Kraftfahrzeugaerodynamik Fachliche Vertiefung Strömungstechnik • Einteilung und Einfluss • cW-Wert, Wirkung und Reduzierung • Kräfte, Auf- und Abtrieb.

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1 Kraftfahrzeugaerodynamik Fachliche Vertiefung Strömungstechnik • Einteilung und Einfluss • cW-Wert, Wirkung und Reduzierung • Kräfte, Auf- und Abtrieb • Schräganströmung/Seitenwind Andrej Batos Düsseldorf,

2 Seitenwindstabilität
Einteilung und Einfluss der Kraftfahrzeugaerodynamik Umströmung des Fahrzeugs Durchströmung der Karosserie Wechselwirkung Strömung innerhalb der Aggregate Komfort Windgeräusche Kühlung Geradeauslauf Leistung Fahrverhalten Luftzufuhr Verschmutzung Seitenwindstabilität Wirtschaftlichkeit

3 Automobil, cw-Wert und Kräfte
• Automobil: stumpfer Körper  (störende) Ablösungen • cW-Wert = f(Größe, Form): Synonym für die gesamte Kfz-Aerodynamik • Gesamtwiderstand = zu ca % Luftwiderstand (Mittelkl., vF = 100 km/h)

4 Stand der Technik • Serienfahrzeuge: cW = 0,32 (2003) ; cW = 0,37 (1994) • Widerstand ↓: Stirnfläche und/oder cW-Wert ↓ • empirische Beziehung: Db/b = 0,3 bis 0,4 DW/W mit  b = Kraftstoffverbrauch in Liter/100km vor der Widerstandsreduktion DW  D = Minderung von Verbrauch + Widerstand

5 Strömungsvisualisierung im Windkanal
• Sichtbarmachung der Strömung durch Fäden oder Rauch • Strömungsablösung am Heck („Totwasser“) • Strömungsgeschwindigkeit: Verbunden mit statischem Druck (pstatisch) • Auf- bzw. Abtrieb resultiert aus Druckdifferenz (pb – pstatisch)

6 Auftrieb – Wirkung und Vermeidung (durch Abtrieb)
• Einfluss erst ab vF = 120 km/h, hebt das Fahrzeug, entlastet die Räder • Auftriebsverringerung (Anpressdruck: ↑) durch Spoiler (Rennfahrzeuge):  Kurvengrenzgeschwindigkeit ↑  cW-Wert ↑ (Bremswirkung) • Auftriebsverringerung durch Niederdruckzone • Motorhaubendeformation bei 250 km/h teilweise über 1mm (S-Klasse) • Cabriodächer/LKW-Planen: „Aufblasen“ bei hohen Geschwindigkeiten Optimum für jede Rennstrecke

7 Auftriebsverringerung – Spoiler

8 Unterbodenströmung - Druckverteilung
Staupunkt (Ablösungen) cW ∙ A = 0,3 m2 cW = 0,2

9 Geschichtliche Entwicklung der Kfz-Aerodynamik
• Eng gekoppelt mit Flugzeugbau • Aerodynamiker hatten Flugzeuge, Schiffe, Züge, Gebäude als Vorbild • 4 Entwicklungsphasen (strömungstechnische Aspekte)  Entliehene Formen  Stromlinienformen  Detailoptimierung  Formoptimierung

10 2. Entwicklungsphase – Stromlinienformen – Jaray
• 1922: Widerstandsmessungen an Halbkörpern von Klemperer durch Jaray:  Körper mit cW = 0,045  näher an Boden: cW ↑ (allmählich)  übliche Bodenverhältnisse: cW ↑, keine rotationssymmetrische Umströmung  ausgeprägte Ablösung an Körperoberseite  Bodenabstand = 0: rotationssymmetrischer Charakter, cW ↓  Bodenabstand ↑: Strömungsablösung an scharfkantiger Unterseite  cW ↑  Lösung: Abrunden  cW = 0,15; 3x so hoch wie beim fliegenden Körper, deutlich niedriger als bei zu der Zeit üblichen PKW mit cW = 0,7

11 3. Entwicklungsphase – Detailoptimierung (kl. Schritte)
• Antenne:  gerade Antenne ≡ Zylinderumströmung  Kármánsche Wirbelstraße  Lösung: Vermeidung der Wirbelbildung durch Wendel • Außenspiegel:  Vermeidung des Spiegelflatterns durch Überstand am Gehäuse

12 Schräganströmung/Seitenwind
• Versuchsergebnis: Abdrehendes Giermoment liegt für strömungsgünstige Formen über demjenigen konventioneller Fahrzeuge • Seitenkraft ist bei widerstandsarmen Formen klein • Empfindlichkeit gegen Seitenwind: gesamte Fahrzeugaerodynamik entscheidend, nicht nur aerodynamischen Kennwerte (cW-Wert,…)

13 Entwicklungsaufwand – Minimierung
• Verbesserung vorhandener & Anwendung neuer Messverfahren  tieferer Einblick in die Strömungsmechanismen am Kfz: • Angestrebt: Anwendung der numerischen Strömungsmechanik; Bedingungen: 1. Präzise Abbildung der Physik 2. Rechnung muss schneller & billiger sein als Messung,  Probleme: Ablösungen, zu ungenau und kompliziert • Verarbeitung von Erfahrungen vorheriger Entwicklungen und Grundsatz- untersuchungen (große, schwer überschaubare Datenmengen)

14 Aerodynamik und Design
• Vorwurf an Aerodynamik: Flache Windschutzscheiben  Eindringen von Sonnenstrahlung, Erwärmung des Innenraumes; Beseitigung durch Sonnenschutzgläser nicht vollständig möglich; Klimaanlage dafür zu unwirtschaftlich • cW = 0,3: Steilere und kleinere Scheiben mögl.  ist Stilmittel (Coupé-Look) • Strömungsgünstige Kfz verschmutzen leicht (früh entdeckt; z.B. NSU Ro80) • Designer: Durch Aerodynamik verlieren die Autos ihr Gesicht:  kleine, wenig sichtbare Kühler bzw. Kühlluftöffnungen (Staupunktnah) • Diktat des Windkanals führt zur Einheitsform: Kfz sahen sich immer ähnlich

15 PKW • 1. Entwicklung widerstandsarmer Grundkörper (Einvolumen-Modelle, „Vans) 2. Ableitung der Karosserieformen, die Ausgangsform für Stylisten sind • 1. so optimiertes Kfz: 1982 Audi 100 III, cW = 0,3 war „weltmeisterlich“ • kleine lokale Formänderungen (Details)  relativ großer Widerstandsabbau • Designer: cW = 0,5, nach Detailoptimierung: cW = 0,41

16 Sportwagen • Leistungssteigerung mittels Diffusor (Abgasgegendruck ↓) • Eindrücken der Motorhaube infolge des Staudrucks • Unterbodenströmung erhöht Auftrieb  Unterbodenverkleidung, Diffusor, Tieferlegung, tief hängende Spoilerlippe (cW-Wert wird u.U. größer) • Schwellerblenden: Luftwirbelreduzierung zwischen Vorder- und Hinterrädern

17 Nutzfahrzeuge • 1936: Mit dem Tram-Bus löst sich der Bus vom PKW (runder Bug) • Meilenstein: Bugform von E. Möller, vgl. 1. VW-Transporter • Ablösung hinter der Ecke: Verhinderung mit relativ kleinem Bugradius möglich • 1953: Widerstandsgewinn durch Leitblech, Verbesserung bis 30% (0,86  0,6)

18 Motorräder • Verkleidung (langer Flügel bzw. Heckflosse):  Aerodynamisch gut  Seitenwindempfindlichkeit ↑  Handhabbarkeit ↓

19 Zusammenfassung • Aufteilung der Kraftfahrzeugaerodynamik in Außen- und Innenströmung • Schwerpunkt dieses Vortrags:  Außenströmung  Zusammenfassung in einem Beiwert: cW-Wert • Vieles hängt vom Design ab • Verbesserungen werden immer schwerer, je kleiner der cW-Wert bereits ist

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit