Warum die Aerodynamik für Fahrzeuge derzeit so attraktiv ist

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"Um die Fahrzeugaerodynamik ist es ziemlich still geworden", schrieb Wolf-Heinrich Hucho im Jahr 2009 in einem Fachartikel in der ATZ. Trotz des großen Aufwands, der bei jeder Neuentwicklung dem Luftwiderstandsbeiwert (cw-Wert) gewidmet werde, sei seit etwa zehn Jahren kein Fortschritt erzielt worden, konstatierte Hucho. Warum aber der Wert cw=0,25 keine Asymptote darstellt und wie dieser künftig noch maßgeblich verringert werden kann, beschrieb der Experte damals anschaulich in seinem Artikel "Grenzwert-Strategie - Halbierung des cw-Wertes scheint möglich" in der ATZ 1/2009.

Und heute, im Jahr 2016, scheinen die "stillen Zeiten" für die Aerodynamik vollends der Vergangenheit anzugehören. Neue Fahrzeugstudien wie der Mercedes-Benz Concept IAA (cw-Wert von 0,19) oder der BMW Vision Next 100 (cw-Wert von 0,18) zeigen, wie ernst das Thema Aerodynamik bei den Automobilherstellern derzeit genommen wird. Das war auch auf der 12. Tagung Fahrzeug-Aerodynamik am 5. und 6. Juli in München zu spüren. Im Rahmen der vom Haus der Technik, BMW und der TU München durchgeführten Fachtagung diskutierten rund 70 Experten über neue Chancen und Perspektiven für die Fahrzeugaerodynamik durch die CO2-Gesetzgebung und neue Prüfprozeduren.

Aerodynamik gewinnt an Relevanz

Denn die Aerodynamik stellt einen wichtigen Stellhebel für die Automobilindustrie dar, um die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte in Zukunft einhalten zu können. "Die deutsche Automobilindustrie", so schreibt der Verband der Automobilindustrie (VDA), "hat sich zum Ziel gesetzt, bahnbrechende Schritte zur Senkung der CO2-Emissionen zu erreichen". Und das muss sie auch, denn die europäische Union hat das Ziel festgeschrieben: 95 g CO2/km im Jahr 2020 für 95 Prozent der Neuwagen, ab 2021 für die gesamte Flotte eines Fahrzeugherstellers. "Es wird kaum einen Automobilhersteller geben, der dieses Ziel locker nimmt", sagte Andreas Wilde von BMW in seinem Eröffnungsvortrag zur Aerodynamik-Tagung in München.

Zudem wird im September 2017 der weltweit harmonisierten Prüfzyklus WLTC eingeführt, der den in die Jahre gekommenen Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) ersetzen wird und ab September 2018 für alle Fahrzeuge gilt. Mittels neuer Testprozeduren (WLTP) soll so die Schere zwischen Kundenverbrauch und Prüfstandswerten verringert werden. Um den Verbrauchswert realistischer zu machen, spielen im WLTP höhere Fahrgeschwindigkeiten ebenso eine Rolle, wie Sonderausstattungen oder Reifen. Die Aerodynamik wird also signifikant an Bedeutung gewinnen, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Dies gelte auch insbesondere für langstreckentaugliche Elektrofahrzeuge, bei denen die Aerodynamik einen dominanten Einflussfaktor auf die elektrische Reichweite darstellt, betonte Wilde in seinem Vortrag.

Auf dem diesjährigen 16. Stuttgarter Symposium hatte Thomas Schütz von BMW die WLTP-bedingte Relevanzzunahme der Aerodynamik in seinem Fachreferat "WLTP - On the increased importance of aerodynamics and impact on development procedures" bereits vorgerechnet: Für den NEFZ läge der Beitrag der Aerodynamik am gesamten Energiezyklus bei 38 Prozent für Kleinstwagen, 32,5 Prozent für die Kompaktklasse und 24 Prozent für die Oberklasse. Diese Werte stiegen im WLTP-Zyklus aufgrund der höheren Geschwindigkeiten auf 42,2, 36,4 und 27,3 Prozent. Nimmt man an, dass die Rekuperationsfähigkeit von Fahrzeugen durch den WLTP auf 50 Prozent gesteigert wird, so steigt der Beitrag der Aerodynamik auf bis zu 50,7, 44,6 beziehungsweise 34,5 Prozent. Schütz prognostizierte ein ganzes Bündel an Maßnahmen zur Senkung der Luftwiderstands. Hierzu zählte er beispielsweise eine Optimierung der Umströmungen bei Rädern, am Unterboden und an den Außenspiegeln sowie eine spezielle Gestaltung der Außenhäute und eine bedarfsgesteuerte Kühlluftführung. Aktive Aerodynamikmaßnahmen wie zum Beispiel aktiver Spoiler und Niveauregulierung sieht er denn auch in mittleren und kleineren Klassen.

Summe vieler Detailoptimierungen

Im Rahmen der Tagung in München wurde anhand aktueller Fahrzeugmodellreihen wie dem BMW 7er, dem Audi A4 und dem Porsche 911 Carrera deutlich, wie viel Potenzial die vielfältigen Maßnahmen im Bereich der dritten Kommazahl insgesamt bergen. Bei der Audi A4 Limousine 2.0 l TDI ultra mit 110 kW Leistung haben die Aerodynamiker beispielsweise einen "best-in-class"-Luftwiderstandsbeiwert von cw=0,231 erreichen können (gemessen im Audi-Windkanal), wie Beat Heinzelmann in seinem Vortrag in München erläuterte. Dies haben Heinzelmann zufolge eine Reihe von Optimierungsmaßnahmen ermöglicht: durchströmte Frontschürze senkt cw-Wert um 0,003, Radhausvorspoiler cw=0,003, optimierter Außenspiegel cw=0,006, neues Unterbodenpaket cw=0,008 bis zu 0,016 etc.). Beim Porsche 911 Carrera haben die Fahrzeugaerodynamiker konsequent den gesamten Luftpfad optimiert und dabei eng mit dem Thermomanagement zusammengearbeitet, berichtete Jakob Weissert von Porsche. So konnten Weissert zufolge in der neuen Generation des 911 Carrera die Turbomotoren inklusive höheren Kühlanforderungen und zusätzlichem Ladeluftkühlungssystem integriert werden, ohne die aerodynamischen Beiwerte des Facelift zu erhöhen (cw=0,29, Auftriebsbeiwert an der Vorderachse cAV=0,04 und der Hinterachse cAH=0,01) und ohne die Gestaltung zu sehr an die Turbo-Modelle anzunähern.

Wie sehen Fahrzeuge mit dem Ziel cw < 0,20 aus?

Bei den Fahrzeugen, die heute in ihrer Klasse den Luftwiderstandsbestwert markieren, werden also die meisten kostengünstigen und auch einige kostenintensiveren Potenziale schon ausgereizt. Für weitere Verbesserungen könnten Maßnahmen, die stark in das Konzept eingreifen und früher vielleicht nicht "desigverträglich" waren, deshalb künftig relevant werden und das Aussehen der Fahrzeuge prägen. Springer-Autor Teddy Woll listet dazu folgende Maßnahmen in seinem Aufsatz "Verbrauch und Fahrleistungen" im Fachbuch Hucho - Aerodynamik des Automobils auf:

• Runder Bug mit längerem vorderem Überhang oder reduzierter Pfeilung, um eine perfekte Umströmung des Vorderwagens zu erreichen;
• stark gerundete A-Säulen mit minimalen Stufen und perfekter Überleitung zur Seite (Ziel: weitere Reduktion des A-Säulen-Wirbels);
• überwölbtes Dach mit einem möglichst weit vorne liegenden höchsten Punkt;
• deutliche Einzüge des Hecks in y- und z-Richtung in Kombination mit deutlicher Reduktion der HA-Spur und Verlängerung des hinteren Überhangs;
• spezielle aerodynamische Räder mit geringer Breite und minimaler Durchströmung sowie optimierte Reifen

Zu den genannten Ideen, kommen - bedingt durch den Siegeszug der Fahrerassistenzsysteme - neue Möglichkeiten hinzu, wie etwa den Ersatz der Außenspiegel durch Videokameras. Die aktuellen Konzeptstudien zeigen auch hier die Richtung auf.

Forschungsfelder neben dem Luftwiderstand

Da durch die Reduzierung des Luftwiderstands die Antriebsökonomie eines Autos entscheidend verbessert werden kann, steht sie nach wie vor im Mittelpunkt der Fahrzeugaerodynamik. Daneben gibt es aber noch andere, bislang wenige erforschte Themen, die nun in den Fokus der Strömungsexperten rücken. So stellte beispielsweise Alexander Link, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am FKFS, auf der Tagung in München die Ergebnisse eines FAT-Forschungsprojekts vor, in dem der Ventilationswiderstand von Pkw-Rädern im Mittelpunkt stand. Die Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT) ist ein Zusammenschluss von mehr als 50 deutschen Unternehmen der Automobilindustrie, die vorwettbewerblich gemeinschaftliche Forschung für Straßenfahrzeuge betreiben.

Ziel des Forschungsvorhabens war es, eine einfache Messmethodik zu entwickeln, mit der man im Windkanal den Ventilationswiderstand verschiedener Felgen messen kann. Wie Link erklärte, handelt es sich beim Ventilationswiderstand um aerodynamischen Widerstand, der um die Radachse wirkt. "Er resultiert aus der Druckverteilung vor und hinter den Speichen sowie der Oberflächenreibung. Das bedeutet, selbst wenn das Rad komplett geschlossen ist, existiert er weiterhin. Der Ventilationswiderstand besitzt eine quadratische Geschwindigkeitsabhängigkeit", erläuterte Link. Es handele sich um einen zusätzlichen Widerstand, der bisher in der Serienfahrzeugentwicklung vernachlässigt werde. Dies könnte sich jedoch im Zuge der Bedeutungszunahme selbst kleiner aerodynamischer Verbesserung künftig ändern.

Über die Fachtagung "Aerodynamik im Fahrzeug"

Die Fachtagung "Aerodynamik im Fahrzeug" wurde von Wolf-Heinrich Hucho gegründet und fand erstmalig unter seiner Leitung am 4. und 5. Dezember 1978 in Essen statt. Seither hat sich die Veranstaltung als Fachforum etabliert und findet alle zwei Jahre statt. Die fachliche Leitung der diesjährigen Tagung in München oblag Thomas Schütz, Leiter Aerodynamik Konzepte, Motorrad bei BMW, Thomas Indinger, Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik an der TU München und Sven Klussmann von BMW. Durchgeführt wird die Veranstaltung vom Haus der Technik.