Aerodynamik- und Designziele müssen ausbalanciert werden.
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Kreativität trifft auf Strömungslehre: Designer und Aerodynamiker müssen bei der Entwicklung von Fahrzeugkarosserien eng zusammenarbeiten, um ein stromlinienförmiges und schönes Auto auf die Straße zu bringen. Dabei unterstützt der Computer immer stärker die Arbeit der Entwickler.
Die Aussicht auf immer strenger werdende Anforderungen an CO2- und Geräuschemissionen verändert nicht auch die Art und Weise, wie Motorentwickler ihre Entwicklungsprozesse anpassen und verbessern müssen. Das betrifft auch Designer und Aerodynamiker. Zum Beispiel wird die Bedeutung der Aerodynamik mit dem ab 2017 neuen WLTP zunehmen. Denn der WLTP legt mehr Wert auf reale höhere Fahrgeschwindigkeiten, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.
Zunehmendes Modellangebot und wachsende Variantenvielfalt
Daneben erfordert die steigende Zahl von Modellderivaten schlankere und schnellere Arbeitsabläufe. Seit 1990 hat sich das Produktportfolio der großen deutschen Autohersteller mehr als vervierfacht. Die fünf führenden deutschen Automarken Audi, BMW, Mercedes, Opel und VW boten im Jahr 1990 ihren Kunden 101 einzelne Fahrzeugmodelle zur Auswahl im deutschen Markt an. Dieselben fünf Hersteller bieten derzeit demselben Käuferkreis 453 verschiedene Fahrzeugmodelle an. Diese Zahlen ermittelte kürzlich die Unternehmensberatung Progenium. Hinzu kommt, dass sich die Angebotskomplexität je Modell erhöht hat. Daneben decken die Marken mit ihren Modellen immer mehr Fahrzeugsegmente und Karosserieformen ab.
Die Idee dahinter scheint zunächst überzeugend: Mit jeder Produkterweiterung sollen neue Kundensegmente erschlossen werden. Um in Wettbewerb zu bestehen, versuchen die Hersteller jede Marktnische zu bedienen. Allerdings hat das eine Kehrseite: Zu viele Modelle und Varianten machen es dem Kunden schwerer, sich mit Automarken und deren Modellen zu identifizieren. Oft fühlen sich die Kunden von den komplexen Angeboten und Konfigurationen überfordert.
Das wiegt umso schwerer, weil Automarken längst keine unantastbaren Ikonen mehr sind. Die Jungen schauen genau und vor allem nüchtern hin. Umso wichtiger werden dann "emotionale" Faktoren wie das Design.
So sehen sich die Hersteller mit immer strenger werdenden Emissionsanforderungen konfrontiert, die auch die Art und Weise verändern, wie die Autobauer ihre Produkte gestalten. Gleichzeitig gilt es, neue Designs zu entdecken und neue Fahrzeugsegmente zu erobern. Oft führt das dazu, dass die Industrie der reinen wissenschaftlichen Aerodynamik den Vorrang vor dem ästhetischem Design gibt.
Effiziente Aerodynamik und schöneres Design mithilfe von CFD-Optimierung
Wie kann dann die Formgebung eines Pkw attraktiv für den Kunden bleiben? Eine Lösung: Aerodynamik und Design müssen enger zusammenarbeiten, um einen optimalen Pkw auf die Straße zu bringen. Ein Beispiel: Die Aerodynamik kann in das Designstudie mittels detaillierter, exakter Simulationen integriert werden. Der CFD-Software-Anbieter Exa nennt diesen Prozess "Simulation-Driven Design" und beschreibt ihn im Artikel "CFD-Optimierung für effiziente Aerodynamik und schöneres Design" aus der ATZ 4-2015. Dieser Prozess ermöglicht eine genaue Analyse der aerodynamischen Möglichkeiten unter realen Bedingungen. Es gibt ein direktes Feedback und detaillierte Einblicke über die vorgenommen Detailverbesserungen. Diese sind im Spätstadium der traditionellen Prüfverfahren in Windkanälen und mit physischen Prototypen nicht mehr möglich.
So dienen Simulationen mehr und mehr dazu, teure und zeitaufwendige Tests im Windkanal so vorzubereiten, dass ohne viele Fehlversuche schnell ein Optimum gefunden wird. Durch die Strömungssimulation, auch Computational Fluid Dynamics oder CFD genannt, lassen sich zum Beispiel Effekte am sich drehenden Rad deutlich besser verstehen, erklären Frank Weber, Leiter Produktlinie "Große Modellreihe" des Münchener Autobauers BMW und Adrian van Hooydonk, BMW-Chefdesigner, im ATZ-Interview. Allerdungs könne der Versuch im Windkanal keinesfalls wegfallen.
Vorhersage von Windgeräuschen mit deterministischer Methode
Während heutige Computersimulationen relativ leicht die Aerodynamik für minimalen Fahrwiderstand optimieren können, ist es nach wie vor eine große Herausforderung, die Windgeräusche zu reduzieren. Windgeräusche spielen für Fahrzeugkäufer eine wichtige Rolle, wenn es um die Beurteilung der Qualität eines Fahrzeugs geht.
Ein neues Simulationsverfahren namens Deterministic Aero-Vibro Acoustics (Dava) von Ansys soll jetzt die physikalischen Probleme im Zusammenhang mit Windgeräuschen lösen. Auf der Basis von CFD-Berechnungen ließ sich zeigen, dass die Vorhersagen durch die Dava-Simulation an den meisten Punkten des Spektrums auf 5 dB genau mit den Versuchsergebnissen übereinstimmen, erläutert Ansys im Artikel "Zuverlässige Vorhersage von Windgeräuschen" aus der ATZ 4-2015. Auch beim Thema Windgeräusche ist Teamarbeit zwischen Experten für die CFD-Simulation und den Aeroakustik-Windkanal gefragt, um die komplexen Sachverhalte bei Erzeugung, Übertragung und Ausbreitung von Schall physikalisch besser zu verstehen und zu verbessern.