de onderdruk die Algoo onder de auto wenst.

Vooraan de auto bevindt zich een opvallend ogende actieve vleugel, samen met een Formule 1-achtige T-tray en kiel, die samenwerken om de luchtwervelingen van de voorbanden te verminderen. Algoo stelt dat de hier bedachte oplossing een primeur is in de autowereld.

„Ik denk dat de actieve aerodynamica aan de voorkant… dit is waar het erg technisch diepgaand wordt,” begon Algoo. „Het heet anti-elliptische belasting. Als je echter kijkt naar vliegtuigvleugels, zijn die op een bepaalde manier belast. Stel je voor dat de romp niet bestaat en je de twee vleugels met elkaar verbindt. Als je dan kijkt naar de zuigkracht die het produceert, zou deze maximaal zijn in het midden. Dat wordt een elliptische belasting genoemd. Om alle turbulentie van de voorbanden te beheersen, moet je eigenlijk het tegenovergestelde doen: iets creëren dat anti-elliptisch heet, waarbij je de vleugeltip veel meer belast dan het midden.”

De ophanging zelf werd ontworpen met de intentie om de luchtstroom langs het wiel en naar achteren te optimaliseren. McLaren koos bewust voor een inwendige ophangingsvormgeving, niet alleen om racewagen-gerelateerde redenen, maar ook omdat dit de schokdemper buiten de typische verticale ruimte in de wielkast verplaatst, wat helpt om de wielomgeving aerodynamisch schoner te maken. De ophangingsarmen zelf zijn 3D-geprint uit aluminium en gevormd met een aerodynamisch gunstig vleugelprofiel. Zelfs de ophangingsdelen zijn gladgemaakt en gevormd om de lucht zo ononderbroken mogelijk te laten passeren. Voorbij de ophanging valt op dat de vloer grotendeels vlak is, afgezien van enkele Venturi-tunnels die in de voorrand van de deur zijn gevormd en terugleiden naar de diffuser. Nee, de W1 vertrouwt niet op het F1-achtige Venturi-grondeffect om zijn functie te vervullen, maar er is wel degelijk sprake van gerichte vormgeving in de vloer om dit concept tot leven te brengen.

Een andere term die men wellicht kent uit de Formule 1: bargeboard. De W1 heeft een effectief bargeboard dat in de deur is geïntegreerd. Dit leidt de luchtstroom die van de achterkant van de band komt, weg van de auto. Omdat McLaren op dit gebied zo perfectionistisch was, ontwierp het zelfs unieke deuren die vanaf het dak scharnieren om een zuivere luchtstroom tussen de onderkant van de A-stijl en het wiel te garanderen. Ook op het dak bevindt zich de „luchtstroomomleider”, die de luchtstroom over de bovenkant van de auto optimaliseert en de lucht stuurt waar deze heen moet: naar de verstelbare achtervleugel.

Actieve aerodynamica en stabiliteit

Al deze nauwgezette inspanningen zijn gericht op het sturen van lucht naar die diffuser en achtervleugel. De „Active Long Tail” (zoals McLaren het noemt) is duidelijk anders dan elke andere vleugel die het bedrijf eerder heeft gebruikt. Laat de lage hoogte echter niet misleiden, want in de Race-modus weet de W1 meer neerwaartse druk te genereren – 1000 kg „in snelle bochten” – dan de Senna. De enige kanttekening hierbij is dat de Race-modus geografisch beperkt is tot niet-openbare wegen, en de rijhoogte zakt dan vrijwel tot op de grond (voor 37,08 mm en achter 17,78 mm lager) om de grondeffect-capaciteiten optimaal te benutten.

Vier motoren regelen de bewegingsvrijheid van de achtervleugel. Deze is volledig ingeklapt in de Road-modus, maar zwenkt uit en achter de auto wanneer de Race-modus wordt ingeschakeld, waardoor hij functioneert als een verlengstuk van de diffuser. Algoo gaf aan dat deze iets minder dan 30 cm uitschuift. Er is zelfs een tussenliggende modus ontworpen voor rijden op de openbare weg die de vleugel slechts ongeveer 10,16 cm uitschuift.

„Aerodynamisch gedraagt het zich dus als een diffuserklep,” verklaarde Algoo nuchter. „En zodra we in die Race-moduspositie zijn, hebben we een hoekbereik van 30 graden.”

Algoo vergeleek de gedachtegang achter de hoekverstelling van de vleugel met het bereiken van maximale stabiliteit, waarbij hij de onvoorspelbaarheid van de huidige Formule 1-vleugels noemde als iets wat McLaren wilde vermijden.

„We hebben dus een bereik van 30 graden op de vleugel, en op geen enkel punt in dat bereik plaatsen we de vleugel in een ander stroomregime,” zei Algoo. „Hij blijft dus altijd aanliggen. Het enige wat we doen is ontlasten en dan weer belasten. Het is dus zeer voorspelbaar en stabiel.”

Met andere woorden, ja, er is een soort DRS-modus waarbij de vleugel de maximale snelheid prioriteert, en een luchtremconfiguratie die de stabiliteit tijdens het remmen bevordert, maar de mate van beweging verandert nooit de balans van de auto.

„Zoals u weet, is de stabiliteit die u waarneemt, meer gekoppeld aan de aerodynamische balans, dus hoeveel neerwaartse druk u heeft op de vooras versus hoeveel op de achteras,” zei Algoo. „Een beetje zoals u het zwaartepunt en de massa rond de auto voelt. In plaats van de volledige neerwaartse druk te ervaren. U kunt neerwaartse druk niet echt kwantificeren. Wat u meer voelt, is de verandering in neerwaartse druk, dus de verandering in aerodynamische balans. We hebben deze auto ontworpen om een vlakker gedrag te vertonen wat betreft de aerodynamische balans. Of we nu remmen of bochten nemen, de aerodynamische balans zal nauwelijks verschuiven.”

Heeft McLaren opnieuw een wetenschappelijk experiment op wielen gecreëerd in de vorm van een hypercar? Men zou kunnen stellen van wel. Maar voor iedereen die plezier vindt in het doorgronden van details, is de W1 een duidelijk voorbeeld van ingenieurs, vormgevers en aerodynamisten die zich toeleggen op één enkel doel. Ik geef toe dat de W1 aanvankelijk niet als een keerpunt aanvoelde toen hij werd onthuld, maar ik ben nu volledig overtuigd van het grondeffect-concept.