Digitale Zertifizierung der aerodynamischen Eigenschaften von schweren Nutzfahrzeugen

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Einleitung

   Carlos Peiró Frasquet

   Zusammenfassung

   Die Rentabilität und die Wirtschaftlichkeit stehen bei Nutzfahrzeugen von jeher im Vordergrund. Dieser Fokus erfordert es, alle Möglichkeiten zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs auszuschöpfen. Neben den wirtschaftlichen Aspekten spielen die umweltbezogenen Gesichtspunkte eine ebenso wichtige Rolle. Sowohl der Verbrauch als auch die Schadstoffemissionen sinken durch die Verbesserung der aerodynamischen Merkmale von schweren Nutzfahrzeugen erheblich, weshalb diese insbesondere im Hinblick auf die CO₂-Regularien zusätzlich an Bedeutung gewinnen.

3. Grundlagen und Stand der Technik

   Carlos Peiró Frasquet

   Zusammenfassung

   Zunächst werden die für diese Arbeit relevanten Definitionen der Fluidmechanik und Fahrzeugaerodynamik eingeführt. Anschließend werden auf die Grundlagen zur Charakterisierung der Strömungssituation auf der Straße eingegangen sowie die Verfahren zur Untersuchung des Ventilationswiderstands von Rädern vorgestellt. Darauf aufbauend wird der aktuelle Stand der Technik auf dem Gebiet der Aerodynamik zur Ermittlung des Einflusses der instationären Anströmung und des Ventilationswiderstands von Nfz-Rädern dargestellt.

4. Ermittlung des Luftwiderstands im Fahrversuch

   Carlos Peiró Frasquet

   Zusammenfassung

   Um die durch die Verordnung (EU) 2019/1242 festgelegten Ziele zur Reduktion der CO₂-Emmissionen von Nutzfahrzeugen zu erreichen, ist eine standardisierte Berechnung und Deklaration der Emissionen erforderlich. Zu diesem Zweck hat die EU die Entwicklung der Simulationssoftware Vehicle Energy Consumption calculation TOol (VECTO) in Auftrag gegeben, die im Rahmen dieser Arbeit eingesetzt wird. VECTO ist ein Zertifizierungs-programm, das die Berechnung von CO₂-Emissionen und Verbrauchswerten des Nutzfahrzeugs in standardisierten Fahrzyklen ermöglicht.

5. Modellierung der natürlichen Windverhältnisse

   Carlos Peiró Frasquet

   Zusammenfassung

   Der Einfluss der durch den natürlichen Wind geprägten instationären Anströmung auf die Aerodynamik eines Nutzfahrzeugs wird in der vorliegenden Arbeit anhand numerischer Strömungsberechnung untersucht. Hierfür wird als Grundlage zunächst das aerodynamische Verhalten des Nutzfahrzeugs unter stationären Windbedingungen betrachtet. Anschließend wird das Nutzfahrzeug instationären Windverhältnissen ausgesetzt.

6. Modellierung der Raddrehung

   Carlos Peiró Frasquet

   Zusammenfassung

   Die Darstellung rotierender Geometrien in der Strömungssimulation findet ursprünglich ihren industriellen Einsatz in der Luftfahrt- und Energietechnik. Das heißt, in den Fachbereichen, in denen Turbomaschinen eine zentrale Kernkompetenz der Produkte darstellen. Im vergangenen Jahrzehnt ist die Berücksichtigung der Radrotation in der numerischen Simulation der Fahrzeugaerodynamik in den Fokus der Entwicklungsarbeit gerückt.

7. Untersuchung des Einflusses der instationären Anströmung

   Carlos Peiró Frasquet

   Zusammenfassung

   In diesem Kapitel werden die unterschiedlichen Verfahren zur Modellierung der Windverhältnisse in der Strömungssimulation und deren Einfluss auf die Aerodynamik eines Nutzfahrzeugs untersucht. Hierbei sollen die verschiedenen im Fahrversuch charakterisierten Strömungssituationen aus Kapitel 3.3.1 abgebildet werden. Als Untersuchungsobjekt dient wieder die bereits referenzierte Sattelzugkonfiguration bestehend aus einer Zugmaschine Modell TGA 18.480 des Herstellers MAN Truck&Bus und einem Krone 3-Achs-Sattelauflieger mit Kofferaufbau des Typs Dry Liner [3, 82].

8. Untersuchung des Ventilationswiderstands von Nutzfahrzeugen

   Carlos Peiró Frasquet

   Zusammenfassung

   Eine CFD-Prozedur zur Bestimmung des Ventilationswiderstands wird anhand von Windkanalversuchen validiert und anschließend an realen Nfz-Rädern angewandt. Es wird aufgezeigt, wie der Beitrag des Ventilationswiderstands auf den Luftwiderstand ausfällt und wie das aerodynamische Verhalten durch die geometrischen Änderungen der Felgenformen oder der Laufflächentopologie beeinflusst wird. Zuletzt wird der in der numerischen Strömungssimulation ermittelte Luftwiderstandsbeiwert mit Berücksichtigung des Ventilationsbeiwerts, bezeichnet als der erweiterte Luftwiderstandsbeiwert, dem Beiwert aus dem Fahrversuch gegenübergestellt werden.

9. Schlussfolgerung und Ausblick

   Carlos Peiró Frasquet

   Zusammenfassung

   Im Rahmen dieser Arbeit wurde die numerische Strömungssimulation erweitert, mit dem Ziel, deren Potenzial als digitales Werkzeug zur Zertifizierung der Aerodynamik von schweren Nutzfahrzeugen aufzuzeigen. Dabei wurde zum einem die Aerodynamik des Nutzfahrzeugs unter instationären Windverhältnissen anhand zahlreicher Fahrversuchsergebnisse analysiert sowie in der numerischen Strömungssimulation abgebildet und untersucht. Zum anderen wurde der Beitrag des Ventilationswiderstands von Nfz-Rädern auf den gesamten Luftwiderstand des Nutzfahrzeugs sowie der Einfluss von Bereifung und Felgenform anhand von Versuchen im Modellwindkanal und numerischer Strömungssimulation ausführlich untersucht.

10. Backmatter