Turbulente Strömung
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Wie moderne Technologie die Aerodynamik eines Autos verändert
Ein niedriger Luftwiderstand hilft, den Kraftstoffverbrauch zu senken. In dieser Hinsicht gibt es jedoch enorme Entwicklungsmöglichkeiten. Bisher stimmen Aerodynamik-Experten natürlich der Meinung der Designer zu.
"Aerodynamik für diejenigen, die keine Motorräder bauen können." Diese Worte wurden von Enzo Ferrari in den 60er Jahren ausgesprochen und zeigen deutlich die Einstellung vieler damaliger Designer zu diesem technologischen Aspekt des Autos. Nur zehn Jahre später kam jedoch die erste Ölkrise und ihr gesamtes Wertesystem veränderte sich radikal. Die Zeiten, in denen alle Widerstandskräfte in der Bewegung des Fahrzeugs und insbesondere diejenigen, die durch den Durchgang durch die Luftschichten entstehen, durch umfangreiche technische Lösungen wie die Erhöhung des Arbeitsvolumens und der Leistung von Motoren unabhängig von der verbrauchten Kraftstoffmenge überwunden werden, verschwinden und die Ingenieure beginnen Suchen Sie nach effektiveren Wegen, um Ihre Ziele zu erreichen.
Derzeit ist der technologische Faktor der Aerodynamik mit einer dicken Schicht Vergessenheitsstaub bedeckt, für Designer jedoch nicht ganz neu. Die Geschichte der Technologie zeigt, dass bereits in den zwanziger Jahren fortschrittliche und erfinderische Köpfe wie der Deutsche Edmund Rumpler und der Ungar Paul Jaray (der den Kult der Tatra T77 kreierte) stromlinienförmige Oberflächen bildeten und den Grundstein für einen aerodynamischen Ansatz für das Karosseriedesign legten. Es folgte eine zweite Welle von Aerodynamik-Experten wie Baron Reinhard von Kenich-Faxenfeld und Wunibald Kam, die ihre Ideen in den 1930er Jahren entwickelten.
Jedem ist klar, dass mit zunehmender Geschwindigkeit eine Grenze kommt, ab der der Luftwiderstand zum kritischen Faktor beim Autofahren wird. Die Schaffung aerodynamisch optimierter Formen kann diese Grenze deutlich nach oben verschieben und wird durch den sogenannten Strömungskoeffizienten Cx ausgedrückt, da ein Wert von 1,05 einen Würfel senkrecht zum Luftstrom umkehrt (wenn er um 45 Grad entlang seiner Achse gedreht wird, so dass seine stromaufwärtige Kante wird auf 0,80 reduziert). Dieser Koeffizient ist jedoch nur ein Teil der Luftwiderstandsgleichung – als wesentliches Element kommt noch die Größe der Frontfläche (A) des Autos hinzu. Die erste Aufgabe der Aerodynamiker besteht darin, saubere, aerodynamisch effiziente Oberflächen zu schaffen (von denen es, wie wir sehen werden, viele Faktoren im Auto gibt), was letztendlich zu einer Verringerung des Strömungskoeffizienten führt. Um letztere zu messen, ist ein Windkanal erforderlich, eine kostspielige und äußerst komplexe Anlage – ein Beispiel dafür ist der 2009 in Betrieb genommene 170-Millionen-Euro-Tunnel von BMW. Das wichtigste Bauteil darin ist kein Riesenlüfter, der so viel Strom verbraucht, dass er eine separate Trafostation braucht, sondern ein präziser Rollständer, der alle Kräfte und Momente misst, die der Luftstrahl auf das Auto ausübt. Seine Aufgabe ist es, die gesamte Interaktion des Autos mit dem Luftstrom zu bewerten und den Spezialisten dabei zu helfen, jedes Detail zu studieren und so zu ändern, dass es nicht nur im Luftstrom effizient ist, sondern auch den Wünschen der Designer entspricht . Im Grunde genommen kommen die Hauptwiderstandskomponenten, denen ein Auto ausgesetzt ist, davon, wenn die Luft vor ihm komprimiert und verschoben wird, und – was äußerst wichtig ist – von den intensiven Turbulenzen dahinter am Heck. Dort bildet sich eine Unterdruckzone aus, die dazu neigt, das Auto zu ziehen, was sich wiederum mit dem starken Einfluss des Wirbels mischt, den Aerodynamiker auch als „tote Erregung“ bezeichnen. Aus logischen Gründen ist hinter Kombimodellen das Unterdruckniveau höher, wodurch sich der Durchflusskoeffizient verschlechtert.
Luftwiderstandsfaktoren
Letzteres hängt nicht nur von Faktoren wie der Gesamtform des Autos ab, sondern auch von bestimmten Teilen und Oberflächen. In der Praxis haben die Gesamtform und die Proportionen moderner Autos einen Anteil von 40 Prozent am gesamten Luftwiderstand, von dem ein Viertel durch die Oberflächenstruktur und Merkmale von Objekten wie Spiegeln, Lichtern, Nummernschild und Antenne bestimmt wird. 10% des Luftwiderstandes entstehen durch die Strömung durch die Bohrungen zu Bremsen, Motor und Getriebe. 20% sind das Ergebnis von Wirbeln in den verschiedenen Boden- und Aufhängungsstrukturen, also alles, was unter dem Auto passiert. Und das Interessanteste ist, dass bis zu 30 % des Luftwiderstands auf die Wirbel zurückzuführen sind, die um die Räder und Flügel herum entstehen. Eine praktische Demonstration dieses Phänomens gibt einen deutlichen Hinweis darauf - der Verbrauchskoeffizient von 0,28 pro Auto sinkt auf 0,18, wenn die Räder entfernt und die Löcher im Kotflügel mit der Fertigstellung der Autoform abgedeckt werden. Es ist kein Zufall, dass alle Autos mit überraschend geringer Laufleistung, wie der erste Honda Insight und das Elektroauto EV1 von GM, versteckte hintere Kotflügel haben. Die aerodynamische Gesamtform und die geschlossene Frontpartie, da der Elektromotor nicht viel Kühlluft benötigt, ermöglichten es den GM-Entwicklern, das EV1-Modell mit einem Durchflusskoeffizienten von nur 0,195 zu entwickeln. Tesla Model 3 hat Cx 0,21. Zur Verringerung der Wirbel um die Räder bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, sog. „Air Curtains“ in Form eines dünnen vertikalen Luftstroms werden aus der Öffnung in der vorderen Stoßstange geleitet, um die Räder geblasen und die Wirbel stabilisiert. Die Strömung zum Motor wird durch aerodynamische Klappen begrenzt und der Boden ist vollständig geschlossen.
Je geringer die vom Rollenbock gemessenen Kräfte sind, desto geringer ist Cx. Sie wird laut Norm bei einer Geschwindigkeit von 140 km/h gemessen – ein Wert von 0,30 beispielsweise bedeutet, dass 30 Prozent der Luft, die ein Auto durchfährt, auf seine Geschwindigkeit beschleunigt. Der Frontbereich erfordert ein viel einfacheres Verfahren zum Lesen - dazu werden mit Hilfe eines Lasers die Außenkonturen des Autos von vorne betrachtet umrissen und die geschlossene Fläche in Quadratmetern berechnet. Dieser wird anschließend mit dem Strömungsfaktor multipliziert, um den gesamten Luftwiderstand des Fahrzeugs in Quadratmetern zu erhalten.
Um auf den historischen Abriss unserer aerodynamischen Beschreibung zurückzukommen, stellen wir fest, dass die Schaffung des standardisierten Kraftstoffverbrauchsmesszyklus (NEFZ) im Jahr 1996 tatsächlich eine negative Rolle in der aerodynamischen Entwicklung von Automobilen spielte (die in den 1980er Jahren erheblich voranschritt). ), da der aerodynamische Faktor aufgrund der kurzen Zeit der Hochgeschwindigkeitsbewegung wenig Einfluss hat. Obwohl der Strömungskoeffizient mit der Zeit abnimmt, führt eine Erhöhung der Fahrzeuggröße in jeder Klasse zu einer Vergrößerung der Frontfläche und damit zu einer Erhöhung des Luftwiderstands. Autos wie VW Golf, Opel Astra und BMW 7er hatten in den 1990er Jahren einen höheren Luftwiderstand als ihre Vorgänger. Befeuert wird dieser Trend durch eine ganze Reihe beeindruckender SUV-Modelle mit ihrer großen Frontfläche und dem sich verschlechternden Verkehr. Dieser Autotyp wurde vor allem wegen seines enormen Gewichts kritisiert, in der Praxis nimmt dieser Faktor jedoch mit zunehmender Geschwindigkeit eine geringere relative Bedeutung ein – während bei Fahrten außerhalb der Stadt mit einer Geschwindigkeit von etwa 90 km/h der Anteil des Luftwiderstands ausmacht etwa 50 Prozent, bei Autobahngeschwindigkeiten steigt er auf 80 Prozent des Gesamtwiderstands, dem das Fahrzeug ausgesetzt ist.
Windkanal
Ein weiteres Beispiel für die Rolle des Luftwiderstands beim Betrieb eines Autos ist ein typisches Smart-City-Modell. Ein Zweisitzer kann auf Stadtstraßen flink und flink sein, aber eine kurze und proportionale Karosserie ist aus aerodynamischer Sicht äußerst ineffizient. Vor dem Hintergrund des geringen Gewichts wird der Luftwiderstand zu einem immer wichtigeren Element, und mit Smart beginnt er bei Geschwindigkeiten von 50 km / h einen starken Einfluss zu haben. Es ist nicht verwunderlich, dass er trotz seiner Leichtbauweise die niedrigen Kostenerwartungen nicht erfüllt.
Trotz der Mängel von Smart ist der Aerodynamik-Ansatz der Muttergesellschaft Mercedes ein Beispiel für einen methodischen, konsistenten und proaktiven Ansatz für den Prozess der Schaffung effizienter Formen. Man kann argumentieren, dass die Ergebnisse der Investitionen in Windkanäle und der harten Arbeit in diesem Bereich in diesem Unternehmen besonders sichtbar sind. Ein besonders markantes Beispiel für die Wirkung dieses Verfahrens ist die Tatsache, dass die aktuelle S-Klasse (Cx 0,24) einen geringeren Luftwiderstand aufweist als der Golf VII (0,28). Im Zuge der Suche nach mehr Innenraum hat die Form des Kompaktmodells eine ziemlich große Stirnfläche erhalten, und der Strömungskoeffizient ist aufgrund der kürzeren Länge schlechter als bei der S-Klasse, was lange Stromlinienflächen nicht zulässt und vor allem durch einen scharfen Übergang nach hinten, was die Bildung von Wirbeln fördert. VW bestand darauf, dass der neue Golf der achten Generation deutlich weniger Luftwiderstand und eine niedrigere und stromlinienförmigere Form haben würde, aber trotz des neuen Designs und der Testmöglichkeiten erwies sich dies als äußerst herausfordernd für das Auto. mit diesem format. Mit einem Faktor von 0,275 ist dies jedoch der aerodynamischste Golf, der je gebaut wurde. Die niedrigste Verbrauchskennzahl von 0,22 pro Fahrzeug mit Verbrennungsmotor weist der Mercedes CLA 180 BlueEfficiency auf.
Der Vorteil von Elektrofahrzeugen
Ein weiteres Beispiel für die Bedeutung der aerodynamischen Form vor dem Hintergrund des Gewichts sind moderne Hybridmodelle und vor allem Elektroautos. Beim Prius beispielsweise wird die Notwendigkeit einer hochaerodynamischen Form auch dadurch bestimmt, dass mit zunehmender Geschwindigkeit der Wirkungsgrad des Hybridkraftwerks abnimmt. Bei Elektrofahrzeugen ist alles, was mit einer erhöhten Kilometerleistung im Elektromodus zusammenhängt, äußerst wichtig. Laut Experten erhöht ein Gewichtsverlust von 100 kg die Kilometerleistung des Autos nur um wenige Kilometer. Andererseits ist die Aerodynamik für ein Elektrofahrzeug von größter Bedeutung. Erstens, weil die große Masse dieser Autos es ihnen ermöglicht, einen Teil der durch die Rückgewinnung verbrauchten Energie zurückzugeben, und zweitens, weil das hohe Drehmoment des Elektromotors es Ihnen ermöglicht, den Einfluss des Gewichts beim Start zu kompensieren, und sein Wirkungsgrad bei hohen Geschwindigkeiten und hohen Geschwindigkeiten abnimmt. Darüber hinaus benötigen die Leistungselektronik und der Elektromotor weniger Kühlluft, wodurch das Loch in der Vorderseite des Fahrzeugs verringert wird, was, wie bereits erwähnt, der Hauptgrund für die Verschlechterung des Körperflusses ist. Ein weiteres Motivationselement der Konstrukteure, in modernen Hybridmodellen mit Plug-In-Modul aerodynamisch effizientere Formen zu schaffen, ist die Bewegungsart ohne Beschleunigung nur mit Hilfe eines Elektromotors oder des sogenannten. Segeln. Im Gegensatz zu Segelbooten, bei denen der Begriff verwendet wird und der Wind das Boot bewegen sollte, würde sich die Kilometerleistung mit Strom in Autos erhöhen, wenn das Auto weniger Luftwiderstand hätte. Die Schaffung einer aerodynamisch optimierten Form ist der kostengünstigste Weg, um den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Die Durchflussraten einiger berühmter Autos:
Mercedes Simplex
Produktion 1904, Cx = 1,05
Rumpler tropfenwagen
Produktion 1921, Cx = 0,28
Ford Model T.
Produktion 1927, Cx = 0,70
Kama Experimentelles Modell
Produktion 1938, Cx = 0,36.
Mercedes Rekordauto
Produktion 1938, Cx = 0,12
VW Bus
Produktion 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "Schildkröte"
Produktion 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Produktion 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A.
Produktion 1957, Cx = 0,36.
MG-EX 181
1957 Produktion, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Produktion 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Produktion 1966, Cx = 0,38
Mercedes C 111
Produktion 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Kombi
Produktion 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Produktion 1983, Cx = 0,31
Mercedes W124
Produktion 1985, Cx = 0,29
Lamborghini Countach
Produktion 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Produktion 1997, Cx = 0,29
