Skip to main content

Hoe de Porsche 911/912 aan zijn stroomlijn komt

Hakse Straatsma

De eerste auto’s die Porsche na de tweede wereldoorlog op basis van de Volkswagen kever bouwt zijn licht, hebben een relatief bescheiden motorvermogen maar een stromingsgunstige carrosserie met weinig luchtweerstand waardoor toch een hoge topsnelheid mogelijk is bij een bescheiden benzineverbruik. Het  ontwerpteam van Porsche heeft in de jaren daarvoor veel theoretische kennis en praktische ervaring opgedaan op het gebied van aerodynamica; de wetenschap met betrekking tot de stroming van gassen. Dit komt van pas bij het ontwerpen van carrosserieën voor zowel de personen- als raceauto’s. In het begin ligt de nadruk op een lage stromingsweerstand maar bij hogere snelheden treden dan gemakkelijk liftkrachten op die ongunstig zijn voor de stabiliteit en wegligging. Er moet gezocht worden naar aerodynamische hulpmiddelen om dit tegen te werken. Tot 1985 heeft Porsche niet de beschikking over een eigen windtunnel en moet er gebruik gemaakt worden van onder andere de windtunnel van het Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren in Stuttgart (FKFS). De stroming van lucht rond auto’s en de effecten op de stromingsweerstand en de drukverdeling rond een carrosserie is een uitermate gecompliceerd proces dat moeilijk rekenkundig te bepalen is. Pas met de komst van snelle computers is het mogelijk de stromingsprofielen in 3D vorm te berekenen, maar ook dan zijn daarnaast nog steeds uitgebreide windtunnelmetingen nodig. In de periode waarin de Porsche 356 en 911 ontstaan, staat dit nog in de kinderschoenen en wordt de vormgeving bepaald door de beschikbare theoretische kennis maar vooral door praktische ervaring.

Voorgeschiedenis

Aerodynamica als wetenschap ontwikkelt zich van af het eind van de 19de eeuw met de eerste pogingen de mens te laten vliegen. In die jaren wordt de wiskundige grondslag voor aerodynamica geleverd, bijvoorbeeld voor de theoretische bepaling van de lift bij vleugelprofielen.  Door het experimentele werk van onder andere Lillienthal (zweefvliegtuigen) en de gebroeders Wright (eerste bemande vlucht in 1903) ontwikkelt zich de praktische kennis en ervaring. Afgezien van de Belg Camille Jenatzy die als eerste  in 1899 met een elektrisch aangedreven sigaarvormig voertuig de 100 km/h haalt en de Alfa Romeo "Ricotti" die in 1914 voor Graaf Ricotti wordt gebouwd, duurt het tot na de eerste wereldoorlog voordat de eerste naar aerodynamische principes gebouwde auto’s ontwikkeld worden. Een van de eerste is de Duitser Edwin Rumpler, die begin 1900 in de automobielbouw met Hans Ledwinka (een goede bekende van Porsche) samenwerkt aan de ontwikkeling van de eerste Tatra, en daarna bij Daimler en Adler. In 1910 begint hij de eerste Duitse vliegtuigfabriek. Na de eerste wereld oorlog mogen de Duitsers geen vliegtuigen meer bouwen en gaat Rumpler zich weer met auto’s bezighouden en gaat hij de verkregen aerodynamische kennis hierop toepassen. Hij is de eerste die windtunneltests uitvoert, en wel op schaalmodellen van de door hem ontworpen “Tropfenwagen”. Het blijkt dat de Cd waarde van 0,28 van dit model slecht een derde bedraagt van die van andere auto’s uit die tijd. De vorm van de “Tropfenwagen” is gebaseerd op de vorm van een vallende waterdruppel. De auto heeft onafhankelijke wielophanging met pendelassen (een patent van Rumpler) voor de achterwielen en een in het midden geplaatste motor. Commercieel is de auto geen succes; in totaal zijn er ca. 100 gebouwd waarvan er nu nog twee over zijn.  Op basis van het patent van Rumpler bouwt Mercedes in 1923 een racewagen; het type RH “Tropfenwagen” dat zijn tijd ver vooruit is met een in het midden geplaatste motor, een gecombineerde versnellingsbak en differentieel en pendelassen achter. Deze Benz auto is nog meer aerodynamische gevormd dan de Rumpler en lijkt nog meer op een waterdruppel dan zijn voorbeeld.

 

   

Rumpler “Tropfenwagen” in de windtunnel van VW                                                                       Benz type RH “Tropfenwagen”

Aanjager van dit project is Willy Wabe, een Mercedes dealer uit Berlijn, die 10 jaar later de eerste teamchef van de renstal van Auto Union is met door Porsche geconstrueerde auto’s. Met onder meer Adolf Rozenberg (later een van de geldschieters bij de oprichting van Porsche's constructiebureau) aan het stuur heeft deze auto enig succes in autoraces. Ferdinand Porsche, dan werkzaam bij Daimler, moet na de fusie in 1926 van Daimler met Benz deze auto zeker zijn tegengekomen.

In de twintiger jaren van de vorige eeuw houden de autofabrikanten zich voor de alledaagse auto's niet bezig met aerodynamische ontwerpen. Allen bij raceauto’s is dit een onderwerp. Qua vormgeving zijn de personenauto’s in die tijd vierkante blokken met een Cd waarde van meer dan 0,6 en een groot frontaal oppervlak. Naast Rumpler houden een aantal ontwerpers zich toch bezig met het onderzoek en het ontwerpen van aerodynamische modellen. Vooral de in Wenen geboren Paul Jaray die tussen 1912 en 1923 als chef-constructeur werkzaam is bij de Zeppelin fabrieken in Friedrichshaven en daar onderzoek doet naar de stromingsaspecten van Zeppelins. Vanaf 1919 kan hij daar ook windtunnelproeven uitvoeren. Daarnaast doet hij met Wolfgang Klemperer  onderzoek naar de luchtstroming rond autovormen. Dit resulteert in een patentaanvraag in 1922 voor een stromingsgunstige carrosserie waarbij koplampen, spatborden en wielen geïntegreerd zijn in een carrosserie met een vlakke onderzijde. De eerste auto met een Jaray carrosserie met een Cd waarde van 0,245, de Ley T6, bewijst in de praktijk de voordelen met een ruim 40% lager brandstofverbruik en een hogere topsnelheid.  Er worden nog enige auto’s gebouwd met de Jaray carrosserievorm maar door de toestand van de wegen in die tijd is hoge snelheid en een laag benzineverbruik voor gewone personenauto’s nog geen thema.

  

Patent aanvraag Jaray 1922                                                                                                      Prototypes van Jaray 1923 Berlij

Porsche

Ferdinand Porsche vestigt in 1931 zijn constructiebureau in Stuttgart. In hetzelfde jaar haalt hij een oude bekende naar Stuttgart, Josef Mickl, waarmee hij bij Austro-Daimler heeft samengewerkt bij de ontwikkeling van de Sascha raceauto. Mickl neemt bovendien jarenlange ervaring mee als vliegtuigconstructeur en aerodynamica specialist. Hij heeft bij Porsche onder meer gewerkt aan de Auto-Union racewagens, de vormgeving van de Volkswagen kever en de T80 Mercedes record wagen.

De Auto Union wagens

De Auto-Union GP racewagens worden ontworpen met een zo laag mogelijke Cd waarde en frontaal oppervlak met het doel een zo hoog mogelijke topsnelheid te realiseren. Zowel qua constructie (motor in het midden en pendelassen) als de aerodynamische vorm is de Benz “Tropfenwagen” het voorbeeld voor deze raceauto’s. Om de luchtweerstand nog verder te verminderen, worden er een aantal auto’s gebouwd waarbij ook de wielen binnen de carrosserie vallen. De carrosserie van de Auto Union recordauto waarmee Rosemeyer eind januari 1938 een poging waagt het snelheidsrecord te breken, is op minimale luchtweerstand ontwikkeld en gebouwd. Van deze auto, gebouwd op basis van de door Porsche ontworpen GP wagen, is de carrosserie gewijzigd door Eberan von Eberhorst van Auto Union nadat het contract met Porsche eind 1937 is afgelopen. Uitgebreide tests worden uitgevoerd in het windkanaal van de firma Zeppelin in Friedrichshafen. Deze auto is een van de eerste auto’s waarbij een groundeffect wordt gerealiseerd door het aan brengen van schorten aan de zijkant. Rosemeyer raakt van de weg bij de recordpoging en komt om het leven. De oorzaak van het ongeluk is waarschijnlijk dat bij hoge snelheid de auto de auto zeer gevoelig wordt voor zijwind en bij een snelheid boven de 400km/h is een autobaan aan de smalle kant.

  

Auto Union “Streamliner”   1937                                                                                                 Auto Union record auto Rosemeyer 1938

Bij het ontwerp van Porsche van de T80 – een auto voor Mercedes met het doel het wereldsnelheidsrecord te breken – wordt dan ook nagedacht om de liftkrachten te verminderen door het aanbrengen van omgekeerde vleugels aan de zijkant. Ook aan andere oplossingen wordt gedacht zoals blijkt uit een patent van Mickl uit 1937. Deze laat een van de eerste ontwerpen met een verstelbare vleugel zien die ook als luchtrem gebruikt kan worden.

 

  

Daimler Benz Typ 80                                                                                                                 Patent aanvraag

De Volkswagen

Bij de ontwikkeling van de vorm van de carrosserie van de kever zijn  de Porsche constructeurs duidelijk uitgegaan van de Jaray vorm. De vraag in hoeverre voorbeelden van Tatra zoals de Tatra 97 en de V570 direct model hebben gestaan zowel qua lay-out als de vorm of dat het min of meer parallelle ontwikkelingen zijn geweest, is nooit opgelost. Wel heeft VW in 1961  aan Tatra nog 3 miljoen DM moeten betalen vanwege schendingen van de patenten die betrekking hebben op motor en vormgeving van de T97. De vorm van de kever wordt wel aangeduid als een “pseudo Jaray” vorm. De achterzijde van de kever loopt naar achter wel vloeiend af (“fast back”) maar onder een te grote hoek om een lage Cd waarde te realiseren. De Cd waarde is dan ook niet spectaculair laag: ca. 0,5. De prototypes van de kever zijn getest in de windtunnel. Om na te gaan hoe de stroming rond de carrosserie verloopt, zijn op de carrosserie draadjes wol geplakt.

 

  

1933 Tatra V570, replica, Technické Muzeum Tatra in Kopřivnice                                                    Prototype kever in de windtunnel

De eerste Porsche

De eerste echte stroomlijn variant op basis is de kever is de in 1939 door Komenda ontworpen Porsche Type 64 voor de race Berlijn-Rome die echter door het uitbreken van de tweede wereldoorlog nooit gehouden is. Deze auto wordt als de eerste Porsche beschouwd. In deze gestroomlijnde auto zit de bestuurder in het midden met de passagiersstoel schuin erachter zodat de opbouw smal gehouden kan worden en dus een klein frontale oppervlak oplevert. Deze auto met een aluminium carrosserie en een Cd waarde van 0,35 haalt met een 1.1 liter motor met een vermogen van 50 pk ruim 160 km/h. De carrosserievorm is ontleend aan het ontwerp van een sportauto (Type 114 met een watergekoelde 1500cc V10 motor) waarvoor de vorm in een windtunnel is getest. Een van de drie Type 64 gebouwde auto’s is door Ferdinand Porsche tijdens de oorlog gebruikt en na de oorlog door Ferry Porsche. In 1949 is de auto verkocht aan Otto Mathé die de auto nog een aantal  jaren gebruikt, onder meer voor het rijden van rally’s.

Porsche Typ 64

Porsche 356

Na de oorlog begint het Porsche team in het Oostenrijkse Gmünd met de ontwikkeling van de eerste Porsche 356. Op basis van hun ervaringen met het ontwerpen van raceauto’s, personenauto’s en de recordauto’s ontwerpen Komenda , Mickl en Ferry Porsche de uiteindelijke vorm van de eerste 356 zonder dat er een windtunnel aan te pas komt. Om de vorm te testen worden draadjes wol op de carrosserie geplakt. Op grond van de foto’s van de rijdende auto blijkt dat de draadjes rustig op het oppervlak blijven liggen, geen wervels. Uit latere metingen blijkt dat de Cd waarde 0,29 bedraagt. In verhouding met andere auto’s uit die tijd is dit een zeer lage waarde. De vorm van de 356 blijft tot het eind van de productie ongeveer gelijk.

Porsche 356A in de windtunnel

De  Porsche 911/ 912

Het ontwerp van de 911 is tot stand gekomen zonder dat er windtunneltest zijn uitgevoerd. Het ontwerpteam tekent de 911 op basis van de ervaringen met vorige ontwerpen en met in het achterhoofd een vorm met een lage luchtweerstand en een klein frontaal oppervlak. Bovendien een vorm die lijkt op die van de 356. Deze wijze van het ontwerpen van een carrosserie is in die tijd gebruikelijk bij Porsche. Ook bij het ontwerp van de 904 is geen windtunnel gebruikt met als resultaat een lage Cd waarde van 0,33. Pas begin 1964, ongeveer 5 maanden voor het starten van de serieproductie, zijn de prototypes nr. 2 en 7 van de 911 in het windkanaal van het FKFS in Stuttgart voor het eerst getest. Het resultaat stelt tevreden: een laminaire stroming tot aan de achterzijde  en de Cd waarde die wat lager is als de laatste uitvoering van de 356C. Het was in ieder geval ook beter dan de resultaten dan die werden bereikt met een model van de T7, een voorganger in het ontwerpproces van de 911. Bij de T7 ontstaan door de knik in de achterzijde beduidend meer wervels.

Windtunneltest prototype 911 1964

Van het begin af blijken er problemen met de stabiliteit en zijwindgevoeligheid van de 911. Voor een deel is dit te wijten aan de wielophanging en de gewichtsverdeling en voor een ander deel aan de aerodynamica van de auto. In de loop van de jaren is de wielophanging aangepakt zoals de  verlenging van de wielbasis, verandering van de geometrie van de wielophanging en monteren van gewichten in de voorbumper die later worden vervangen door twee accu’s links en rechts zo ver mogelijk in de voorste wielkasten.

Een lage Cd waarde leidt tot een hogere topsnelheid en een lager brandstofverbruik. Echter bij hoge snelheid kan de luchtstroming over en onder de auto resulteren in een lagere druk boven de auto dan eronder, waardoor de auto als het ware iets wordt op getild. Dit lift effect treedt bij de eerste 911 zowel op bij het voorste deel als het achterste deel van de carrosserie. Bij metingen aan een 911S met een standaard carrosserie wordt aan de vooras bij een snelheid van 225km/h een opwaartse kracht van 83 kg gemeten en aan de achteras zelfs 116 kg. Het zal duidelijk zijn dat dit de stabiliteit bij hoge snelheden niet echt bevordert en tot “licht” sturen” en onderstuur bij hoge snelheid leidt.

In de loop van de jaren 60 van de vorige eeuw heeft men bij Porsche met de racewagens zoals de 906, 910 en 907 met deze problemen te maken gekregen, veel windtunneltests uitgevoerd en ruime ervaring opgedaan met voor- en achter spoilers, vleugeltjes en flappen en lange en korte achterkanten.

Bij windtunnelproeven met de 911 in 1970 blijkt dat een spoiler onder de voorzijde de opwaartse kracht goed weet te reduceren. Ook blijkt uit proeven dat een spoiler achterop de motorkap ook aan de achterzijde de liftkrachten vermindert. Beide spoilers hebben daarbij geen nadelige invloed op de Cd waarde; deze wordt zelfs nog wat verlaagd van 0,41 naar 0,40. Ook wordt door de achterspoiler de doorstroom van lucht door de roosters in de motorkap verbeterd met als resultaat dat de olietemperatuur wat lager blijft. Een toevallig bij-effect is dat door de gewijzigde luchtstroom over de achterzijde er meer lucht langs de achterlichten stroomt waardoor deze minder snel vervuilen.

Voor modeljaar 1972 wordt de voorspoiler standaard op de 911S en kan als extra worden besteld bij de T en E. De afmetingen van de spoiler zijn niet alleen in een windkanaal bepaald; er is ook rekening gehouden met de stoeprandhoogte in de verschillende landen. Men laat zelfs stoepranden uit Amerika invliegen om een veilige vrije hoogte onder de voorzijde te kunnen bepalen. Met modeljaar 1973 wordt de voorspoiler ook standaard bij de 911E. Met de voorspoiler wordt het onderstuurkarakter bij hoge snelheid tegengegaan. Met de komst van de 911 Carrera RS in 1973 met de “eendenstaart” maakt de achterspoiler zijn entree. In bijgaande tabel is het effect van de spoilers op de liftkrachten aangegeven.

Invloed van de spoilers op de liftkrachten bij Porsche 911

  

Voorspoiler Porsche 911 S                                                                                                       Porsche 911 Carrera RS in de windtunnel

Na 1973 gaat de aerodynamische ontwikkeling aan de 911 door; andere voorspoilers, bredere achterspoilers en veel detailwerk. Tezamen met verbeteringen aan de wielophanging leidt dit er toe dat de stabiliteit en wegligging zich in de loop van de jaren steeds verder verbeterd heeft.

Hakse Straatsma

 

Bronnen:

  1. Porsche 911 forever young, Aichele
  2. Porsche Raritäten, Aichele
  3. Die Wurtzeln einer Legende Porsche 901 , Lewandowski
  4. Porsche, Geschichte und Technik der renn- und Sportwagen, Ludvigsen
  5. Informatie van forum van early911register.org
  6. Informatie van forum Pelican Parts
  7. http://conceptcars.kinja.com/the-birth-of-the-peoples-car
  8. https://www.stuttcars.com/porsche-models

 

Cd waarden van verschillende Porsche modellen