Der Fahrzeugunterboden ist ein ergiebiges Arbeitsfeld, das im Zusammenhang mit dem Gesamtfahrzeug optimiert werden muss. Die Fahrzeugabmessungen und der Unterboden sowie die gewählte Heckform spielen die entscheidende Rolle für die Fahrzeugaerodynamik. Was in gehobenen Mittelklassefahrzeugen heute schon fast Standard ist, muss noch im Kleinwagensegment erreicht werden. Dieser Beitrag zeigt, was die Aerodynamik zur Verbrauchsoptimierung beiträgt.
Inhaltsverzeichnis
1. Entwicklung des aerodynamischen Beiwertes
2. Unterboden bietet Optimierungspotenzial
3. Aerodynamischer Anteil am Gesamtwiderstand
4. Motorraumdurchströmung
Vor dem Hintergrund der Diskussion um eine Reduktion des CO2-Ausstoßes bei Kraftfahrzeugen arbeiten die Entwicklungsingenieure aller Automobilhersteller an verbrauchssenkenden Maßnahmen. Diese erfordern die Betrachtung des gesamten Automobils. Will die Automobilindustrie ihre hochgesteckten Verbrauchsziele auch erreichen, muss sie neben der Optimierung des Antriebsstrangs auch den Luftwiderstand der Fahrzeuge deutlich senken. Bei modernen Mittelklasse-Pkw senkt sich der cW-Wert allmählich in Richtung 0,25.
Entwicklung des aerodynamischen Beiwertes
In den vergangenen 100 Jahren hat sich bereits einiges getan. So hatten Automobile im Jahr 1900 noch einen Luftwiderstandsbeiwert von ungefähr cW = 0,900. Ausgehend von dieser Zeit haben sich die Fahrzeuge deutlich hinsichtlich ihres aerodynamischen Beiwertes weiterentwickelt. Heutige Mittelklassefahrzeuge bewegen sich um einen CW-Wert von 0,300. Unter Ausnutzung aller Möglichkeiten – das heißt Optimierung der Fahrzeugform in den Designgrenzen, der Motorraumdurchströmung und auch des Fahrzeugunterbodens – scheinen Fahrzeuge mit einem Beiwert von cW = 0,200 im Bereich des Möglichen.
Doch leider entwickelt sich trotz aller aerodynamischen Verbesserungen der Gesamtwiderstand, also das Produkt aus cW-Wert und Frontfläche des Fahrzeuges, in die andere Richtung. Die Frontfläche, das heißt die projizierte Fläche der Fahrzeuge, steigt kontinuierlich an. Mittlerweile ist, am Beispiel der Marke Ford, ein Fiesta (A = 2,1 m²) größer als ein Mondeo aus dem Modelljahr 1993. Eine weitere interessante Tatsache ist, dass über alle Fahrzeugklassen hinweg das Produkt aus Luftwiderstand und Frontfläche nahezu den gleichen Wert erreicht. Das heißt, die geringe Frontfläche eines Kleinwagens wird durch die „schlechte“ Aerodynamik wieder zunichte gemacht. Dadurch liegen alle Fahrzeuge im Mittel bei ungefähr cW * A = 0,680.
Dieser Mittelwert aus den Pkw der letzen 10 Jahre zeigt dieses Verhalten, wobei mit zunehmender Fahrzeuggröße der Abstand zwischen Maxima und Minima immer geringer wird. Dies zeigt, dass die Fahrzeuge in höheren Klassen näher zusammen liegen als im Kleinwagensegment. Eine Sonderrolle nehmen die SUV ein. Deren mittlerer Widerstandsbeiwert liegt auf dem Niveau der 70er Jahre. Zusammen mit der großen Frontfläche bringen sie es auf ein stattliches cW * A ~ 1,20.
In der heutigen Zeit wird auch sehr stark auf computergestützte Methoden zurückgegriffen. Um alle Möglichkeiten einer Optimierung auszuschöpfen, ist es sehr wichtig schon in einer sehr frühen Programmphase sich für das richtige Design beziehungsweise den passenden Unterboden zu entscheiden. In diesen frühen Phasen arbeiten Design und Engineering nur im CAD beziehungsweise mit 4/10-Modellen. Bei Ford hat sich dabei durchgesetzt, die unterschiedlichen Varianten mittels CFD zu vergleichen und entsprechende Aussagen zu treffen.
Dieses Vorgehen erspart zum einen den aufwändigen Bau vieler Modelle. Zudem bekommt der Ingenieur auch schon direkt einen tiefen Einblick in die Strömung und damit auch in Wechselwirkungen zwischen Karosserie und Fahrzeugunterboden. Auch in späteren Programmphasen wird die CFD-Methode eingesetzt. Die Haupteinsatzgebiete hierbei sind Detailoptimierungen von beispielsweise Außenspiegel oder Unterboden; aber auch die Straßensimulation ist ein wichtiges Aufgabenfeld für diese Methode.
Bild: Ford
Fahrzeugunterboden bietet Optimierungspotenzial
Der Fahrzeugunterboden ist für die Verbesserung der Aerodynamik eines Kraftfahrzeuges ein sehr ergiebiges Aufgabenfeld. Mit neuen Materialien und Erkenntnissen lassen sich effektive, kostengünstige, leichte sowie hitzebeständige Lösungen realisieren. Immerhin hat der Unterboden einen Anteil von etwa 26 % am Gesamtwiderstand. Erreicht man eine „komplette Verkleidung“ des Unterbodens, so liegt das Potenzial bei mindestens 10 % des Gesamtwiderstandes. Die Auswirkung dieser 10 prozentigen Verbesserung des Gesamtwiderstandes eines heutigen Mittelklassefahrzeuges schlägt sich in zwei Fahrzeugcharakteristiken nieder:
- in einem um etwa 9 % reduzierten Kraftstoffverbrauch bei einer Konstantfahrt von 160 km/h und
- einer Verbesserung der Höchstgeschwindigkeit um rund 6 km/h.
Allerdings dürfen bei einer aerodynamischen Verbesserung die fahrdynamischen Größen nie aus den Augen gelassen werden. Die Einflüsse von Formänderungen und Anbauten am Unterboden können im negativen Fall bis hin zur Instabilität eines Fahrzeuges führen. Die Auftriebsbeiwerte wie auch die Seitenwindempfindlichkeit sind wichtige zu beachtende Kennwerte.
Aerodynamischer Anteil am Gesamtwiderstand
Das Gewicht und die Aerodynamik sind die Teilgrößen, die einen erheblichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch ausüben. Für den NEDC (New European Driving Cycle) setzt sich der Verbrauch aus den Anteilen Aerodynamik, Leerlaufverluste, Roll- und Beschleunigungswiderstand zusammen. Wie bereits bekannt, ist das Produkt aus cW*A (Widerstandsfläche) nahezu konstant über die verschiedenen Fahrzeugklassen. Aus diesem Zusammenhang folgt auch, dass der aerodynamische Anteil am Gesamtwiderstand konstant bleibt, wohingegen mit zunehmender Fahrzeuggröße (Gewicht) die Beschleunigungs- und Rollwiderstände aufgrund des Gewichtes zunehmen.
Demnach spielen für die unterschiedlichen Fahrzyklen (Stadtverkehr, Landstrasse) in der Regel die Beschleunigungswiderstände die dominierende Rolle. Dieses Bild verändert sich, wenn die Konstantfahrt eines Fahrzeuges in den Vordergrund der Betrachtungen rückt. Hierbei ist zu erkennen, dass sich bei einer Geschwindigkeit von etwa 80 km/h der Luftwiderstand und der Rollwiderstand die Waage halten – aber natürlich auch die Beschleunigungsgrößen keine Relevanz besitzen. Werden diese Zusammenhänge bei höheren Geschwindigkeiten untersucht, ist die dominante Größe der Luftwiderstand.
Schon bei 120 km/h ist der Luftwiderstand doppelt so groß wie die Rollreibung. Aus diesen Zusammenhängen ist zu erkennen, dass stets eine Abwägung zwischen Gewichtseintrag in das Fahrzeug und dem aerodynamischen Nutzen zu treffen ist.
Ein hoher Prozentsatz der Unterbodenoptimierung lässt sich auch ohne Gewichtsänderungen realisieren. Lediglich die Anbauteile erhöhen das Fahrzeuggewicht. Für den Kraftstoffverbrauch des Fahrzyklus bedeutet dies näherungsweise, dass eine Widerstandsreduktion von 2 % einem Gewichtsverlust von 1 % entspricht. Einem Mittelklassefahrzeug müssten zur Kompensation einer Verbesserung der Aerodynamik von CW = 0,006 etwa 15 kg Material entnommen werden. Aus dieser Tatsache folgt, dass der aerodynamische Gewinn von Anbauteilen in der Regel deutlich höher ist, als der Gewichtseintrag in das Fahrzeug.
Bild: Ford
Motorraumdurchströmung
Ein weiteres, für die Fahrzeugaerodynamik sehr interessantes Aufgabengebiet, ist die Motorraumdurchströmung. Legt man eine heute übliche Fahrzeuggeometrie zugrunde und schaut sich die Ausströmung aus dem Motorraum an, so erkennt man zwei Kühlluftströme. Ein Strom führt die Motorluft durch das Radhaus zurück zur Hauptströmung und ein zweiter Austritt der Kühlluft ist am Fahrzeugunterboden. Ziel muss es sein, die beiden Ströme mit einem möglichst geringen Impulsverlust in die Hauptströmung einzuleiten.
Potthoff (1) ist es mit dem „Unicar“ gelungen, den Kühlluftwiderstand von etwa 10 % auf nahezu 1,7 % des Gesamtwiderstandes zu senken. Er verwendete hierzu eine Vielzahl von Unterbodenverkleidungen und hat die Kühlluftströme gezielt in den Nachlauf der Vorderräder und des Gesamtfahrzeuges eingeleitet.
Auch Herbig (2) schaffte es, den Kühlluftwiderstand stark zu reduzieren. Er arbeitete mit einer definierten Ausströmung der Motorluft in den Unterboden. Hierzu verwendete er die so genannte Austrittskassette, mit der er versuchte, den Luftstrom des Motorraumes mit geringem Verlust in die Hauptströmung einzuleiten. Die optimale Konfiguration erreichte dabei einen Kühlluftströmung, die rund 5 % des Fahrzeugwiderstandes (cW = 0,007) ausmacht.
Literatur:
(1) Pothoff, J: Das Aerodynamische Konzept des Forschungs-Pkw Unicar, Symposium Fahrzeug-Aerodynamik Wolfsburg, Paper I/7, 1982
(2) Herbig, M: Auswirkungen einer Motorraumkapselung auf das Motorkühlsystem, Dissertation, Uni Stuttgart Fakultät Energietechnik
