Aerodynamik des Automobils

Die Fahrt eines Automobils ist mit einer Reihe von Strömungsvorgängen verbunden. Diese lassen sich in drei Kategorien einteilen, nämlich in die:

Unter der Dichte ρ versteht man die auf das Volumen bezogene Masse eines Stoffes. Bei Flui-den hängt sie im allgemeinen vom Druck p und von der Temperatur T ab. Die größten von Landfahrzeugen bei Rekordfahrten erreichten Fahrgeschwindigkeiten 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 werden¹. Die Dichte des Fluids ist somit eine Stoffkonstante.

Der Luftwiderstand beeinflusst nicht nur den Kraftstoffverbrauch, sondern auch die Fahrleistungen eines Pkw, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten. Die physikalischen Zusammenhänge sollen in den Abschnitten 3.2 und 3.3 zunächst theoretisch verdeutlicht und an Hand von Praxisbeispielen belegt werden. Die Verbrauchsberechnung und- messung in verschiedenen Fahrzyklen und die verschiedenen Möglichkeiten zur Verbrauchsreduktion sind Gegenstand der Abschnitte 3.4 bis 3.7.

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 definitiven Vorgabe. Im Ingenieurwesen eigentlich nichts besonderes, auch im weiten Feld der angewandten Strömungsmechanik nicht. Jedoch, der Luftwiderstand eines Autos „widersetzt“ sich diesem Bemühen mitunter noch immer.

Die Umströmung des Fahrzeugs führt nicht nur zu einem Widerstand, sondern auch zu weiteren Luftkräften und Momenten, und diese haben Einfluss auf die Fahrstabilität. Bei hoher Fahrgeschwindigkeit sind deren Auswirkungen auf den Fahrkomfort spürbar, und im Extremfall sind auch Sicherheitsaspekte betroffen. Der eigene Fahrtwind erzeugt eine Auftriebskraft und ein Nickmoment. Daraus resultieren veränderliche Radlasten und als Folge davon geänderte Haftbedingungen der Reifen. Das Wechselspiel dieser Kräfte und Momente am Fahrzeug beeinflusst sowohl dessen Richtungsstabilität bei Geradeausfahrt wie auch sein Eigenlenkverhalten bei Fahrtrichtungsänderungen.

In den vorangegangenen Kapiteln wurden die globalen Wirkungen der Umströmung des Fahrzeugs betrachtet. Im Wesentlichen ging es dabei um Kräfte und Momente und um deren Auswirkungen auf Fahrleistungen und Richtungsstabilität. Dieses Kapitel 6 führt zu einer detaillierteren Betrachtung. Wie schon Bild 1.1 zeigt es den weitreichenden Einfluss der Aerodynamik auf die verschiedensten Sachgebiete: Funktionalität und Zuverlässigkeit des Fahrzeugs und seiner Systeme sind unter allen Umständen zu gewährleisten; Sicherheit und Komfort der Passagiere sind zu erhöhen.

Die Schallemission von Kraftfahrzeugen setzt sich im Wesentlichen aus dem Antriebsgeräusch, dem Reifen-Fahrbahn-Geräusch und dem Umströmungsgeräusch zusammen. Bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten und hoher Motorbelastung dominiert das Antriebsgeräusch. Bei geringer Motorbelastung liefert schon bei kleinen Geschwindigkeiten das Reifen-Fahrbahn-Geräusch den größten Beitrag zum Gesamtgeräusch. Selbst bei Volllastbeschleunigung kann dieses Geräusch wegen des bisweilen starken Anstiegs der Geräuscherzeugung bei hohen Zugkräften am Reifen eine dominierende Rolle spielen. Mit weiter zunehmender Fahrgeschwindigkeit gewinnen die Umströmungsgeräusche des Fahrzeugs wesentlich an Bedeutung, weil ihre Schallleistung mit der fünften bis sechsten Potenz der Geschwindigkeit zunimmt, während der Anstieg des Reifen- Fahrbahn-Geräusches allgemein nur mit der dritten bis vierten Potenz erfolgt.

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

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, erhielt¹, 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 Bourlet (1898) und Whipple (1898), die sich mit der Fahrdynamik von nicht motorisierten Zweiradfahrzeugen auseinander setzten. 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, 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 Motorräder auf.

Seit über 100 Jahren wird auf Motorrädern Kopfschutz getragen. Anfangs wurden Leinen- und Lederkappen benutzt, bei denen der Windschutz im Vordergrund stand, dann Halbschalenhel-me, 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 eine europäische Norm, die Norm ECE-R 22.01, abgelöst, die in regelmäßigen Abständen überarbeitet wird. Zur Zeit gilt die ECE-R 22.05¹.

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.

Das Design von Fahrzeugen spiegelte schon immer den jeweiligen Zeitgeschmack, ja wenn nicht sogar das Lebensgefühl einer Epoche wieder. Heutige Karosserieformen haben meistens ein aerodynamisches Design mit großen Scheibenflächen und entsprechend starker Sonneneinstrahlung im Sommer. Deshalb und wegen des generell erhöhten Komfortbedürfnisses gehört eine Klimaanlage nahezu schon zur Standardausrüstung eines Pkw. Die großen Scheiben sind aber auch im Winter ungünstig. Für ihre Entfeuchtung und Enteisung sind große Wärmeströme notwendig.

Um die aerodynamischen, die aeroakustischen und die wärmetechnischen Eigenschaften von Fahrzeugen so zu verwirklichen, wie in den vorangegangenen Kapiteln beschrieben, bedarf es erheblicher Anstrengung. Viele der gewünschten Eigenschaften eines Fahrzeuges — z.B. ein niedriger Luftwiderstand — lassen sich nur über einen Eingriff in die äußere Form realisieren. Da diese zu Beginn einer Neuentwicklung festgelegt wird — nach dem „design freeze“ dürfen keine Formänderungen mehr vorgenommen werden — muss mit der aerodynamischen Optimierung sehr früh begonnen werden. Mit zunehmender Realitätsnähe der numerischen Strömungsmechanik werden zwar die aerodynamischen Eigenschaften immer genauer berechenbar sein; sie werden dann bereits in den Entwurf des Fahrzeuges eingearbeitet werden. Aber auf die experimentelle Verifizierung und Verfeinerung im Versuch wird man nicht verzichten können.

In diesem Kapitel 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.

Bei der aerodynamischen Optimierung von Automobilen werden zunehmend numerische Verfahren der Strömungsmechanik¹ eingesetzt. Der Akzent liegt dabei z.Zt. auf der Frühphase der Entwicklung, in der eine Auswahl aus einer Reihe von mit einander konkurrierenden Designentwürfen getroffen werden muss. Dabei besteht Bedarf an sehr genauer Kenntnis der auftretenden Strömungsphänomene, denn diese gilt es im Fortgang der Entwicklung zu beherrschen. Der Einsatz von CFD in der Frühphase der Entwicklung wird dadurch begünstigt, dass noch nicht alle geometrischen Details ausgearbeitet sind, die Diskretisierung der Oberfläche des Modells und des ihn umgebenden Raums dadurch einfacher ist.