Aerodynamik des Automobils: Strömungsmechanik, Wärmetechnik, Fahrdynamik, Komfort

1155 Pages·2005·56.883 MB·German

by  Wolf-Heinrich Hucho (eds.)

Wolf-Heinrich Hucho (Hrsg.)
Aerodynamik des Automobils
Aus dem Programm Kraftfahrzeugtechnik
Handbuch Verbrennungsmotor
herausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schäfer
Lexikon Motorentechnik
herausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schäfer
Ottomotor mit Direkteinspritzung
herausgegeben von R. van Basshuysen
Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik
herausgegeben von H.-H. Braess und U. Seiffert
Automobildesign und Technik
herausgegeben von H.-H. Braess und U. Seiffert
Bremsenhandbuch
herausgegeben von B. Breuer und K. H. Bill
Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik
von H. Eichlseder und M. Klell
Umweltschutz in der Automobilindustrie
von D. Gruden
Fahrwerkhandbuch
herausgegeben von B. Heißing und M. Ersoy
Verbrennungsmotoren
von E. Köhler und R. Flierl
Automobilelektronik
herausgegeben von K. Reif
Automotive Software Engineering
von J. Schäuffele und T. Zurawka
Virtuelle Produktentstehung für Fahrzeug und Antrieb im Kfz
herausgegeben von U. Seiffert und G. Rainer
Motorradtechnik
von J. Stoffregen
Handbuch Kraftfahrzeugelektronik
herausgegeben von H. Wallentowitz und K. Reif
Bussysteme in der Fahrzeugtechnik
von W. Zimmermann und R. Schmidgall
Die BOSCH-Fachbuchreihe:
■Ottomotor-Management
■Dieselmotor-Management
■Autoelektrik/Autoelektronik
■Sicherheits- und Komfortsysteme
■Fachwörterbuch Kraftfahrzeugtechnik
■Kraftfahrtechnisches Taschenbuch
herausgegeben von Robert Bosch GmbH
www.viewegteubner.de
Wolf-Heinrich Hucho (Hrsg.)
Aerodynamik
des Automobils
Strömungsmechanik, Wärmetechnik, Fahrdynamik,
Komfort
5., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 1182 Abbildungen und 49 Tabellen
Autoren
Syed R. Ahmed Lothar Krüger
Jürgen Bachmann Manfred Lentzen
Bernward Bayer Ludger Lührmann
Thorsten Frank Alexander Mößner
Hans Götz Görgün Necati
Holger Großmann Ralf Neuendorf
Martin Helfer Michael Pfadenhauer
Patrick Höfer Jörg Rothhämel
Wolf-Heinrich Hucho Oliver Schimpf
Dietrich Hummel Frank Ullrich
Gerd Janke Teddy Woll
Wigbert Kohl Bernhard Zuck
Wolfgang Kramer
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
Die letzte deutsche Ausgabe des Werkes erschien 1994 beim VDI-Verlag
und mit einem Nachdruck 1999 beim Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.
5.,völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage 2005,
unveränderter Nachdruck 2008
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2008
Ursprünglich erschienen bei Vieweg+Teubner | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008.
Lektorat: Ewald Schmitt
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede
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von jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung:KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Umschlagfoto mit freundlicher Genehmigung der DaimlerChrysler AG
Technische Redaktion: Hartmut Kühn von Burgsdorff, Wiesbaden
Satz: KLEMENTZ publishing services, Gundelfingen
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN 978-3-663-09218-6 ISBN 978-3-663-09217-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-09217-9
V
Vorwort

Mit der Aerodynamik werden wesentliche Eigenschaften eines Automobils festgelegt. Kei-
neswegs nur die Fahrleistungen, wenngleich man sich diesen … wie auch hier … stets als erstes
zuwendet. Der Luftwiderstand ist maßgeblich für die Spitzengeschwindigkeit, für Verbrauch
und Emissionen. Steigende Kraftstoffpreise, immer strengere Emissionsgesetze und nicht zu-
letzt die hoch gesteckten Verbrauchsziele der Automobilindustrie haben bewirkt, dass diese
seit langem bekannten Zusammenhänge nunmehr vorbehaltlos Anerkennung finden.
Aber der Luftwiderstand, der c -Wert, ist nicht alles; die übrigen Zielgrößen der Fahrzeugaero-
W
dynamik sind für die Funktion eines Automobils nicht weniger bedeutsam: Geradeauslauf, Sei-
tenwindstabilität, Aeroakustik, Schmutzfreihaltung der Karosserie, Kühlung von Motor, Getriebe
und Bremsen und schließlich Heizung, Belüftung und Klimatisierung des Fahrgastraumes hängen
von der Umströmung und der Durchströmung des Fahrzeugs ab.
Sieht man einmal von den Rennwagen ab, dann wird die Form eines Autos nicht dadurch be-
stimmt, dass mit ihr gewünschte aerodynamische Eigenschaften verwirklicht werden sollen … wie
das zum Beispiel bei einem Flugzeug der Fall ist, das darauf ausgelegt wird, einen vorgegebenen
Auftrieb zu erzeugen. Im Gegenteil, die Form eines Autos wird unter funktionellen, ökonomi-
schen und vor allem nach ästhetischen Gesichtspunkten entwickelt.
Dem Design kommt dabei eine überragende Bedeutung zu. Mit ihm werden technische Anfor-
derungen in ein Erscheinungsbild umgesetzt, das in die Zeit passt, das mit der Mode im Ein-
klang ist. Zur Natur der Mode gehört jedoch der Wandel, und folglich muss auch das Design
ständig nach neuen Ausdrucksformen suchen. Für die Aerodynamik des Automobils bedeutet
das zweierlei:
€ die aerodynamischen Eigenschaften eines Autos ergeben sich in der Regel als Konsequenz
seiner Form, nicht als deren Begründung.
€ das Ziel kann nicht die eine, die ultimative Form sein, wie sie z.B. von einem Verkehrsflug-
zeug verkörpert wird. Die Aerodynamik hat sich mit immer neuen Formen auseinanderzu-
setzen; sie wirkt dabei aber durchaus auf das Design zurück.

In der Terminologie der Aerodynamik ist das Auto ein %stumpfer Körper"; seine Umströmung
wird von Ablösungen geprägt. Und anders als bei Flugzeugen und Turbomaschinen, eher ähn-
lich wie bei Schiffen, lässt sich sein Strömungsfeld nicht in einzelne, nur wenig von einander
abhängende Gebiete zergliedern, die zumindest in einem ersten Schritt jedes für sich allein
optimiert werden können. Immer muss der Körper als Ganzes behandelt werden. Und gerade
das ist es, was die systematische Durchdringung der Fahrzeugaerodynamik ganz außerordent-
lich erschwert. Der Fahrzeugaerodynamiker bleibt bei der Lösung seiner Aufgaben auf ein
empirisches Vorgehen angewiesen, gleichviel ob er sich dabei des Windkanals, der numeri-
schen Strömungsmechanik oder eines Wechselspiels zwischen beiden bedient.
VI Vorwort
Um den Weg zu einer systematischen Empirie zu ebnen, werden in diesem Buch drei Schwer-
punkte gebildet:
€ Es werden die physikalischen Grundlagen der Fahrzeugaerodynamik entwickelt;
€ aus der schier unüberschaubaren Fülle zumeist Produkt bezogener Versuchsergebnisse wer-
den, soweit irgend möglich, allgemeingültige strömungsmechanische Zusammenhänge abge-
leitet,
€ und schließlich werden Strategien beschrieben, nach denen sich diese einzelnen Ergebnisse
sinnvoll zu einem Ganzen zusammensetzen lassen.

Wie in den voran gegangenen vier Auflagen wird die Aerodynamik von Personenwagen und
Nutzfahrzeugen, von Rekord-, Sport- und Rennautos sowie von Motorrädern in allen ihren
Teilaspekten dargestellt. Neu hinzu gekommen ist der Schutzhelm; seine Aerodynamik ist
gleichsam Fahrzeugaerodynamik en miniature. Neben der Umströmung wird auch die Durch-
strömung des Fahrzeugs beschrieben; im wesentlichen geht es dabei um Motor- und Fahr-
gastraum. Wegen der engen Kopplung von Um- und Durchströmung ist deren simultane Be-
trachtung geboten; beide werden zudem mit der gleichen Methodik bearbeitet, im Windkanal
ebenso, wie auf dem Rechner.
Die Darstellung beschränkt sich aber nicht auf die Aerodynamik im engeren Sinne. Vielmehr
werden die angrenzenden Gebiete, auf die sie Einfluss nimmt oder denen sie dient, mit einbe-
zogen. Dabei geht es bei der Umströmung um das Zusammenspiel mit der Längs- und der
Querdynamik. Und mit den verschiedenen Durchströmungen werden die wärmetechnischen
Aufgaben erfüllt, sei es die Kühlung der Aggregate oder die Klimatisierung des Innenraums.
Trotz großer Fortschritte in der numerischen Aerodynamik stützt sich die empirische Arbeits-
weise noch immer stark auf das Experiment. Und das verlangt nach einer geeigneten Ver-
suchstechnik. Diese wird ausführlich abgehandelt. In ihrem Mittelpunkt steht der Windkanal,
der %klassische" und die davon abgeleiteten, spezialisierten Bauformen. Deren Eigenschaften
müssen im Zusammenhang mit den ihnen eigenen Simulationsdefiziten gesehen werden. Nur
wenn letztere quantifiziert werden können, sind die in ihnen erarbeiteten Versuchsergebnisse
richtig zu bewerten. Es werden aber auch Testverfahren außerhalb des Windkanals beschrie-
ben, natürlich die auf der Straße, dann aber auch solche in Wasser … im Wasserkanal und in
der Schlepprinne. Schließlich wird die Messtechnik vorgestellt, die sich um das große
Versuchsspektrum herum entwickelt hat.
Eingehend wird die numerische Aerodynamik behandelt. Auch wenn ihr noch Defizite anhaf-
ten, die Fortschritte, die in jüngster Zeit erzielt wurden, haben dazu geführt, dass numerische
Verfahren (CFD) im Zuge von Entwicklungsprojekten vermehrt eingesetzt werden. Zielvor-
stellung ist es, die Form mit numerischen Verfahren zu optimieren … auch das erfolgt empirisch
… und mit dem sich daran anschließenden Experiment sowohl die Rechnung zu verifizieren als
auch das Ergebnis zu verfeinern.
Das vorliegende Buch wendet sich an Automobilingenieure in der Industrie, in Forschung und
Lehre, in den Technischen Überwachungsvereinen und Behörden und nicht zuletzt an Studen-
ten. Fahrzeugtechniker … Konstrukteure, Versuchs- und Berechnungsingenieure … sollen eben-
so angesprochen werden wie Aerodynamiker, die aus anderen Branchen kommen. Es richtet
sich aber auch an Designer und an Fachjournalisten sowie an von der Technik begeisterte
Automobilisten.
Vorwort VII
Die einzelnen Kapitel sind so angelegt, dass jedes für sich allein verständlich ist. Vertiefte
Kenntnisse der Aerodynamik werden nicht vorausgesetzt; die relevanten Grundlagen werden
in einem gesonderten Kapitel aufbereitet. Wenn es an der einen oder anderen Stelle zu Über-
schneidungen kommt, so ist das kein Nachteil; die Redundanz dient vielmehr der Verknüpfung
der einzelnen Sachgebiete, auch der Wiederholung und der Vertiefung.
Die Literaturhinweise sind nach Kapiteln geordnet. Bei ihrer Auswahl ging es nicht um Voll-
ständigkeit per se … dies ist Sache einer Datenbank … sondern vielmehr darum, die wesentli-
chen 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 Ab-
schnitt 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
Lehrgang, den sie auf Anregung von Herrn Dr. Heinrich Hahn 1978 im Haus der Technik in
Essen veranstalteten. Die erste Auflage erschien 1981; sie wurde ins Russische und Polnische
übersetzt. Danach ist das Buch laufend erneuert und erweitert worden. Im Wechsel zwischen
Englisch … %Aerodynamics of Road Vehicles" … und Deutsch … %Aerodynamik des Automo-
bils" … folgten drei weitere Auflagen. Die hier vorliegende fünfte, nun wieder deutsche Ausga-
be, bietet gegenüber der 4th Edition eine umfassende Überarbeitung, die nicht zuletzt durch die
Fortschritte in der numerischen Aerodynamik erforderlich wurde.

Schondorf am Ammersee, im Sommer 2005 Wolf-Heinrich Hucho
VIII
Zu diesem Buch
Dieses Buch ist ein Gemeinschaftswerk; getragen wird es von den Autoren. Diesen sei sehr
herzlich für ihre Mitarbeit gedankt. Ohne die Bereitschaft, neben ihrer starken beruflichen
Beanspruchung ausführliche Beiträge zu verfassen und dabei auf die Konzeption des Heraus-
gebers einzugehen, wäre diese Neuauflage nicht zustande gekommen. Darüber hinaus haben
zahlreiche Fachleute aus dem In- und Ausland zur Aufbereitung des Stoffes beigetragen, in-
dem sie aktuelle Informationen zur Verfügung stellten. Sie alle seien in den Dank des Heraus-
gebers eingeschlossen.
Dass jedoch die 5. Auflage dieses Buches überhaupt in Angriff genommen werden konnte, das
haben die folgenden Firmen ermöglicht:
Audi AG
Behr GmbH & Co. KG
BMW AG
DaimlerChrysler AG
Engineering Center Steyr GmbH & Co. KG
Flowmaster GmbH
Ford Werke GmbH
Fluent Deutschland GmbH
Modine Europe GmbH
Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG
SBI Schreiber, Brand u. Partner Ingenieurgesellschaft mbH
Volkswagen AG

Herrn Professor Jochen Wiedemann gebührt das Verdienst, die Initiative zu dieser Form des
%Sponsoring" ergriffen und die Firmen zu ihren Beiträgen motiviert zu haben. Sponsoren und
Initiator sei dafür vielmals gedankt.
Ohne die Hilfe meiner Söhne Sönke und Michael sowie meines Schwiegersohns Dr.-Ing. Dirk
Geyer bei meiner Auseinandersetzung mit dem PC wäre das Manuskript nicht zustande ge-
kommen. Auch ihnen schulde ich großen Dank. Ebenso meiner Frau, Irmgard, für ihre ständi-
ge Ermutigung, das Buch zu Ende zubringen und natürlich auch für das Lesen der Korrektur.
Last not least geht mein Dank an Herrn Ewald Schmitt, Programmleiter Technik im Vieweg
Verlag: für sein Engagement, mit dem er dieses Projekt förderte, für seine Langmut, wenn es
um die Streckung von Terminen ging, für die motivierende Zusammenarbeit und für die sach-
gerechte Ausstattung des Buches.
IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
Wolf-Heinrich Hucho
1.1 Aufgabenstellung................................................................................................. 1
1.1.1 Grundzüge der Automobil-Aerodynamik.............................................. 1
1.1.2 Eigenheiten der Fahrzeugaerodynamik.................................................. 10
1.1.3 Angrenzende Fachgebiete...................................................................... 13
1.2 Geschichtliche Entwicklung................................................................................ 15
1.2.1 Vorschau................................................................................................ 15
1.2.2 %Geborgte" Formen................................................................................ 17
1.2.3 Stromlinienformen................................................................................. 19
1.2.4 Erste Parametervariationen.................................................................... 33
1.2.5 Das Kamm-Heck.................................................................................... 34
1.2.6 Metamorphose von der Kutsche zum Automobil................................... 37
1.2.7 Die Ponton-Karosserie........................................................................... 38
1.2.8 Einvolumen-Körper............................................................................... 41
1.2.9 Schräganströmung und Richtungsstabilität............................................ 45
1.2.10 Nutzfahrzeuge........................................................................................ 48
1.2.11 Motorräder und Schutzhelm................................................................... 52
1.2.12 Innere Strömungen................................................................................. 53
1.3 Entwicklungsstrategien........................................................................................ 54
1.3.1 Detailoptimierung.................................................................................. 54
1.3.2 Formoptimierung................................................................................... 56
1.3.2.1 Strategie................................................................................... 56
1.3.2.2 Grundkörper............................................................................ 57
1.3.2.3 Entwicklung der Form............................................................. 59
1.4 Gegenwart und zukünftige Trends...................................................................... 62
1.4.1 Stand der Technik.................................................................................. 62
1.4.2 Entwicklungsaufwand............................................................................ 68
1.5 Aerodynamik und Design.................................................................................... 69
1.6 Bezeichnungen.................................................................................................... 77

2 Einige Grundzüge der Strömungsmechanik
Dietrich Hummel
2.1 Stoffeigenschaften inkompressibler Fluide......................................................... 79
2.1.1 Dichte..................................................................................................... 79
2.1.2 Viskosität............................................................................................... 79
2.1.3 Wärmeleitfähigkeit................................................................................. 80
2.2 Strömungsprobleme an Kraftfahrzeugen............................................................. 80
2.2.1 Umströmung........................................................................................... 81
2.2.2 Durchströmung....................................................................................... 82
2.3 Umströmungsprobleme....................................................................................... 82
2.3.1 Grundgleichungen für reibungslose, inkompressible Außenströmung.. 82
2.3.2 Anwendungsbeispiele............................................................................ 83
2.3.3 Reibungseinflüsse.................................................................................. 85