Kraftfahrzeugaerodynamik Fachliche Vertiefung Strömungstechnik • Einteilung und Einfluss • cW-Wert, Wirkung und Reduzierung • Kräfte, Auf- und Abtrieb • Schräganströmung/Seitenwind Andrej Batos Düsseldorf, 28.10.2005

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

Automobil, cw-Wert und Kräfte • Automobil: stumpfer Körper  (störende) Ablösungen • cW-Wert = f(Größe, Form): Synonym für die gesamte Kfz-Aerodynamik • Gesamtwiderstand = zu ca. 75-80% Luftwiderstand (Mittelkl., vF = 100 km/h)

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

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)

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

Auftriebsverringerung – Spoiler

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

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

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

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

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,…)

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)

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

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

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

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)

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

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit