FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Andrej Batos Düsseldorf, 28.10.2005 Kraftfahrzeugaerodynamik Fachliche Vertiefung

FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik

Andrej BatosDüsseldorf, 28.10.2005

KraftfahrzeugaerodynamikFachliche Vertiefung Strömungstechnik

• Einteilung und Einfluss• cW-Wert, Wirkung und Reduzierung• Kräfte, Auf- und Abtrieb• Schräganströmung/Seitenwind


Strömung innerhalbder Aggregate

Einteilung und Einfluss der Kraftfahrzeugaerodynamik

Umströmungdes Fahrzeugs

Durchströmungder Karosserie

Wechselwirkung

Windgeräusche

Wirtschaftlichkeit

GeradeauslaufKühlung

Luftzufuhr

Seitenwindstabilität

Leistung

Komfort

Fahrverhalten

Verschmutzung


• 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)

Automobil, cw-Wert und Kräfte


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

Stand der Technik


• 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)

Strömungsvisualisierung im Windkanal


• 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

Auftrieb – Wirkung und Vermeidung (durch Abtrieb)

Optimum für jede Rennstrecke


Auftriebsverringerung – Spoiler


Unterbodenströmung - DruckverteilungStaupunkt (Ablösungen)

cW ∙ A = 0,3 m2

cW = 0,2


• Eng gekoppelt mit Flugzeugbau• Aerodynamiker hatten Flugzeuge, Schiffe, Züge, Gebäude als Vorbild• 4 Entwicklungsphasen (strömungstechnische Aspekte) Entliehene Formen Stromlinienformen Detailoptimierung Formoptimierung

Geschichtliche Entwicklung der Kfz-Aerodynamik


• 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

2. Entwicklungsphase – Stromlinienformen – Jaray


• Antenne: gerade Antenne ≡ Zylinderumströmung Kármánsche Wirbelstraße Lösung: Vermeidung der Wirbelbildung durch Wendel• Außenspiegel: Vermeidung des Spiegelflatterns durch Überstand am Gehäuse

3. Entwicklungsphase – Detailoptimierung (kl. Schritte)


• 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,…)

Schräganströmung/Seitenwind


• 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)

Entwicklungsaufwand – Minimierung


• 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

Aerodynamik und Design


• 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

PKW


• 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

Sportwagen


• 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)

Nutzfahrzeuge


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

Motorräder


• 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

Zusammenfassung


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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