Table Of ContentAerodynamik 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
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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
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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
