Aerodynamik des Automobils: Eine Brücke von der Strömungsmechanik zur Fahrzeugtechnik PDF
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Aerodynamik des Automobils Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH W.-H. Hucho (Hrsg.) Aerodynamik des Automobils Eine Brücke von der Strömungsmechanik zur Fahrzeugtechnik Dritte, grundlegend neu bearbeitete und erweiterte Auflage Autoren: Syed R. Ahmed Wolf-Heinrich Hucho Bernward Bayer Dietrich Hummel Norbert Deußen Görgün A. N ecati Hans-Joachim Raimund Piatek Emmelmann Michael Rauser Helmut Flegl Dieter Schlenz Alfons Gilhaus WulfSebbeße Hans Götz Peter Steinberg Holger Großmann Ralf Hoffmann , Springer Dr.-Ing. Wolf-Heinrich Hucho Gărtnereiweg 3 D-86938 Schondorf am Ammersee 1. Auflage: Vogel-Verlag, Wiirzburg, 1981 2. Auflage unter dem Titel-Aerodynamlcs ofRoad Vehlc1es Butterworth & Co. (Pubhshers) Ud., 1987 ISBN 978-3-642-63397-3 Dle Deutsche Blbhothek - CIP-Emheltsaufnahme Aerodynamlk des Automoblls eme Brucke von der StrOmungsmechamk zur Fahrzeugtechmk / hrsg von Wolf Hemnch Hucho Autoren Syed R Ahmed -3, grundlegend neu bearb und erw Aufl -Berlm, Heldelberg, New York, Barcelona, Hongkong, London, Malland, Pans, Smgapur, ToklO Spnnger,1998 ISBN 978-3-642-63397-3 ISBN 978-3-642-57903-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-57903-5 NE Hucho, Wolf-Hemnch (Hrsg ), Ahmed, Syed Rafeeq Dleses Werk lst urheberrechthch geschutzt Dle dadurch begrundeten Rechte, msbesondere dle der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abblldungen und Tabellen, der Funksendung, der Mlkroverfilmung oder der Vervlelfilltlgung aufa nderen Wegen und der Spelcherung m Datenverarbeltungsanlagen, blelben, auch bel nur auszugswelser Verwertung, vorbehalten Eme Vervlelfăltlgung dleses Werkes oder von Tellen dleses Werkes ISt auch lm Emzelfall nur m den Grenzen der gesetzhchen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepubhk Deutschland vom 9 September 1965 m derJewelis geltenden Fassung zulăsSlg Sle Istgrundsătzhch vergutungspfllchtlg Zuwlderhandlungen unterhegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes © Spnnger-Verlag Berhn Heldelberg 1999 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg N ew York 1999 Softcaver reprint of the hardcaver 3rd edition 1999 Dle W ledergabe van Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezelchnungen us\v m dlesem Werk berechtlgt auch ah ne besondere Kennzelchnung mcht zu der Annahme, daB solche Namen lm Smne der Warenzelchen-und Markenschutz Gesetzgebung als frel zu betrachten wăren und daher vonJedermann benutzt werden durften Sollte m dlesem Werk duekt oder mduekt aufGesetze, Vorschnften oder Rlchthmen (z B DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus lhnen zItlert worden sem, so kann der Verlag keme Gewăhr fur Rlchugkelt, Vollsttmdlgkelt oder Aktuahtăt ubernehmen Es empfiehlt slch, gegebenenfalls fur dle elgenen Arbelten dle vollstandlgen Vorschnften oder Rlchthmen m der Jewelis gultigen Fassung hmzuzuzlehen Satz Bruchhaus, Wuppertal Emband Struve & Partner, Heldelberg SPIN 10732120 68/3020 -5 4 3 2 1 O -Gedruckt auf săurefrelem Papler Vorwort Leistung, Fahrverhalten und Komfort eines Automobils werden nachhaltig von seinen aerodynami schen Eigenschaften bestimmt. Ein niedriger Luftwiderstand ist eine wesentliche Voraussetzung für seine Wirtschaftlichkeit. Steigende Kraftstoffpreise und gesetzliche Verbrauchsvorschriften haben dafür gesorgt, daß dieser seit langem bekannte Zusammenhang nunmehr vorbehaltlos Anerkennung findet. Keine andere Disziplin der Fahrzeugtechnik hat so viel zum Erreichen der hochgesteckten Verbrauchsziele beigetragen wie die Aerodynamik. Aber auch die übrigen Zweige der Fahrzeugaerodynamik sind für die Qualität eines Automobils nicht weniger bedeutsam: Geradeauslauf, Seitenwindstabilität, Windgeräusche, Verschmutzung der Ka rosserie, Kühlung von Motor, Getriebe und Bremsen und schließlich Heizung und Belüftung des Fahrgastraumes hängen von der Umströmung und der Durchströmung des Fahrzeugs ab. In der Terminologie der Aerodynamik ist das Auto ein "stumpfer Körper"; seine Um strömung wird von Ablösungen geprägt. Und anders als bei Flugzeugen und Turbomaschinen, aber ähnlich wie bei Schiffen, läßt sich sein Strömungsfeld nicht in einzelne nur wenig voneinander abhängende Gebiete zergliedern, die zumindest in einem ersten Schritt für sich allein optimiert werden können. Das hat eine theoretische Durchdringung der Fahrzeugaerodynamik außerordentlich erschwert. Bis heute ist der Fahrzeugaerodynamiker bei der Lösung seiner Aufgaben auf ein empirisches Vorgehen angewiesen. Um den Zugang zu dieser Methodik zu erschließen, werden in diesem Buch drei Schwerpunkte gebildet: Es werden die physikalischen Grundlagen der Fahrzeugaerodynamik entwickelt; aus der schier unüberschaubaren Fülle zumeist produktbezogener Versuchsergebnisse werden, soweit irgend möglich, allgemeingültige strömungsmechanische Zusammenhänge abgeleitet, und schließlich werden Strategien beschrieben, nach denen diese Einzelergebnisse sinnvoll zu einem Ganzen zusammenzusetzen sind. Die Aerodynamik von Personenwagen, von Nutzfahrzeugen, von Sport-und Rennautos sowie von Motorrädern wird in allen ihren Teilaspekten dargestellt. Neben der äußeren Umströmung wird auch die Durchströmung von Motor-und Fahrgastraum beschrieben. Wegen der engen Kopplung von Um und Durchströmung ist deren simultane Betrachtung geboten; beide werden zudem mit der gleichen Versuchstechnik bearbei tet. Die Darstellung beschränkt sich aber nicht auf die Aerodynamik im engeren Sinne. Vielmehr werden die angrenzenden Gebiete, auf die sie Einfluß nimmt, mit einbezogen. So werden die Auswirkungen auf die Längs- und die Querdynamik, z.B. auf Verbrauch und Seitenwindempfindlickeit, ebenso berücksichtigt wie die Grundlagen der Motorkühlung und der Klimatechnik. Die empirische Arbeitsweise stützt sich noch immer fast ausschließlich auf das Experiment. Sie bedarf einer geeigneten Versuchstechnik, und auch diese wird ausführlich abgehandelt. In ihrem Mittelpunkt steht der "klassische" Windkanal. Seine Eigenschaften und die der von ihm abgeleiteten spezialisierten Bauformen müssen im Zusammenhang mit den ihnen eigenen Simulationsdefiziten gesehen werden. Nur wenn diese quantifiziert werden können, sind die in ihnen erarbeiteten Versuchsergebnisse richtig zu bewerten. Weiter werden aber auch Testverfahren außerhalb des Windkanals beschrieben, die auf der Straße ebenso wie die im Schleppkanal. Schließlich wird die Meßtechnik vorgestellt, die sich um das große Versuchs spektrum herum entwickelt hat. Auch die Verfahren der numerischen Strömungsmechanik werden behandelt. Sie sind zwar trotz großer Anstrengungen noch immer weit von einem Einsatz in der Praxis der Fahrzeugentwicklung entfernt, aber auf Teilprobleme wie die Ermittlung von Kräften auf Bauteile lassen sie sich schon V heute anwenden. Mit dem Einzug der Bildschirmgrafik in die Designstudios werden die Aerodyna miker mit der Forderung konfrontiert, Angaben zur Aerodynamik von Entwürfen zu machen und insbesondere deren Luftwiderstand zu beziffern, lange bevor physische Modelle für eine Messung zur Verfügung stehen. Wann numerische Verfahren das zu leisten vermögen, kann zur Zeit noch nicht vorausgesagt werden. Der Leser soll aber dazu in die Lage versetzt werden, den aktuellen Stand der Numerik zu beurteilen und sich gegebenenfalls an ihrer Entwicklung zu beteiligen. Das vorliegende Buch wendet sich an Automobilingenieure in der Industrie, in Forschung und Lehre, in den Technischen Überwachungsvereinen und Behörden und nicht zuletzt an Studenten. Fahrzeug techniker sollen ebenso angesprochen werden wie Aerodynamiker, die in anderen Branchen tätig sind. Es richtet sich aber auch an Designer und an Fachjournalisten sowie an für die Technik begeisterte Automobilisten. Vertiefte Kenntnisse der Aerodynamik werden nicht vorausgesetzt; die relevanten Grundlagen werden in einem gesonderten Abschnitt dargelegt. Die einzelnen Beiträge sind so geschrieben, daß jeder für sich verständlich ist. Daß es dabei zu Überschneidungen, zu Redundanz kommt, ist kein Nachteil, dient vielmehr der Verknüpfung der einzelnen Abschnitte, der Wiederholung und Vertiefung. Auch die Literaturhinweise sind nach Abschnitten geordnet. Bei ihrer Auswahl ging es nicht um Vollständigkeit per se - diese ist Sache einer Datenbank -, sondern vielmehr darum, nur die wesentlichen Arbeiten zu zitieren, vor allem solche, die die angesprochenen Probleme vertiefen. Um den Einstieg in die Literatur zu erleichtern, wurden die Bezeichnungen weitgehend von dort übernommen. Als Folge davon ist die Nomenklatur nicht durchgehend einheitlich; jedem Abschnitt ist deshalb eine ausführliche Liste der verwendeten Bezeichnungen angefügt, die über diese Schwierigkeit hinweghilft. Den Grundstein zu diesem Buch legten der Herausgeber und einige der Mitautoren mit einem Lehr gang, den sie auf Anregung von Herrn Dr. Heinrich Hahn 1978 im Haus der Technik in Essen veranstalteten. Die erste Auflage erschien 1981 im Vogel Verlag, Würzburg; sie wurde ins Russische und Polnische übersetzt. In einer gründlichen Neubearbeitung, bei der die numerischen Verfahren hinzukamen, ist 1987 bei Butterworth, London, als zweite Auflage die englische Version unter dem Titel "Aerodynamics of Road Vehicles" erschienen; sie wurde von der Society of Automotive Engineers (SAE) in ihr Buchprogramm übernommen. Die hier vorliegende nun wieder deutsche Auflage stellt gegenüber der englischen eine nochmalige Überarbeitung dar, und sie wurde um den Abschnitt über Motorräder ergänzt. Zwar fallen diese nach unserem Sprachgebrauch nicht unter den Begriff "Automobil", aber "automobil" im strengen Sinn dieses Wortes sind sie sehr wohl. Dieses Buch ist ein Gemeinschaftswerk; getragen wird es von den Autoren. Diesen sei sehr herzlich für ihre Mitarbeit gedankt. Ohne ihre Bereitschaft, neben der starken beruflichen Beanspruchung ihre Beiträge zu verfassen und dabei auf die Konzeption des Herausgebers einzugehen, wäre diese Neuauflage nicht zustandegekommen. Darüber hinaus haben zahlreiche Fachleute aus dem In-und Ausland zur Aufbereitung des Stoffes beigetragen; sie stellten bereitwillig aktuelle Informationen zur Verfügung und führten sogar gezielt Messungen durch. Sie alle sollen in den Dank des Herausgebers eingeschlossen werden. Herzlicher Dank gebührt meiner Frau Irmgard für ihre ständige Ermutigung, das Buch zu Ende zu bringen und natürlich auch für das Lesen der Korrektur. Schließlich gilt mein Dank Herrn Siegfried Binder, Lektor im VDI -Verlag: für sein Engagement für dieses Projekt, für seine Langmut, wenn es um die Einhaltung von Terminen ging, für die motivierende Zusammenarbeit und die sachgerechte Ausstattung des Buches. Schondorf am Ammersee, im August 1994 Wolf-Heinrich Hucho VI Danksagung Die vorliegende dritte Auflage dieses Standardwerkes der Automobil-Aerodynamik wurde wesentlich durch folgende Firmen gefördert: BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen; Behr GmbH & Co., Stuttgart; Wilhelm Karmann GmbH, Osnabrück; Dr. -Ing. h. c. F. Porsche AG, Engineering Services, Weissach; RockweIl Golde GmbH, Frankfurt am Main. Herausgeber und Verlag danken den genannten Firmen für ihre freundliche Unterstützung sowie dem Vogel-Buchverlag, Würzburg, für die kollegiale Hilfe durch die Überlassung zahlreicher Originalbilder aus der ersten Auflage des Buches. VII Inhalt 1 Einführung Wolf-Heinrich Hucho 1.1 Abgrenzung des Themas ................................................................................................... . 1.1.1 Grundzüge der Automobil-Aerodynamik .......................................................... . 1.1.2 Eigenarten der Fahrzeug-Aerodynamik .............................................................. 7 1.1.3 Angrenzende Fachgebiete ................................................................................... 10 1.2 Geschichtliche Entwicklung .............................................................................................. 13 1.2.1 Betrachtungsweise .............................................................................................. 13 1.2.2 "Entliehene" Formen ........................................................................................... 15 1.2.3 Stromlinienformen .............................................................................................. 17 1.2.4 Parameter-Variationen ........................................................................................ 28 1.2.5 Einvolumen-Körper ............................................................................................ 32 1.2.6 Die Ponton-Karosserie ........................................................................................ 37 1.2.7 Nutzfahrzeuge ..................................................................................................... 38 1.2.8 Motorräder ........................................................................................................... 42 1.3 Gegenwart und zukünftige Trends ..................................................................................... 43 1.3.1 Stand der Technik ............................................................................................... 43 1.3.2 Detailoptimierung ............................................................................................... 45 1.3.3 Formoptimierung ................................................................................................ 47 1.3.4 Entwicklungsaufwand ......................................................................................... 49 1.4 Aerodynamik und Design .................................................................................................. 50 1.5 Bezeichnungen ................................................................................................................... 57 2 Einige Grundzüge der Strömungsmechanik Dietrich Hummel 2.1 Stoffeigenschaften inkompressibler Fluide ....................................................................... 59 2.1.1 Dichte .................................................................................................................. 59 2.1.2 Viskosität ............................................................................................................. 59 2.1.3 Wärmeleitfähigkeit .............................................................................................. 60 2.2 Strömungsprobleme an Kraftfahrzeugen ........................................................................... 60 2.2.1 Um strömung ........................................................................................................ 60 2.2.2 Durchströmung .................................................................................................... 61 2.3 Umströmungsprob1eme ...................................................................................................... 62 2.3.1 Grundgleichungen für reibungslose, inkompressible Außenströmung .............. 62 2.3.2 Anwendungsbeispiele ......................................................................................... 63 2.3.3 Reibungseinflüsse ............................................................................................... 65 2.3.3.1 Laminare und turbulente Grenzschichtausbildung ............................................. 65 2.3.3.2 Ablösung ............................................................................................................. 66 2.3.3.3 Reibungswiderstand ............................................................................................ 67 2.3.3.4 Druckwiderstand ................................................................................................. 69 2.3.3.5 Gesamtkräfte und -momente ............................................................................... 72 2.3.3.6 Temperaturgrenzschichten .................................................................................. 75 2.3.4 Sonderprobleme .................................................................................................. 78 2.3.4.1 Geräusche ............................................................................................................ 78 IX 2.3.4.2 Mehrkörperprobleme .......................................................................................... 79 2.3.4.3 Inhomogenitäten .................................................................................................. 82 2.4 Durchströmungsprobleme .................................................................................................. 84 2.4.1 Grundgleichungen für inkompressible Strömung ............................................... 84 2.4.2 Anwendungsbeispiele ......................................................................................... 85 2.4.2.1 Laminare und turbulente Rohrströmung ............................................................. 85 2.4.2.2 Rohrkrümmer ...................................................................................................... 87 2.4.2.3 Einlaufkanten ...................................................................................................... 88 2.4.2.4 Örtliche Querschnittsverengungen ..................................................................... 88 2.4.2.5 Querschnittserweiterungen ................................................................................. 89 2.5 Zusammenwirken von Umströmung und Durchströmung bei Fahrzeugen ...................... 91 2.6 Bezeichnungen ................................................................................................................... 92 3 Fahrleistungen von Pkw und Schnell transportern Hans-Joachim Emmelmann 3.1 Zielsetzung ......................................................................................................................... 95 3.2 Fahrwiderstände ................................................................................................................. 96 3.2.1 Fahrwiderstandsgleichung .................................................................................. 96 3.2.2 Analyse der Fahrwiderstände .............................................................................. 97 3.2.2.1 Luftwiderstand .................................................................................................... 97 3.2.2.2 Rollwiderstand .................................................................................................... 98 3.2.2.3 Steigungswiderstand ........................................................................................... 98 3.2.2.4 Beschleunigungswiderstand .............................................................................. 100 3.3 Fahrleistungen .................................................................................................................. 100 3.3.1 Zugkraftdiagramm ............................................................................................ 100 3.3.2 Beschleunigungszeiten und Elastizität ............................................................. 100 3.4 Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs ............................................................................... 102 3.4.1 Vorgehensweise ................................................................................................ 102 3.4.2 Verbrauchskennfeld des Motors ....................................................................... 102 3.4.3 Anpassung des Achsantriebes ........................................................................... 103 3.4.4 Getriebeauslegung ............................................................................................. 106 3.4.5 Fahrzyklen ..... ..... ..... ..... ..... .... ..... ..... ..... ..... .... ..... ...... ...... ....... ....... .......... ........... 107 3.5 Kraftstoffverbrauch und Fahrleistungen .......................................................................... 110 3.5.1 Vergleich von Luft-und Rollwiderstand ... ..... ..... ..... ....... ...... ...... ...... ...... ......... 110 3.5.2 Höchstgeschwindigkeit ..................................................................................... 110 3.5.3 Szenario für Verbrauchsbetrachtungen ............................................................. 111 3.5.4 Kraftstoffersparnis durch Luftwiderstandsverringerung .................................. 113 3.5.5 Kraftstoffersparnis durch Verringerung des Gewichtes ................................... 114 3.5.6 Einfluß der installierten Antriebsleistung ......................................................... 115 3.5.7 Verbrauchsoptimales Fahrzeugkonzept ............................................................ 116 3.5.8 Kraftstoffverbrauch von Schnelltransportern ................................................... 119 3.6 Ausblick ........................................................................................................................... 122 3.7 Bezeichnungen ................................................................................................................. 123 x 4 Der Luftwiderstand von Personenwagen Wolf-Heinrich Hucho 4.1 Einordnung des Pkw in die Reihe der übrigen Widerstandskörper ... ............ ............ ..... 125 4.2 Strömungsfeld um einen Pkw .......................................................................................... 126 4.3 Analyse des Luftwiderstandes ......................................................................................... 136 4.3.1 Möglichkeiten der Betrachtung ........................................................................ 136 4.3.2 Physikalische Mechanismen ............................................................................. 136 4.3.3 Ort des Entstehens ............................................................................................. 138 4.3.4 Wirkung auf die Umgebung .............................................................................. 140 4.3.5 Widerstand und Auftrieb ................................................................................... 141 4.4 Teilwiderstände ................................................................................................................ 145 4.4.1 Betrachtungsweise ............................................................................................ 145 4.4.2 Vorderwagen ..................................................................................................... 146 4.4.3 Windschutzscheibe und A-Säu1e ...................................................................... 150 4.4.4 Dach .................................................................................................................. 153 4.4.5 Fahrzeugheck .................................................................................................... 154 4.4.5.1 Ablösungsformen .............................................................................................. 154 4.4.5.2 Boat-tailing ........................................................................................................ 155 4.4.5.3 Schrägheck ........................................................................................................ 158 4.4.5.4 Stufenheck ......................................................................................................... 163 4.4.6 Grundriß und Seitenteile ................................................................................... 166 4.4.7 Unterseite .......................................................................................................... 167 4.4.8 Räder und Radhäuser ......................................... ............ ............... ............ ........ 167 4.4.9 Bugspoiler ......................................................................................................... 171 4.4.10 Heckspoiler ....................................................................................................... 177 4.4.11 Anbauteile ......................................................................................................... 180 4.4.12 Durchström-Widerstände .................................................................................. 183 4.4.13 Pkw mit Anhänger ............................................................................................ 186 4.4.14 Konvoi-Fahren .................................................................................................. 191 4.5 Strategien für die Formentwicklung ................................................................................ 193 4.5.1 AufgabensteIlung .............................................................................................. 193 4.5.2 Detail-Optimierung ........................................................................................... 194 4.5.3 Form-Optimierung ............................................................................................ 195 4.5.4 Face-Lift ............................................................................................................ 197 4.5.5 Anbauteile ......................................................................................................... 197 4.5.6 Prognose-und Expertensysteme ....................................................................... 197 4.6 Widerstand von Serienfahrzeugen ................................................................................... 201 4.6.1 Bewertung von Versuchsergebnissen ............................................................... 201 4.6.2 Ausstattung ........................................................................................................ 201 4.6.3 Fahrzeuglage, Seitenwind ................................................................................. 203 4.6.4 Widerstandsbeiwerte von Serienwagen ............................................................ 206 4.7 Forschung ........................................................................................................................ 207 4.7.1 Zielsetzung ........................................................................................................ 207 4.7.2 Grundkörper ...................................................................................................... 207 4.7.3 Konzeptfahrzeuge ............................................................................................. 210 4.7.4 Rekordfahrzeuge ............................................................................................... 214 4.8 Bezeichnungen ................................................................................................................. 217 XI
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