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About this book

Fahreigenschaften und Fahrleistungen eines Automobils werden massgeblich von der Aerodynamik geprägt, ebenso aber auch der Komfort seiner Insassen und die Funktion seiner Aggregate. Die fahrzeug-Aerodynamik ist vorwiegend empirischer Natur und interdisziplinär. Daran orientiert sich dieses Buch. Wo immer möglich, werden aus dem Erfahrungsschatz der Autoren allgemeingültige Aussagen über strömungsmechanische Phänomene abgeleitet und Auswirkungen beschrieben, die sich auf Personenfahrzeuge, Motorräder, Sport- oder Lastwagen ergeben. Damit hat sich das Buch zum Standardwerk entwickelt. Die vorliegende deutsche 3. Auflage ist inhaltlich konsolidiert und beständig.

Table of Contents

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung
Die Fahrt eines Fahrzeuges ist mit zahlreichen Strömungsvorgängen verbunden. Diese lassen sich in drei Kategorien einteilen
  • die Umströmung des Fahrzeuges,
  • die Durchströmung der Karosserie und schließlich
  • die Strömungen innerhalb der Aggregate.
Wolf-Heinrich Hucho

2. Einige Grundzüge der Strömungsmechanik

Zusammenfassung
Unter der Dichte ρ versteht man die auf das Volumen bezogene Masse eines Stoffes. Bei Fluiden hängt sie im allgemeinen vom Druck p und von der Temperatur T ab. Die größten von Landfahrzeugen bei Rekordfahrten erreichten Fahrgeschwindigkeiten, vgl. Bild 7.63, liegen in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit der Luft, a = 340 m/s = 1225 km/h. Bei der Umströmung eines Körpers mit solchen Anströmgeschwindigkeiten ist die Kompressibilität, also die Dichteänderung infolge Druck- und Temperaturänderung, sehr wesentlich. Die allermeisten Strömungen um Fahrzeuge, einschließlich der Sport- und Rennfahrzeuge, spielen sich jedoch bei Fahrgeschwindigkeiten bis höchstens einem Drittel der Schallgeschwindigkeit, V< a/3, ab. In diesem ganzen Geschwindigkeitsbereich sind die im Strömungsfeld auftretenden Druck- und Temperaturänderungen gegenüber dem Umgebungszustand noch so relativ gering, daß die zugehörigen Dichteänderungen vernachlässigbar klein sind. Das strömende Medium kann daher in sehr guter Näherung als inkompressibel angesehen werden. Die Dichte des Fluids ist somit eine Stoffkonstante. Sie beträgt für Luft unter Normalbedingungen (p = 1 at, T = 0 °C) ρ = 1,251 kg/m3.
Dietrich Hummel

3. Fahrleistungen von Pkw und Schnelltransportern

Zusammenfassung
In den vergangenen zehn Jahren sind weltweit große Anstrengungen unternommen worden, um den Kraftstoffverbrauch der Automobile zu senken. Ganz entscheidend trug dazu die Verringerung des Luftwiderstandes bei. Dagegen wurden die am Motor erzielten Verbrauchsfortschritte weitgehend durch die notwendige Einführung der Katalysatortechnologie kompensiert. Gleichzeitig wurde die immer wieder geforderte — und in Grenzen auch mögliche — Verkleinerung des Fahrzeuggewichtes durch Zusatzeinrichtungen, die der Sicherheit oder dem Komfort dienen, konterkariert.
Hans-Joachim Emmelmann

4. Der Luftwiderstand von Personenwagen

Zusammenfassung
Der Luftwiderstand von Straßenfahrzeugen läßt sich noch immer nicht in geschlossener Form behandeln. Die numerischen Verfahren der Strömungsmechanik haben zwar, wie im Abschnitt 14 ausführlich dargelegt wird, in jüngster Zeit große Fortschritte gemacht. Aber eine Vorausberechnung des Widerstandes ist mit ihnen bis heute nicht gelungen, und sie ist nach einer Untersuchung von W.-H. Hucho [4.1] auch in den nächsten fünf Jahren nicht zu erwarten.
Wolf-Heinrich Hucho

5. Richtungsstabilität

Zusammenfassung
Die Umströmung des Fahrzeuges führt nicht nur zu einem Widerstand sondern auch zu Luftkräften und Momenten, die die Fahrstabilität beeinflussen. Bei hoher Fahrgeschwindigkeit sind deren Auswirkungen auf den Fahrkomfort spürbar, und im Extremfall sind auch Sicherheitsaspekte betroffen.
Alfons Gilhaus, Ralf Hoffmann

6. Funktion, Sicherheit und Komfort

Zusammenfassung
In den Abschnitten 4 und 5 wurde ein Zusammenhang zwischen der Art des Strömungsfeldes um einen Pkw und den daraus resultierenden Kräften und Momenten hergestellt; es ging also vornehmlich um integrale Größen. Diese „globale“ Betrachtungsweise soll in diesem Abschnitt durch eine differenziertere ergänzt werden.
Raimund Piatek

7. Hochleistungsfahrzeuge

Zusammenfassung
Hohe Motorleistung im Verhältnis zur Fahrzeugmasse ist die technische Voraussetzung für ein Hochleistungsfahrzeug. Starke Beschleunigung, extreme Bremsverzögerung, hervorragende Fahreigenschaften,verbunden mit hoher Endgeschwindigkeit und einem in Relation zu den Fahrleistungen niedrigen Kraftstoffverbrauch, stellen weitere wichtige Eigenschaften dar, die von Sport- und Rennfahrzeugen erfüllt werden müssen.
Helmut Flegl, Michael Rauser

8. Nutzfahrzeuge

Zusammenfassung
Die in Zukunft zu erwartende Verknappung der Erdölvorräte, steigende Kraftstoffpreise und die von jeher bestehende Zielsetzung, Nutzfahrzeuge wirtschaftlich und rentabel zu betreiben, verlangen vom Hersteller, alle Möglichkeiten zur Minimierung des Kraftstoffverbrauches auszuschöpfen. Neben der Weiterentwicklung des wirtschaftlichen Dieselprinzips, der Verbesserung der Reifencharakteristik sowie der Optimierung des Triebstranges stellen aerodynamische Maßnahmen am Nutzfahrzeug eine Fortschreibung ökonomischer Bemühungen dar.
Hans Götz

9. Motorräder

Zusammenfassung
Als Gottlieb Daimler am 29. August 1885 — ein Jahr vor der Erfindung des Automobils durch Carl Benz — das Deutsche Reichspatent Nr. 36423 für sein auch „Reitwagen“ genanntes hölzernes „Fahrzeug mit Gas- bzw. Petroleum-Kraftmaschine“, Bild 9.1 (Widerstandsfläche cw · A = 0,67 m2 mit sitzendem Fahrer, nach W. Schnepf [9.2]), erhielt, waren die Grundlagen der Stabilisierung von Einspurfahrzeugen trotz der kurz zuvor schon erfolgten Entwicklung des Nieder(fahr)rades (1884) aus dem ansonsten aber noch verbreiteteren Hochrad noch nicht erforscht. Erst um 1898 erschienen die ersten wissenschaftlichen Publikationen von C. Bourlet [9.3] und F. J. W. Whipple [9.4], die sich mit der Fahrdynamik von nicht motorisierten Zweiradfahrzeugen auseinandersetzten. So verließ sich denn Daimler bei seinem Kraftrad, mit dem er zunächst wohl im wesentlichen die grundsätzliche Möglichkeit der Motorisierung eines Fahrzeuges durch einen Verbrennungsmotor unter Beweis stellen wollte, nicht ausschließlich auf die Einspurigkeit seines Gefährts, sondern stellte dessen eisenbereiften Holzrädern zwei seitliche Stützräder zur Seite, um Kippstabilität zu gewährleisten. Gleichwohl wies dieses erste, nicht in Serie gebaute Motorrad der Welt in etlichen Details bereits die Merkmale und Proportionen heutiger Krafträder auf.
Bernward Bayer

10. Motorkühlung

Zusammenfassung
Die Grundanforderung an ein Kühlsystem besteht darin, daß unter allen Betriebsbedingungen des Fahrzeuges die Bauteile des Motors ausreichend gekühlt sind. Bei der konventionellen Wasserkühlung muß zusätzlich darauf geachtet werden, daß das Kühlmittel nicht über seinen Siedepunkt erhitzt wird, wodurch der Grenzdruck im Kühlsystem überschritten wird und der Motor abkocht. Die höchsten Temperaturen an den Bauteilen, die den Brennraum umgeben, stellen sich in der Regel bei der maximalen Motorleistung ein, also im Bereich der Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges. Weitere Grenzfälle für das Kühlsystem sind die langsame Bergfahrt des vollbeladenen Wagens, der Anhängerbetrieb und der Motorleerlauf bei stehendem Fahrzeug. Bei diesen Betriebspunkten erreichen die brennraumumgebenen Bauteile des Motors zwar keine sehr hohen Temperaturen, jedoch muß hier die Abstimmung von Kühler und Lüfter überprüft werden, um das Kühlmittel vor Überhitzung zu schützen. Diese extremen Betriebspunkte müssen mit der höchsten Umgebungstemperatur, die in der jeweiligen Einsatzregion des Fahrzeuges vorkommt, abgesichert werden.
Wulf Sebbeße, Peter Steinberg, Norbert Deußen, Dieter Schlenz

11. Heizung, Lüftung, Klimatisierung von Pkw

Zusammenfassung
Bei allen Betrachtungsweisen der Pkw-Klimatisierung ist der Mensch als Fahrer oder Fahrgast der Mittelpunkt. Im Pkw mit seinem kleinen Innenraum — ca. 2 bis 3 m3 — und den relativ großen Scheibenflächen — ca. 2 bis 3 m2 — soll bei allen Umgebungsbedingungen, wie Hitze mit Sonnenstrahlung, extreme Kälte, Regen und Schneefall, ein komfortables Klima erzeugt werden. Bei instationären Vorgängen, wie Aufheizen, Scheibenenteisung und Entfeuchtung im Winter sowie Abkühlen eines in der Sonne geparkten Fahrzeugs, müssen alle möglichen Belästigungen minimiert werden. Eine Erhöhung der Kondition und Konzentrationsfähigkeit von Fahrer und Fahrgästen sowie die Vermeidung von vorzeitigen Ermüdungserscheinungen soll durch richtig ausgelegte und abgestimmte Heizungs- und Klimaanlagensysteme erreicht werden. Störungen des Wohlbefindens, die beispielsweise durch Zugerscheinungen, kalte Füße, Geräuschentwicklung durch das Heizungsgebläse,hervorgerufen werden, müssen vermieden werden.
Holger Großmann

12. Windkanäle

Zusammenfassung
Um die strömungs- und wärmetechnischen Eigenschaften von Fahrzeugen so zu verwirklichen, wie in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben, bedarf es erheblicher Anstrengungen. Viele der gewünschten Effekte lassen sich nur über einen Eingriff in die äußere Form des Fahrzeuges realisieren. Da diese zu Beginn einer Neuentwicklung festgelegt wird, muß mit den relevanten Arbeiten sehr früh begonnen werden. Mit zunehmender Realitätsnähe der numerischen Strömungsmechanik (CFD) werden zwar immer mehr dieser Eigenschaften berechenbar sein; sie werden dann bereits beim Entwurf des Fahrzeuges verwirklicht. Auf absehbare Zeit wird man aber auf ihre experimentelle Verifizierung und Verfeinerung nicht verzichten können.
Wolf-Heinrich Hucho

13. Meß- und Versuchstechnik

Zusammenfassung
In diesem Abschnitt werden im ersten Teil die Instrumente und Geräte beschrieben, die bei der aerodynamischen Entwicklung von Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Im zweiten Teil folgt eine Darstellung der Meßverfahren, die im Windkanal und auf der Straße Anwendung finden.
Görgün A. Necati

14. Numerische Verfahren

Zusammenfassung
Für die Vertiefung seines Verständnisses der Strömungsvorgänge und für die Beurteilung der aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs in der frühen Phase der Entwicklung stehen dem Fahrzeug-Aerodynamiker drei Möglichkeiten zur Verfügung: analytische Methoden, numerische Methoden und Experimente.
Syed R. Ahmed

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