Hucho - Aerodynamik des Automobils

Wesentliche Eigenschaften eines Automobils werden von der Aerodynamik beeinflusst. Im Vordergrund stehen die Fahrleistungen: Der Verbrauch an Kraftstoff und damit zugleich die Emissionen. Und natürlich die Spitzengeschwindigkeit – wenngleich deren Stellenwert etwas in den Hintergrund getreten ist – ist sie zumindest in der Werbung wichtig, denn der Käufer interessiert sich nach wie vor dafür.

Physikalische Grundlage der Strömungsmechanik ist die Anwendung der Newtonschen Axiome der Mechanik [140] auf ein gedanklich aus dem Fluid herausgeschnittenes Volumenelement, das zu jedem Zeitpunkt ein und dieselbe Fluidmasse enthält und dessen Abmessungen beliebig klein gewählt werden können, ohne dass dabei die molekulare Struktur der Materie in Erscheinung tritt (Kontinuumshypothese). Die Forderung nach der zeitlichen Unveränderlichkeit der Masse Δm des Fluidelements liefert dann die einfache Beziehungwährend das 2. Newtonsche Axiom besagt, dass das Produkt aus Masse Δm und Beschleunigung dv/dt gleich der Summe der am Fluidelement angreifenden Kräfte F ist: Die beiden Beziehungen (2.1) und (2.2), die in der Strömungsmechanik auch als Erhaltungssätze für Masse und Impuls bezeichnet werden, genügen in der klassischen Aerodynamik bereits zur vollständigen Beschreibung des Strömungszustandes. Spielen darüber hinaus auch thermodynamische Effekte eine Rolle, so tritt zur Massen- und Impulserhaltung noch die Energieerhaltung in Form des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik, die hier jedoch nicht betrachtet wird.

Der Luftwiderstand ist der Fahrwiderstand mit der stärksten Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit: bei niedrigen Geschwindigkeiten nahezu vernachlässigbar, übertrifft er je nach Fahrzeugtyp manchmal schon ab 50 km/h den Rollwiderstand und wird bei Autobahngeschwindigkeit zum alles dominierenden Faktor. Damit hat er bei Elektrofahrzeugen einen zentralen Einfluss auf Stromverbrauch und Reichweite und bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor einen hohen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch wie auch die Fahrleistungen eines Fahrzeugs, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten.

Kap. 3 hat gezeigt: Die Fahrleistungen eines Personenwagens werden maßgeblich von dessen Luftwiderstand bestimmt. Das macht es unverzichtbar, dass bei einer Neuentwicklung der im Lastenheft festgeschriebene c_W-Wert auch tatsächlich erreicht wird. Hieß es früher beim c_W-Wert häufig nur „so niedrig wie möglich und vom Design gerade noch hinnehmbar“, so geht es längst um die Erfüllung einer klaren Zielvorgabe. Der Auftrieb des Fahrzeuges entlastet die Achsen und beeinflusst damit die Kraftübertragung zwischen Reifen und Fahrbahn. Hier gilt selbiges: Das Erreichen der Zielvorgaben für die Auftriebe, bezogen auf die Achsen, ist unerlässlich.

In der Regel erlaubt es der Zeitdruck während eines Entwicklungsvorhabens nicht, sich über Einzelheiten der Strömung mit der erforderlichen Genauigkeit zu informieren. Die Mehrzahl der im Folgenden angeführten Beispiele stammt aber gerade aus Entwicklungs- und nicht aus Forschungsprojekten. Die Beschreibung der Teilwiderstände orientiert sich dabei an dem Pragmatismus, mit dem der Aerodynamiker seine Entwicklungsarbeit ausführt. Er spürt Fehlstellen in der Strömung auf, wie z. B. Ablösungen, versucht diese durch Modifikation der Geometrie zu beseitigen und sich dabei der idealen Strömung anzunähern. Die Wägung des Widerstands und der übrigen Komponenten dient zwar der Erfolgskontrolle, aber über die lokalen Strömungsänderungen sagt sie nichts aus. Über diese kann sich der Experimentator mit einfachen Mitteln, wie z. B. mit der Rauchsonde, bestenfalls eine grobe Vorstellung verschaffen. Das Ergebnis des Vergleichs „vorher-nachher“ wird als der Teilwiderstand des gerade untersuchten und modifizierten Details interpretiert. Interferenzeffekte, also der mögliche Einfluss der getroffenen Maßnahme auf die Strömung an einem anderen Ort, werden dabei natürlich nicht erkannt.

Die Auswirkung aerodynamischer Kräfte und Momente auf das Fahrzeug ist seit geraumer Zeit Gegenstand von Untersuchungen. Schließlich führt die Umströmung nicht nur zu dem schon diskutierten Widerstand (s. Abschn. 4.​1), sondern zu weiteren Kräften und Momenten, die Einfluss auf die Fahrdynamik des Fahrzeuges haben. Die Entstehung von Auftrieb und Nickmoment war Gegenstand von Kap. 5. Deren Auswirkungen auf die Radlasten und damit auf das Fahrverhalten bei Geradeaus- und Kurvenfahrt, bei Lastwechselreaktionen und Bremsmanövern wird in Abschn. 6.2.2 beschrieben.

In den vorangegangenen Kapiteln wurden die globalen Wirkungen der Umströmung des Fahrzeuges betrachtet. Im Wesentlichen ging es dabei um Kräfte und Momente und um deren Auswirkungen auf Fahrleistungen und Richtungsstabilität. Das vorliegende Kapitel zeigt nun den weitreichenden Einfluss der Aerodynamik auf die verschiedensten Sachgebiete: Funktionalität und Zuverlässigkeit des Fahrzeuges und seiner Systeme sind unter allen Umständen zu gewährleisten; Sicherheit und Komfort der Passagiere sind zu erhöhen.

Die Aufgabe der Fahrzeugkühlung besteht darin, der Summe aller Wärmequellen im Fahrzeug, wie z. B. Motor und Getriebe sowie Kältekreislauf der Klimaanlage und ggf. Elektronik, jederzeit eine gleichgroße Summe an Wärmesenken gegenüberzustellen, um den dauerhaften Betrieb des Fahrzeuges ohne Komfort-, Fahrdynamik- und Lebensdauereinbußen sicherzustellen. Dafür muss eine ausreichende Menge Kühlluft an die Wärmetauscher und die jeweiligen Komponenten geführt werden (Abb. 8.1).

Die Fahrzeugaeroakustik umfasst unterschiedliche Bereiche. Die Geräuscherzeugung durch die Umströmung des Fahrzeuges, auch Windgeräusch genannt, spielt hierbei eine wichtige Rolle. Aber auch die aerodynamischen Geräusche von z. B. Kühlerlüftern und Klimaanlagen müssen beachtet werden. Bezüglich Außengeräusch ist bei Fahrzeugen mit batterie-elektrischen Antrieben oder Plug-in-Hybriden der Ladevorgang von Bedeutung. Dieser kann in Sammelgaragen oder in Wohngebieten zu besonders störendem Lüftergeräusch führen. Aus diesem Grund wird auch diesem aerodynamischen Geräusch mittlerweile mehr Aufmerksamkeit gewidmet.

Die Kategorie der Hochleistungsfahrzeuge umfasst eine Reihe ganz unterschiedlicher Automobile, nämlich:

Die bestehende Zielsetzung, Nutzfahrzeuge wirtschaftlich und rentabel zu betreiben, verlangt vom Hersteller seit je her, alle Möglichkeiten zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs auszuschöpfen. Darüber hinaus verpflichteten sich im Pariser Klimaschutzabkommen (2015) 195 Staaten und die Europäische Union die menschengemachte globale Erwärmung deutlich unter 2 °C gegenüber den vorindustriellen Werten zu begrenzen. Zahlreiche Maßnahmen zur CO₂-Reduzierung wurden daraufhin in den Ländern und der Europäischen Union festgeschrieben. Als eine dieser Maßnahmen beschloss der Rat der Europäischen Union im Jahre 2018 eine gesetzlich geforderte CO₂-Reduzierung für schwere Lkw von 15 Prozent in 2025 und 30 Prozent in 2030 (bezogen jeweils auf das Basisjahr 2019) (siehe Abb. 11.1) Dies entspricht einer Verdrei- bis Vervierfachung der bislang durchschnittlich pro Jahr erreichten kontinuierlichen Reduktion von Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen. Diese Vorgaben in dem zur Verfügung stehenden Zeitraum zu erreichen, ist sehr ambitioniert und erfordert die Einführung von neuen Technologien. Im Falle von Nichterreichung erwarten die Fahrzeughersteller enorme Strafzahlungen. Dies stellt die Nutzfahrzeugbranche vor große Herausforderungen und richtet den Fokus auf die Entwicklung von alternativen Antrieben als auch auf die konsequente aerodynamische Optimierung der Fahrzeuge.

Gottlieb Daimler erhielt 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“ (c_W · A_x = 0,67 m² nach [853]). Allerdings waren die Grundlagen der Stabilisierung von Einspurfahrzeugen trotz der kurz zuvor schon erfolgten Entwicklung des Nieder(fahr)rads (1884) aus dem sonst aber noch populären Hochrad noch nicht erforscht. Erst um 1898 erschienen die ersten wissenschaftlichen Publikationen von Bourlet [113] und Whipple [1017], die sich mit der Fahrdynamik von nicht motorisierten Zweiradfahrzeugen auseinandersetzten. So verließ sich Daimler bei seinem Motorrad, 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. Er stellte vielmehr 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 Motorräder auf (Abb. 12.1).

Seit über 100 Jahren wird auf Motorrädern Kopfschutz getragen. Anfangs wurden Leinen- und Lederkappen benutzt, bei denen der Windschutz im Vordergrund stand, dann Halbschalenhelme, Jethelme und seit den späten 1960er-Jahren Integralhelme. 1958 wurde in Deutschland mit der DIN 4848 die erste Norm zur Prüfung von Kraftfahrer-Schutzhelmen verabschiedet. 1975 wurde diese Norm durch die europäische Norm ECE-R 22.01 abgelöst, die in regelmäßigen Abständen überarbeitet wird. Zurzeit gilt die ECE-R 22.06.

Dass die Aerodynamik heute integraler Bestandteil eines modernen Fahrzeugentwicklungsprozesses ist, geht sehr deutlich und detailliert aus den vorangegangenen Kapiteln dieses Buches hervor. Sowohl die Erfüllung der Lastenheftvorgaben in Bezug auf die aerodynamischen Gesamtkräfte und -momente, die z. B. die CO₂-Emissionen und die Fahrstabilität wesentlich beeinflussen, als auch die Funktion wichtiger Baugruppen, wie Motor-, Batterie-, Leistungselektronik- und Bremsenkühlung, Klimatisierung, Dichtungen, Türen, Klappen und Anbauteile, erfordern die Mitwirkung der Fahrzeugaerodynamiker, die hierzu ihre wichtigsten Prüfstände, die Windkanäle, einbringen.

Vor allem in der Frühphase der Automobilentwicklung sind meist keine realen Fahrzeuge, sondern nur Teile- oder Plastilinversuchsträger verfügbar. Dennoch müssen eine Reihe miteinander konkurrierender Designentwürfe technisch bewertet werden, bspw. hinsichtlich ihrer aerodynamischen und aeroakustischen Eigenschaften. Dabei besteht Bedarf an sehr genauer Kenntnis der auftretenden Strömungsphänomene, Schallerzeugungs- und -übertragungsmechanismen, denn diese gilt es im Fortgang der Entwicklung zu beherrschen. Für Auslegung, Entwicklung und Optimierung werden hierzu, neben dem über viele Jahrzehnte unverzichtbaren Windkanalversuch, auch eine Vielzahl unterschiedlicher numerischer Simulationen eingesetzt. Die wesentlichen Motive, die den Einsatz von numerischen Methoden rechtfertigen, sind: