Handbuch zur Aerodynamik

Die wichtigsten Faktoren, die den Luftwiderstand des Fahrzeugs beeinflussen

Ein geringer Luftwiderstand hilft, den Kraftstoffverbrauch zu senken. In dieser Hinsicht gibt es jedoch enormen Entwicklungsspielraum. Wenn Aerodynamik-Experten natürlich der Meinung der Designer zustimmen.

"Aerodynamik für diejenigen, die keine Motorräder herstellen können." Diese Worte wurden in den sechziger Jahren von Enzo Ferrari gesprochen und zeigen deutlich die Haltung vieler damaliger Designer gegenüber dieser technologischen Seite des Autos. Erst zehn Jahre später kam es jedoch zur ersten Ölkrise, die ihr gesamtes Wertesystem grundlegend veränderte. In Zeiten, in denen alle Widerstandskräfte während der Bewegung des Fahrzeugs und insbesondere diejenigen, die beim Durchfahren der Luftschichten auftreten, durch umfangreiche technische Lösungen wie die Erhöhung des Hubraums und der Leistung von Motoren unabhängig von der verbrauchten Kraftstoffmenge überwunden werden, verschwinden sie und die Ingenieure beginnen zu suchen effektivere Wege, um Ihre Ziele zu erreichen.

Im Moment ist der technologische Faktor der Aerodynamik mit einer dicken Schicht Vergessenheitsstaub bedeckt, aber für die Designer ist dies keine Neuigkeit. Die Geschichte der Technologie zeigt, dass bereits in den 77er Jahren fortgeschrittene und erfinderische Köpfe wie der Deutsche Edmund Rumpler und der Ungar Paul Jaray (der die Ikone Tatra TXNUMX kreierte) stromlinienförmige Oberflächen bildeten und den Grundstein für einen aerodynamischen Ansatz für das Karosseriedesign legten. Es folgte eine zweite Welle von Aerodynamikspezialisten wie Baron Reinhard von Könich-Faxenfeld und Wunibald Kam, die ihre Ideen in den XNUMX entwickelten.

Jedem ist klar, dass mit zunehmender Geschwindigkeit eine Grenze kommt, ab der der Luftwiderstand zu einem kritischen Faktor für das Autofahren wird. Das Erstellen aerodynamisch optimierter Formen kann diese Grenze erheblich nach oben verschieben und wird durch den sogenannten Strömungsfaktor Cx ausgedrückt, da ein Wert von 1,05 einen Würfel senkrecht zum Luftstrom umkehrt (wenn er um 45 Grad entlang seiner Achse gedreht wird, sodass der stromaufwärts Rand sinkt auf 0,80). Dieser Koeffizient ist jedoch nur ein Teil der Luftwiderstandsgleichung - Sie müssen die Größe der Frontfläche des Autos (A) als wichtiges Element hinzufügen. Die erste Aufgabe der Aerodynamiker besteht darin, saubere, aerodynamisch effiziente Oberflächen zu schaffen (von denen, wie wir sehen werden, viele Faktoren in einem Auto sind), was letztendlich zu einem niedrigeren Strömungskoeffizienten führt. Letzteres zu messen erfordert einen Windkanal, der ein teures und äußerst komplexes Bauwerk ist – ein Beispiel dafür ist der 2009 in Betrieb genommene Tunnel. BMW, die das Unternehmen 170 Millionen Euro gekostet haben. Das wichtigste Bauteil darin ist kein Riesenventilator, der so viel Strom verbraucht, dass er ein separates Umspannwerk benötigt, sondern ein präziser Rollständer, der alle Kräfte und Momente misst, die ein Luftstrahl auf ein Auto ausübt. Seine Aufgabe ist es, das gesamte Zusammenspiel des Autos mit dem Luftstrom zu bewerten und Spezialisten dabei zu helfen, jedes Detail zu studieren und so zu verändern, dass es nicht nur im Luftstrom, sondern auch im Einklang mit den Wünschen der Designer wirkt. . Im Grunde kommen die Hauptwiderstandskomponenten, denen ein Auto ausgesetzt ist, davon, wenn die Luft vor ihm komprimiert und verschoben wird, und – sehr wichtig – von den intensiven Turbulenzen dahinter am Heck. Es gibt eine Unterdruckzone, die dazu neigt, das Auto zu ziehen, was wiederum mit einem starken Wirbeleffekt vermischt ist, den Aerodynamiker auch als "tote Erregung" bezeichnen. Aus logischen Gründen ist nach den Kombi-Modellen das Vakuumniveau höher, wodurch sich der Verbrauchskoeffizient verschlechtert.

Luftwiderstandsfaktoren

Letzteres hängt nicht nur von Faktoren wie der Gesamtform des Autos ab, sondern auch von bestimmten Teilen und Oberflächen. In der Praxis machen die Gesamtform und die Proportionen moderner Autos 40 Prozent des gesamten Luftwiderstands aus, von denen ein Viertel durch die Oberflächenstruktur und Merkmale des Objekts wie Spiegel, Lichter, Nummernschild und Antenne bestimmt wird. 10 % des Luftwiderstands sollen durch die Belüftungsöffnungen zu Bremsen, Motor und Getriebe fließen. 20% sind das Ergebnis von Wirbeln in verschiedenen Boden- und Aufhängungsdesigns, also alles, was unter dem Auto passiert. Und was am interessantesten ist – 30 % des Luftwiderstands sind auf die Wirbel zurückzuführen, die um die Räder und Flügel herum erzeugt werden. Eine praktische Demonstration dieses Phänomens zeigt dies deutlich - die Durchflussrate von 0,28 pro Fahrzeug sinkt auf 0,18, wenn die Räder entfernt und die Kotflügeldüsen geschlossen werden. Es ist kein Zufall, dass alle Autos mit überraschend geringer Laufleistung – wie der erste Insight von Honda und das Elektroauto GM EV1 – versteckte hintere Kotflügel haben. Die aerodynamische Gesamtform und die geschlossene Frontpartie, da der Elektromotor nicht viel Kühlluft benötigt, ermöglichten es den GM-Designern, das EV1-Modell mit einem Strömungsfaktor von nur 0,195 zu entwickeln. Tesla Model 3 hat Cx 0,21. Zur Verringerung der Wirbelbildung der Räder bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren werden die sog. "Luftschleier" in Form eines dünnen vertikalen Luftstroms, der von der Öffnung in der vorderen Stoßstange ausgeht, um die Räder bläst und die Wirbel stabilisiert, der Strom zum Motor wird durch aerodynamische Klappen begrenzt und der Boden ist vollständig geschlossen.

Je niedriger die Werte der vom Rollenständer gemessenen Kräfte sind, desto kleiner ist Cx. Sie wird typischerweise bei einer Geschwindigkeit von 140 km/h gemessen – ein Wert von 0,30 beispielsweise bedeutet, dass 30 Prozent der Luft, die ein Auto durchströmt, auf seine Geschwindigkeit beschleunigt werden. Bei der Front ist die Ablesung wesentlich einfacher – dafür werden die Außenkonturen des Autos von vorne betrachtet mit einem Laser umrissen und die umschlossene Fläche in Quadratmetern errechnet. Er wird dann mit dem Strömungsfaktor multipliziert, um den gesamten Luftwiderstand des Autos in Quadratmetern zu erhalten.

Um auf den historischen Umriss unserer aerodynamischen Erzählung zurückzukommen, stellen wir fest, dass die Schaffung des standardisierten Kraftstoffverbrauchsmesszyklus (NEFZ) im Jahr 1996 tatsächlich eine negative Rolle bei der aerodynamischen Entwicklung von Autos spielte (die in den 7er Jahren erhebliche Fortschritte machte). ), da der aerodynamische Faktor aufgrund der kurzen Zeit der Hochgeschwindigkeitsbewegung wenig Einfluss hat. Trotz des Rückgangs des Verbrauchskoeffizienten im Laufe der Jahre führt die Vergrößerung der Fahrzeugabmessungen jeder Klasse zu einer Vergrößerung der Frontfläche und folglich zu einer Erhöhung des Luftwiderstands. Autos wie der VW Golf, der Opel Astra und der BMW 90er hatten in den 90er Jahren einen höheren Luftwiderstand als ihre Vorgänger. Begünstigt wird dieser Trend durch beeindruckende SUV-Modelle mit großer Frontfläche und sich verschlechternder Stromlinienform. Dieser Fahrzeugtyp wurde vor allem wegen seines hohen Gewichts kritisiert, in der Praxis verliert dieser Faktor jedoch mit zunehmender Geschwindigkeit an relativer Bedeutung - bei Fahrten außerhalb der Stadt mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 km / h beträgt der Anteil des Luftwiderstands ungefähr 80 Prozent, bei Autobahngeschwindigkeiten steigt er auf XNUMX Prozent des Gesamtwiderstands, dem das Auto ausgesetzt ist.

Windkanal

Ein weiteres Beispiel für die Rolle des Luftwiderstands bei der Fahrzeugleistung ist ein typisches Smart-City-Modell. Ein Zweisitzer mag auf den Straßen der Stadt flink und flink sein, aber seine kurze und proportionale Karosserie ist aus aerodynamischer Sicht höchst ineffizient. Vor dem Hintergrund des geringen Gewichts wird der Luftwiderstand zu einem immer wichtigeren Element, das bei Smart ab 50 km/h stark zum Tragen kommt – kein Wunder, dass er trotz Leichtbauweise nicht den Erwartungen gerecht wurde von relativ geringen Kosten.

Doch trotz der Mängel von Smart ist die Einstellung der Muttergesellschaft Mercedes zur Aerodynamik ein Beispiel für eine methodische, konsequente und proaktive Herangehensweise an den Prozess der Schaffung spektakulärer Formen. Man kann argumentieren, dass die Ergebnisse der Investitionen in Windkanäle und der harten Arbeit in diesem Bereich in diesem Unternehmen besonders spürbar sind. Ein besonders markantes Beispiel für die Wirkung dieses Verfahrens ist die Tatsache, dass die aktuelle S-Klasse (Cx 0,24) einen geringeren Luftwiderstand hat als der Golf VII (0,28). Auf der Suche nach mehr Innenraum hat die Form des Kompaktmodells eine ziemlich große Stirnfläche bekommen, und der Strömungskoeffizient ist aufgrund seiner kürzeren Länge schlechter als bei der S-Klasse, was keine stromlinienförmigen Oberflächen und vieles mehr zulässt mehr. - bereits durch einen scharfen Übergang von hinten, der zur Wirbelbildung beiträgt. VW geht aber davon aus, dass der Golf der nächsten Generation deutlich weniger Luftwiderstand haben und tiefergelegt und gestrafft werden soll. Den niedrigsten Verbrauchsfaktor von 0,22 pro Verbrennungsmotor hat der Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

Der Vorteil von Elektrofahrzeugen

Ein weiteres Beispiel für die Bedeutung der aerodynamischen Form vor dem Hintergrund des Gewichts sind moderne Hybridmodelle und vor allem Elektrofahrzeuge. Im Fall des Prius zum Beispiel wird die Notwendigkeit eines hoch aerodynamischen Designs auch durch die Tatsache bestimmt, dass der Wirkungsgrad des Hybridantriebsstrangs mit zunehmender Geschwindigkeit dramatisch abnimmt. Bei Elektrofahrzeugen ist alles, was mit einer erhöhten Kilometerleistung im Elektromodus zusammenhängt, äußerst wichtig. Laut Experten erhöht eine Gewichtsreduzierung um 100 kg die Kilometerleistung des Autos nur um wenige Kilometer. Andererseits ist die Aerodynamik für ein Elektroauto von größter Bedeutung.

Zum einen, weil durch die hohe Masse dieser Fahrzeuge ein Teil der für die Rekuperation aufgewendeten Energie zurückgewonnen werden kann, zum anderen, weil durch das hohe Drehmoment des Elektromotors der Gewichtseinfluss beim Anfahren kompensiert werden kann und dessen Wirkungsgrad sinkt bei hohen Geschwindigkeiten und hohen Geschwindigkeiten. Außerdem benötigen die Leistungselektronik und der Elektromotor weniger Kühlluft, was eine kleinere Öffnung in der Front des Autos ermöglicht, was, wie wir bereits angemerkt haben, der Hauptgrund für die Verschlechterung der Umströmung der Karosserie ist. Ein weiteres Element der Motivation der Designer, aerodynamisch effizientere Formen in heutigen Plug-in-Hybridmodellen zu schaffen, ist die Bewegungsweise ohne Beschleunigung nur mit Hilfe eines Elektromotors, des sogenannten. Segel Sport. Im Gegensatz zu Segelbooten, woher der Begriff kommt und wo der Wind das Boot bewegen soll, erhöhen Elektroautos die Laufleistung, wenn das Auto weniger Luftwiderstand hat. Die Schaffung einer aerodynamisch optimierten Form ist der wirtschaftlichste Weg, den Kraftstoffverbrauch zu senken.

Text: Georgy Kolev

Die Durchflussraten einiger berühmter Autos:

Mercedes Simplex

1904 Produktion, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

1921 Produktion, Cx = 0,28

Ford Modell T

1927 Produktion, Cx = 0,70

Versuchsmodell Kam

1938 Produktion, Cx = 0,36

Mercedes Rekordauto

1938 Produktion, Cx = 0,12

VW Bus

1950 Produktion, Cx = 0,44

VW "Schildkröte"

1951 Produktion, Cx = 0,40

Panhard Dina

1954 Produktion, Cx = 0,26

Porsche 356

1957 Produktion, Cx = 0,36

MG-EX 181

1957 Produktion, Cx = 0,15

Citroen DS 19

1963 Produktion, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

1966 Produktion, Cx = 0,38

Mercedes C 111

1970 Produktion, Cx = 0,29

Volvo 245 Van

1975 Produktion, Cx = 0,47

Audi 100

1983 Produktion, Cx = 0,31

Mercedes W 124

1985 Produktion, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

1997 Produktion, Cx = 0,29