FH D
Fachhochschule Düsseldorf
Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik
Kraftfahrzeugaerodynamik
Fachliche Vertiefung Strömungstechnik
• Einteilung und Einfluss
• cW-Wert, Wirkung und Reduzierung
• Kräfte, Auf- und Abtrieb
• Schräganströmung/Seitenwind
Andrej Batos
Düsseldorf, 28.10.2005
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Einteilung und Einfluss der Kraftfahrzeugaerodynamik
Wechselwirkung
Umströmung
des Fahrzeugs
Durchströmung
der Karosserie
Komfort
Windgeräusche
Kühlung
Geradeauslauf
Fahrverhalten
Strömung innerhalb
der Aggregate
Leistung
Luftzufuhr
Verschmutzung
Seitenwindstabilität
Wirtschaftlichkeit
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Automobil, cw-Wert und Kräfte
• Automobil: stumpfer Körper  (störende) Ablösungen
• cW-Wert = f(Größe, Form): Synonym für die gesamte Kfz-Aerodynamik
• Gesamtwiderstand = zu ca. 75-80% Luftwiderstand (Mittelkl., vF = 100 km/h)
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Stand der Technik
• Serienfahrzeuge: cW = 0,32 (2003) ; cW = 0,37 (1994)
• Widerstand ↓: Stirnfläche und/oder cW-Wert ↓
• empirische Beziehung: Db/b = 0,3 bis 0,4 DW/W mit
 b = Kraftstoffverbrauch in Liter/100km vor der Widerstandsreduktion DW
 D = Minderung von Verbrauch + Widerstand
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Strömungsvisualisierung im Windkanal
• Sichtbarmachung der Strömung durch Fäden oder Rauch
• Strömungsablösung am Heck („Totwasser“)
• Strömungsgeschwindigkeit: Verbunden mit statischem Druck (pstatisch)
• Auf- bzw. Abtrieb resultiert aus Druckdifferenz (pb – pstatisch)
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Auftrieb – Wirkung und Vermeidung (durch Abtrieb)
• Einfluss erst ab vF = 120 km/h, hebt das Fahrzeug, entlastet die Räder
• Auftriebsverringerung (Anpressdruck: ↑) durch Spoiler (Rennfahrzeuge):
 Kurvengrenzgeschwindigkeit ↑
Optimum für jede Rennstrecke
 cW-Wert ↑ (Bremswirkung)
• Auftriebsverringerung durch Niederdruckzone
• Motorhaubendeformation bei 250 km/h teilweise über 1mm (S-Klasse)
• Cabriodächer/LKW-Planen: „Aufblasen“ bei hohen Geschwindigkeiten
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Auftriebsverringerung – Spoiler
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Unterbodenströmung - Druckverteilung
Staupunkt (Ablösungen)
cW ∙ A = 0,3 m2
cW = 0,2
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Geschichtliche Entwicklung der Kfz-Aerodynamik
• Eng gekoppelt mit Flugzeugbau
• Aerodynamiker hatten Flugzeuge, Schiffe, Züge, Gebäude als Vorbild
• 4 Entwicklungsphasen (strömungstechnische Aspekte)
 Entliehene Formen
 Stromlinienformen
 Detailoptimierung
 Formoptimierung
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2. Entwicklungsphase – Stromlinienformen – Jaray
• 1922: Widerstandsmessungen an Halbkörpern von Klemperer durch Jaray:
 Körper mit cW = 0,045
 näher an Boden: cW ↑ (allmählich)
 übliche Bodenverhältnisse: cW ↑, keine rotationssymmetrische Umströmung
 ausgeprägte Ablösung an Körperoberseite
 Bodenabstand = 0: rotationssymmetrischer Charakter, cW ↓
 Bodenabstand ↑: Strömungsablösung an scharfkantiger Unterseite  cW ↑
 Lösung: Abrunden  cW = 0,15; 3x so hoch wie beim fliegenden Körper,
deutlich niedriger als bei zu der Zeit üblichen PKW mit cW = 0,7
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3. Entwicklungsphase – Detailoptimierung (kl. Schritte)
• Antenne:
 gerade Antenne ≡ Zylinderumströmung  Kármánsche Wirbelstraße
 Lösung: Vermeidung der Wirbelbildung durch Wendel
• Außenspiegel:
 Vermeidung des Spiegelflatterns durch Überstand am Gehäuse
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Schräganströmung/Seitenwind
• Versuchsergebnis: Abdrehendes Giermoment liegt für strömungsgünstige
Formen über demjenigen konventioneller Fahrzeuge
• Seitenkraft ist bei widerstandsarmen Formen klein
• Empfindlichkeit gegen Seitenwind: gesamte Fahrzeugaerodynamik
entscheidend, nicht nur aerodynamischen Kennwerte (cW-Wert,…)
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Entwicklungsaufwand – Minimierung
• Verbesserung vorhandener & Anwendung neuer Messverfahren
 tieferer Einblick in die Strömungsmechanismen am Kfz:
• Angestrebt: Anwendung der numerischen Strömungsmechanik; Bedingungen:
1. Präzise Abbildung der Physik
2. Rechnung muss schneller & billiger sein als Messung,
 Probleme: Ablösungen, zu ungenau und kompliziert
• Verarbeitung von Erfahrungen vorheriger Entwicklungen und Grundsatzuntersuchungen (große, schwer überschaubare Datenmengen)
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Aerodynamik und Design
• Vorwurf an Aerodynamik: Flache Windschutzscheiben
 Eindringen von Sonnenstrahlung, Erwärmung des Innenraumes;
Beseitigung durch Sonnenschutzgläser nicht vollständig möglich;
Klimaanlage dafür zu unwirtschaftlich
• cW = 0,3: Steilere und kleinere Scheiben mögl.  ist Stilmittel (Coupé-Look)
• Strömungsgünstige Kfz verschmutzen leicht (früh entdeckt; z.B. NSU Ro80)
• Designer: Durch Aerodynamik verlieren die Autos ihr Gesicht:
 kleine, wenig sichtbare Kühler bzw. Kühlluftöffnungen (Staupunktnah)
• Diktat des Windkanals führt zur Einheitsform: Kfz sahen sich immer ähnlich
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PKW
• 1. Entwicklung widerstandsarmer Grundkörper (Einvolumen-Modelle, „Vans)
2. Ableitung der Karosserieformen, die Ausgangsform für Stylisten sind
• 1. so optimiertes Kfz: 1982 Audi 100 III, cW = 0,3 war „weltmeisterlich“
• kleine lokale Formänderungen (Details)  relativ großer Widerstandsabbau
• Designer: cW = 0,5, nach Detailoptimierung: cW = 0,41
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Sportwagen
• Leistungssteigerung mittels Diffusor (Abgasgegendruck ↓)
• Eindrücken der Motorhaube infolge des Staudrucks
• Unterbodenströmung erhöht Auftrieb  Unterbodenverkleidung, Diffusor,
Tieferlegung, tief hängende Spoilerlippe (cW-Wert wird u.U. größer)
• Schwellerblenden: Luftwirbelreduzierung zwischen Vorder- und Hinterrädern
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Nutzfahrzeuge
• 1936: Mit dem Tram-Bus löst sich der Bus vom PKW (runder Bug)
• Meilenstein: Bugform von E. Möller, vgl. 1. VW-Transporter
• Ablösung hinter der Ecke: Verhinderung mit relativ kleinem Bugradius möglich
• 1953: Widerstandsgewinn durch Leitblech, Verbesserung bis 30% (0,86  0,6)
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Motorräder
• Verkleidung (langer Flügel bzw. Heckflosse):
 Aerodynamisch gut
 Seitenwindempfindlichkeit ↑
 Handhabbarkeit ↓
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Zusammenfassung
• Aufteilung der Kraftfahrzeugaerodynamik in Außen- und Innenströmung
• Schwerpunkt dieses Vortrags:
 Außenströmung
 Zusammenfassung in einem Beiwert: cW-Wert
• Vieles hängt vom Design ab
• Verbesserungen werden immer schwerer, je kleiner der cW-Wert bereits ist
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Kraftfahrzeugaerodynamik_kurz