Kraftfahrzeugaerodynamik

1. Kraftfahrzeugaerodynamik Sichtbarmachung mit Rauch berechnetes Strömungsfeld Bild 1: Strömung um das A-Modell von Mercedes-Benz (cV =vlokal/V∞)

2. Durchströmung der Karosserie Umströmung des Fahrzeugs Strömung innerhalb der Aggregate Einteilung und Einfluss der Kraftfahrzeugaerodynamik Wechselwirkung Komfort Windgeräusche Kühlung Geradeauslauf Leistung Fahrverhalten Luftzufuhr Verschmutzung Seitenwindstabilität Wirtschaftlichkeit

3. Kräfte auf umströmte Körper Form- oder Druckwiderstand Flächen- oder Reibungswiderstand => Beide Anteile sind gekoppelt und ändern sich nicht unabhängig voneinander! V Bild 2: Ermittlung des Widerstandes eines Körpers

4. dimensionsloser Widerstandsbeiwert cW-Wert Der cW-Wert ist zum Synonym und einer Art „Leitgröße“ für die ganze Fahrzeug- aerodynamik geworden. Luftwiderstand Beispiel: Der Anteil des Luftwiderstand (für Mittelklasse-Pkw) am gesamten Fahrwiderstand bei einer Geschwindigkeit von VF=100 km/h beträgt bereits 75 bis 80 %

5. Widerstandsbeiwerte verschiedener Grundkörper => Durch Anfügen von Radattrappen erhöht sich der Widerstand bis zum Doppelten:

6. Stand der Technik Serienfahrzeuge (Mittelwert):cW = 0,32 (2003) ; cW = 0,37 (1994) Energiekrise cW = 0,25 Stromlinien Form Audi A2 Mercedes C-Klasse Grundkörper Klemperer 1922 VW 1972 CNR/PF 1976 Pininfarina Morelli 1976 cW = 0,05

7. Strömungsaufnahme vom Forschungsauto CNR/PF Bild 2: CNR/PF von Pininfarina

8. Prototypen (mit niedrigen cW-Werten) Bild 3: Ford „Probe IV“, 1983, cW = 0,15, A =1,90m² Bild 4: GM Aero 2002, 1983, cW = 0,14, A =1,68m²

9. Umströmung (schematisch) V∞ Anströmgeschwindigkeit δ Grenzschicht f Querschnitt einer Stromröhre w örtliche Strömungsgeschwindigkeit f w Bild 6:Ablösung v∞ p ∞ P Motorleistung [kW] k Korrekturfaktor (16-18) Fromel: Höchstgeschwindigkeit Bild 5: Grenzschicht

10. Umströmung und Druckverteilung für reibungslose und inkompressible Außenströmung Staupunkte (w = 0, => p = g) Bernoullische Gleichung g Gesamtdruck p∞ statischer Druck V∞ Geschwindigkeit (ρV²∞/2 Staudruck, dyn. Druck) dimensionsloser Druckbeiwert Summierung der Druckkräfte in x-Richtung ergibt W=0.

11. Gesamtkräfte und -momente Austrieb Momentenbezugspunkt Nickmoment FSt Stirnfläche Rollmoment Widerstand (bei β ≠ 0) Seitenkraft l Fahrzeugabmessung Giermoment Bei bekannter Lage des Momentenbezugs-punktes und durch die Komponenten A, W, M und Y, L, N können damit die aus der Umströmung resultierenden Belastungsänderungen an allen vier Rädern ermittelt werden. (bei β ≠ 0) (bei β ≠ 0)

12. Gesamtkräfte und –momente Messanlage

13. Zusammenwirken von Umströmung und Durchströmung • Für die Motorkühlung wird die Druckdifferenz zwischen • dem Staupunktbereich am Bug und der Fahrzeugunter- • seite zur Erzeugung eines Kühlluftstroms ausgenutzt. • Das Ausblasen an gut geformten Auslassschlitzen kann • die Grenzschichtströmung bei Umströmungsproblemen • günstig beeinflussen. • Nachteilig ist, dass der Massendurchsatz von der Fahrgeschwindigkeit stark • abhängig ist. Bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten stellen sich nur kleine Massen- • ströme ein. Deshalb werden sowohl im Kühlluftstrom als auch bei der Innen- • raumbelüftung zusätzliche Gebläse eingesetzt. • => vermehrte Geräuschbildung Bernoulli-Gleichung: ∆pV Druckverlust

14. Strömungsablösungen • Strömungsablösungen führen zu Druckwiderstand • zwei Arten von Ablösungen lassen sich unterscheiden • Ablösekante quer zur Strömungs- • richtung, dabei entstehen • Querwirbel • Ablösekante geneigt gegenüber • Strömungsrichtung, es formieren • sich Längswirbel • die Komponenten der Geschwin- • digkeit in Richtung der Wirbel- • achsen sind klein • => Es entsteht ein Totwasser • im Wirbelfeld der abgelösten • Strömung existieren große Ge- • schwindigkeitskomponenten in • Richtung der Wirbelachse

15. Totwasser bei Strömungsablösungensenkrecht zur lokalen Strömungsrichtung • Linie 1 ist Scherschicht, die sich mit der • reibungsfreien Außenströmung vermischt • Linie 2 ist Stromlinie, sie schließt das • durch Rückströmung gekennzeichnete • Totwasser ein • Linie 3 ist Grenze zwischen Vor- und • Rückströmung • Ablösung an „führenden Kanten: Hinter- • kante des Daches (Stufenheck), Nichtperiodisches Totwasser Abriss Kriterien zur Ablösung (nach Prandtl):

16. Periodisches Totwasser • Stromabwärts gehen die Grenz- • schichten in freie Scherschichten • über. • Diese treffen im Punkt R, einem • freien Staupunkt, aufeinander und • schließen das Totwasser ein. • Bilden von zwei gegenläufigen • rotierenden Wirbeln (Kármánsche • Wirbelstraße) • Rechts von R bildet sich der Nachlauf, • der sich stromabwärts aufweitet und • sich allmählich ganz ausgleicht. • Es können Ringwirbel entstehen, aus • dem sich freie Wirbel lösen und in • einer Spiralform davonschwimmen Die Bezeichnung „Torwasser“ geht auf Helmholtz (1868) und Kirchhoff (1869) zurück. Deren Totmassermodell ging davon aus, dass innerhalb der Totwassers Ruhe herrscht. Erst später zeigte es sich, dass das nicht zutrifft, aber die Bezeichnung wurde beibehalten.

17. Strömungsablösung an schrägen Kanten • Bevorzugte Orte ihrer Entstehung sind A- und die • C-Säulen. • Die Längswirbel induzieren auf den Flächen, denen • nahe kommen, hohe Unterdrücke mit ausgeprägten • Spitzen. • Durch die hohe Umfangsgeschwindigkeit der Wirbel • kommt es zu lauten Windgeräuschen an den • vorderen Seitenscheiben eines Pkw. • Die Unterdrücke auf der Heckschräge • haben große Werte von Widerstand und • Auftrieb an der Hinterachse zur Folge. Wirbeltüten

18. Strömungsablösungen am Vorderwagen Windlauf -> Querwirbel Saugspitze A-Säulen -> Längswirbel Hufeisenwirbel

19. Strömungsablösungen am Heck • Luftwiderstand eines Pkw wird ganz • wesentlich durch den Verlauf der • Strömung am Heck beeinflusst. • Nur das Fließheck wurde von der • Aerodynamik beeinflusst. • Vollheck ähnelt dem periodischen • Totwasser mit seinen gegenläufigen • Wirbel. • Fließheck nur kleines Totwasser, • aber wie Vollheck, zwei gegenläufige • Wirbel. • Stufenheck ruft auch zwei gegen- • läufig rotierende Wirbel hervor, die • Spuren des Ringwirbels. Vollheck Fließheck Stufenheck

20. Auftrieb • Einfluss erst ab vF = 120 km/h, hebt das Fahrzeug, entlastet die Räder • => erschwert Fahrtrichtungshaltung => Eigenlenkverhalten ändert sich mit der Fahrgeschwindigkeit (Auftrieb greift • nicht in der Radstandsmitte an) • Auftriebsverringerung (Anpressdruck: ↑) durch Spoiler (Rennfahrzeuge): => Kurvengrenzgeschwindigkeit ↑ => cW-Wert ↑ (Bremswirkung)

21. Einfluss von Spoilern auf die Strömung • Mit Spoilern lässt sich der Auftrieb reduzieren und damit • die Fahrrichtungshaltung verbessern • (Strömungsablösung hinter dem Spoiler). • Spoiler dienen auch als: • - Leitflächen (Umlenkflügel), um die Heckscheibe vom • Schmutz frei zu halten • - Flügel auf dem Dach, um Zuströmung zum Anhänger • zu verbessern • Bugspoiler können folgende positive Effekte erzielen: • - Widerstand verkleinern • - Auftrieb auf der Vorderachse abbauen • - Kühlvolumenstrom erhöhen • Heckspoiler können folgende Wirkung erzeugen: • - Widerstand verkleinern • - Auftrieb an der Hinterachse reduzieren • - Verschmutzung auf dem Heck in Grenzen mindern

22. Strömungsvisualisierung im Windkanal • Sichtbarmachung der Strömung durch Fäden - Ablösungen und Verwirbelungen gut sichtbar (Spoiler, Fenster) • Sichtbarmachung der Strömung durch Rauch - Strömungsablösung am Heck gut sichtbar („Totwasser“) Bild 5: Sichtbarmachung durch Fäden Bild 6 und 7: Längsmittelschnitt Totwasser

23. Strömungsvisualisierung im Windkanal