De windtunnel van Moto Guzzi

Moto Guzzi is honderd geworden en de iconische windtunnel voor motorfietsen in Mandello del Lario bestaat ook alweer bijna zeventig jaar. Aerodynamicus en Moto Guzzi-liefhebber Iain Gordon neemt je mee terug in de tijd, duikt in de techniek van de hedendaagse windtunnel en blikt vooruit op de toekomst van aerodynamica.

Gevoed door mijn eigen passie voor Moto Guzzi en mijn werk als aerodynamicus, neem ik je mee naar dat decennia oude gebouw: de windtunnel van Moto Guzzi. Het verhaal begint bij Carlo Guzzi; een man die dingen anders zag. Motorfietsen werden na de tweede wereldoorlog almaar sneller en veel fabrikanten probeerden meer en meer vermogen uit hun blokken los te peuteren om toch net weer dat beetje sneller te kunnen. Carlo Guzzi had aandacht voor meer. Hij zag zeker heil in meer vermogen, maar hoe je vermogen optimaal kon benutten, had veel meer zijn interesse. En daar gebruikte hij aerodynamica voor.

De eerste tekeningen voor de windtunnel van Moto Guzzi stonden in 1950 op papier. Samen met zijn broer Giuseppe bouwde Carlo’s werelds eerste windtunnel voor motorfietsen. In 1954 zat het werk erop en werd de windtunnel in gebruik genomen. Naco, zoals Giuseppe Guzzi genoemd werd, was trouwens niet alleen de handige broer van. De afgestudeerd bouwkundige ontwierp veel van de fabrieksgebouwen en zelfs de eigen waterkrachtcentrale werd door hem ontworpen.

Het nut van aerodynamica

Wat is aerodynamica? In het kort: een motorblok stuwt een motorfiets voort, maar de weerstand van de lucht probeert de motorfiets tegen te houden. Luchtweerstand zorgt voor veel problemen. Turbulentie, lagere topsnelheid, instabiliteit, windruis zijn er een paar. Zeker is dat weerstand desastreus is voor het verbruik. Met dat in gedachten is het niet vreemd dat het ontdekken van de mogelijkheden van aerodynamica meer en meer in zwang raakte. Al heel snel ontdekten wetenschappers dat het effect van aerodynamica niet alleen gunstig was voor racers, maar ook voor straatmotoren.

Stel je voor dat je in real-time de aerodynamische prestaties van een motorfiets moet meten. Dan jaag je een testmotor vol peperdure meetapparatuur achter de te testen motorfiets aan over een circuit. Dat gaat geheid fout. Een windtunnel heeft als voordeel dat-ie het dynamische statisch maakt. Een motorfiets of een schaalmodel ervan staat in een windtunnel waarin een grote ventilator er lucht langs blaast om de effecten van rijsnelheden na te bootsen. Windtunnels heb je overigens in twee varianten: de Göttingen- en de Eiffel-variant. Afhankelijk van wat je er mee wilt, wordt een windtunnel gebouwd om schaalmodellen of objecten op ware grootte te testen. In de architectuur testen ze vooral modellen met een schaal van 400:1, terwijl de Formule 1 modellen op 60 procent van de ware grootte gebruikt. Voor productieauto’s en motorfietsen kiest de fabrikant doorgaans voor testen op ware grootte.

Göttingen of Eiffel?

De Göttingen-windtunnel trekt lucht door een rondlopende tunnel of buis. Omdat de luchtstroom in een gesloten circuit beweegt, is er minimale mechanische input nodig om zelfs supersonische luchtsnelheden te halen. Praktisch voor wanneer je straaljagers test. De Göttingen-windtunnel heeft een bijkomend voordeel dat de luchtsamenstelling beter te controleren is. Om eventuele ongewilde turbulentie en resonantie te neutraliseren, wordt een Göttingen-tunnel in de bochten uitgerust met windvanen en speciaal gaas. Dergelijke ingrepen zorgen voor een constante en rustige luchtstroom, maar genereren bij hoge luchtsnelheden ook warmte. Om te zorgen dat warmte de test niet kan beïnvloeden, is weer airconditioning nodig. De Göttingen-variant is de meest nauwkeurige van de twee soorten windtunnels, maar ook het kostbaarst.

De Eiffel-windtunnel zuigt lucht aan één kant naar binnen en blaast het aan de andere kant weer uit. De naar binnen gezogen lucht is onderhevig aan atmosferische invloeden en de maximale windsnelheid wordt beperkt door het vermogen van de ventilatormotor. Qua opbouw zijn ze over het algemeen lang en smal, wat in de praktijk vierkante meters scheelt. Alleen daarom al zijn ze relatief gezien goedkoper te bouwen en te gebruiken. Ze hebben wel het nadeel dat je de veranderende atmosferische invloeden wiskundig moet corrigeren voor je ook maar enigszins bruikbare data kunt produceren. De windtunnel van Moto Guzzi is een Eiffel-windtunnel, die exclusief werd ontworpen voor het testen van motorfietsen.

Techniek: De voertuigdynamiek van een motorfiets

Scala Convenzionale

In de Moto Guzzi-windtunnel werd de motorfiets vastgesjord op een balancerend frame dat in de lengterichting kon bewegen. Waar motorfiets en rijder – het testobject – stonden, is de tunnel 2,6 m hoog en afgeschermd met een honingraat-scherm. Dat zorgt voor een constante en onverstoorde luchtstroom over het testobject. De totale lengte van de tunnel bedraagt 28,5 meter en de aanzuigventilator werd aangereden door een FIAT V12-vliegtuigmotorblok met 900 pk. Desondanks bereikte je in de windtunnel ‘maar’ een maximale windsnelheid van 225 km/u. Een 310 pk sterke elektromotor die later werd geïnstalleerd, bereikte vergelijkbare windsnelheden. Door de variabele snelheid van de elektromotor en ventilatorwieken waarvan je de spoed kon aanpassen, werd de windtunnel efficiënter, beter te controleren, maar vooral een stuk stiller.

In de windtunnel duwt de lucht tegen het testobject en het balancerend frame. Het frame schommelt als het ware onder het testobject naar voren en naar achteren. De mate van beweging wordt weergegeven op een lichtgevend bord met een grote teller. Door deze Scala Convenzionale in de gaten te houden, kan de rijder precies zien hoeveel invloed zijn zithouding heeft op de luchtweerstand.

De windsnelheid wordt gemeten met zogeheten pitotbuizen, die zich in de wand van de tunnel bevonden. Een pitotbuis is een L-vormig buisje met een klein gaatje in het naar vorengerichte uiteinde. Het meet de luchtdruk om zo schommelingen in barometrische druk te kunnen corrigeren. De verzamelde info werd samen met onder meer de temperatuur en tijd verzameld in de controlekamer, waar een technicus alles in de gaten houdt.

Moto Guzzi gebruikte haar windtunnel in de beginjaren vooral om racemotoren te testen. Naar verluidt was Fergus Anderson de eerste rijder die plaatsnam in de windtunnel. Later werden zowel straatmotoren en racers – de Guzzi V8 met de alle omsluitende badkuip! – in de windtunnel ontwikkeld, geproduceerd en verfijnd. Tot diep in de jaren tachtig slingerde Moto Guzzi de windtunnel met regelmaat aan. In Mandello liepen ze zelfs behoorlijk te koop met het verfijnde aerodynamisch profiel van de Le Mans-serie. Vanaf de jaren 90 wordt het aerodynamisch testwerk uitbesteed, zoals de meesten fabrikanten doen.

Windtunnel anno nu

Moderne windtunnels zijn een veelvoud complexer dan de inmiddels klassieke windtunnel van Moto Guzzi. Ze zijn er ook niet bepaald goedkoper op geworden en daarom wordt meestal voor de dure Göttingen-variant gekozen. Die is beter te controleren en is efficiënter. Tel erbij op dat deze windtunnel met de hedendaagse techniek veel stiller is, minder trilling en turbulentie geeft. Door de beter te controleren luchtstroom produceert een Göttingen-windtunnel ook veel constanter resultaten dan de Eiffel-type windtunnel van Moto Guzzi.

In een moderne windtunnel worden de krachten over maar liefst zes assen gemeten in plaats van alleen in de lengterichting. Zo toont een moderne windtunnel de luchtweerstand vanuit alle hoeken. Het frame kun je onder een hoek van maximaal 60 graden in de windtunnel zetten om de effecten onder hellingshoek te testen. Door het frame vervolgens iets achterover of juist voorover te kantelen kun je zien hoe de aerodynamica is onder accelereren en remmen. De balans tussen die variabelen helpt het aerodynamisch middelpunt te bepalen. Dat middelpunt is essentieel om voor zo veel mogelijk stabiliteit te zorgen in zo veel mogelijk situaties. Onderschat ook het effect van de banden niet. De banden en de wielen kunnen meedraaien dankzij een rollenbank. Remschijven, wielen, de banden en zelfs bandenprofiel hebben allemaal op de aerodynamica. Daarom is zelfs de hoek verstelbaar waaronder de rollenbank tegen het wiel drukt. Het helpt bijvoorbeeld het effect van zijwind te simuleren, die de motor onderuit wil duwen. Iets waar ze bij Moto Guzzi met die badkuip-kuip alles van wisten…

Marketingdoeleinden

In de jaren 50 was het onmogelijk om iemand dag in dag uit in exact dezelfde zithouding te laten zitten. Dat is nu een stuk eenvoudiger met een model – de rijder – uit de 3D-printer, die vervolgens wordt volgehangen met allerhande sensoren. Verschillende zithouding helpen mee met het simuleren van het bochtenwerk of het model zit juist weggedoken achter de kuip, jagend naar topsnelheid. Ook nieuwe onderdelen als vleugels en spoilers worden in een oogwenk ontworpen, 3D-geprint en aan de motor bevestigd. Eerst laat je een computertekening van een onderdeel door een fluid dynamics-programma berekenen om te bepalen hoe het zich aerodynamisch houdt. Want als het digitaal al niet werkt, kun je de 3D-printer ook nog even ongemoeid laten en het ontwerp verder verfijnen. Zo kun je met enige zekerheid zeggen dat een onderdeel aerodynamisch iets toevoegt nog voor je het fysiek produceert en test.

Tijdens het testen tekenen honderden kleine druksensoren verdeelt over het oppervlak van zowel de motor als de rijder real time het beeld van de aerodynamische effecten. Dat beeld is enorm nauwkeurig, omdat elke sensor duizend keer per seconde allerlei factoren als wervelingen, pieken of dalingen van de temperatuur of de luchtdruk meet. Het zorgt ervoor dat je zinnige conclusies kunt trekken als je bijvoorbeeld een nieuwe vleugel probeert. Naast alle data van al die sensoren gebruiken ze in de aerodynamica ook Laser Doppler Anemometry (LDV) of Particle Image Velocimetry (PIV). Beide technieken werken op basis van laserlicht dat als het ware de lucht in de windtunnel in plakjes snijdt, waarna die ‘plakjes’ lucht worden geanalyseerd.

Maar wat is er met die iconische rooksporen gebeurd om de luchtstromen te laten zien? Die worden nog steeds gebruikt, maar vooral voor marketingdoeleinden. Moderne windtunnels leveren vele honderden keren per seconden enorme hoeveelheden digitale data. Die data is niet alleen heel nauwkeurig maar vooral ook heel constant. Goed en gedegen onderzoek eist herhaalbaar en aan die iconische rooksporen is eigenlijk maar één ding echt constant: het wauw-effect.

Actieve aerodynamica

Bij auto’s wodt steeds vaker actieve aerodynamica gebruikt. Enerzijds heb je aerodynamische onderdelen die met kleine motortjes kunnen bewegen om meer downforce – grip – of juist minder– topsnelheid – te creëren. Anderzijds helpt actieve aerodynamica ook mee met de koeling. Hoe hoger de stroomsnelheid van de lucht, hoe efficiënter warmte wordt afgevoerd. Zowel het motorblok als de remmen zijn hier bij gebaat. Alleen zorgen radiateurs en koelers weer voor serieuze weerstand. Door met actieve aero luchtkanalen en -geleiders aan te passen zodat koelers precies de lucht krijgen die nodig is, bereik je de ideale compromis omdat je kleinere koelers kunt gebruiken. Behalve motorisch gestuurde actieve aero heb je ook zogeheten aero-elastische materialen. Die worden zo ontworpen dat ze onder een bepaalde luchtdruk – snelheid – vanzelf buigen tot een efficiënter profiel en weer terug. Met het oog op steeds strengere emissie-eisen gaan deze ontwikkelingen een vogelvlucht nemen.

Ook met elektrische motorfiets valt nog een slag te slaan. Elektrische onderdelen houden niet van extreme temperaturen. Het is cruciaal dat je de accu’s en de elektromotor van de elektrische motorfiets op een optimale temperatuur houdt. Aerodynamica helpt daarmee, maar ook door bijvoorbeeld de luchtweerstand terug te brengen. Met een aerodynamisch profiel van een motorfiets dat de luchtweerstand met tien procent vermindert, vergroot je de actieradius met ongeveer vijf procent.

Glansrol

De windtunnel en aerodynamica spelen de komende jaren een glansrol in de ontwikkeling van motorfietsen. De winst die te behalen valt met een lagere luchtweerstand is immens. Het levert minder lawaai, een lager verbruik en minder uitstoot op. Toch valt met aerodynamica ook uit comfortoogpunt nog veel te winnen. Door windturbulentie en overmatig rijwindlawaai aan te pakken, raakt de rijder minder snel vermoeid, wat de veiligheid positief beïnvloedt. Ironisch genoeg zorgt de huidige trend van motor-aerodynamica juist voor meer en niet minder weerstand. De vleugels en spoilers die hun intrede in de motorwereld maken, zetten zich met hun verhoogde weerstand meer af tegen de lucht. Dat creëert een neerwaarts effect – downforce. Dat is goed voor de remprestaties en de rechtuit-stabiliteit van de motor. Het beïnvloedt ook zeker het rijgedrag en met name het tegengaan van wheelies – na wielspin de grootste verspilling van motorvermogen. En hoewel downforce de hoeveelheid beschikbare grip opvoert als de motor perfect verticaal voortbeweegt, werkt diezelfde downforce de grip juist tegen onder extreme hellingshoeken. De afweging waar aerodynamica meer of minder weerstand moet bieden, hangt af van een haast eindeloze reeks factoren. Het resultaat is zodoende altijd een compromis.

Die oude windtunnel in Mandello del Lario lijkt nu misschien wel een archaïsch stuk techniek vergeleken met al die moderne computers waarop fluid dynamics-programma’s uiterst nauwkeurige data kunnen produceren. Toch blijft fysiek testen van aerodynamica van vitaal belang om tot nieuwe inzichten te kunnen komen. Het innovatieve werk dat decennia geleden door Carlo Guzzi werd verricht, legde mede de basis voor de hypermoderne en geavanceerde windtunnels van vandaag. Mocht je kans zien de Moto Guzzi-fabriek te bezoeken, sla dan zeker niet het hoekje van het fabrieksterrein over waar de windtunnel zich bevindt. Al was het slechts uit respect voor al die inventieve geesten van weleer.