Aerodynamik des Automobils: Strömungsmechanik, Wärmetechnik, Fahrdynamik, Komfort
Abstract
Leistung, Fahrverhalten und Komfort eines Automobils werden nachhaltig von seinen aerodynamischen Eigenschaften bestimmt. Ein niedriger Luftwiderstand ist die Voraussetzung dafür, dass die hochgesteckten Verbrauchsziele erreicht werden. Die Aerodynamik des Automobils ist 1981 erstmalig erschienen und ist seitdem zu einem Standardwerk geworden. Sie gilt als Pflichtlektüre für jeden neuen Mitarbeiter in der Aerodynamik. Der Stoff ist von Praktikern erarbeitet worden, die aus einer Vielzahl von Versuchen strömungsmechanische Zusammenhänge ableiten und Strategien beschreiben.
Chapters (4)
Die Umströmung des Fahrzeugs führt nicht nur zu einem Widerstand, sondern auch zu weiteren Luftkräften und Momenten, und diese haben Einfluss auf die Fahrstabilität. Bei hoher Fahrgeschwindigkeit sind deren Auswirkungen auf den Fahrkomfort spürbar, und im Extremfall sind auch Sicherheitsaspekte betroffen. Der eigene Fahrtwind erzeugt eine Auftriebskraft und ein Nickmoment. Daraus resultieren veränderliche Radlasten und als Folge davon geänderte Haftbedingungen der Reifen. Das Wechselspiel dieser Kräfte und Momente am Fahrzeug beeinflusst sowohl dessen Richtungsstabilität bei Geradeausfahrt wie auch sein Eigenlenkverhalten bei Fahrtrichtungsänderungen.
Die Schallemission von Kraftfahrzeugen setzt sich im Wesentlichen aus dem Antriebsgeräusch, dem Reifen-Fahrbahn-Geräusch und dem Umströmungsgeräusch zusammen. Bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten und hoher Motorbelastung dominiert das Antriebsgeräusch. Bei geringer Motorbelastung liefert schon bei kleinen Geschwindigkeiten das Reifen-Fahrbahn-Geräusch den größten Beitrag zum Gesamtgeräusch. Selbst bei Volllastbeschleunigung kann dieses Geräusch wegen des bisweilen starken Anstiegs der Geräuscherzeugung bei hohen Zugkräften am Reifen eine dominierende Rolle spielen. Mit weiter zunehmender Fahrgeschwindigkeit gewinnen die Umströmungsgeräusche des Fahrzeugs wesentlich an Bedeutung, weil ihre Schallleistung mit der fünften bis sechsten Potenz der Geschwindigkeit zunimmt, während der Anstieg des Reifen- Fahrbahn-Geräusches allgemein nur mit der dritten bis vierten Potenz erfolgt.
Als Gottlieb Daimler am 29. August 1885 — ein Jahr vor der Erfindung des Automobils durch Carl Benz — das Deutsche Reichspatent Nr. 36423 für sein auch „Reitwagen“ genanntes hölzernes „Fahrzeug mit Gas- bzw. Petroleum-Kraftmaschine“, Bild 9.1, erhielt1, waren die Grundlagen der Stabilisierung von Einspurfahrzeugen trotz der kurz zuvor schon erfolgten Entwicklung des Nieder(fahr)rades (1884) aus dem ansonsten aber noch verbreiteteren Hochrad noch nicht erforscht. Erst um 1898 erschienen die ersten wissenschaftlichen Publikationen von Bourlet (1898) und Whipple (1898), die sich mit der Fahrdynamik von nicht motorisierten Zweiradfahrzeugen auseinander setzten. So verließ sich Daimler bei seinem Motorrad, mit dem er zunächst wohl im wesentlichen die grundsätzliche Möglichkeit der Motorisierung eines Fahrzeuges durch einen Verbrennungsmotor unter Beweis stellen wollte, nicht ausschließlich auf die Einspurigkeit seines Gefährts, sondern stellte dessen eisenbereiften Holzrädern zwei seitliche Stützräder zur Seite, um Kippstabilität zu gewährleisten. Gleichwohl wies dieses erste, nicht in Serie gebaute Motorrad der Welt in etlichen Details bereits die Merkmale und Proportionen heutiger Motorräder auf.
Seit über 100 Jahren wird auf Motorrädern Kopfschutz getragen. Anfangs wurden Leinen- und Lederkappen benutzt, bei denen der Windschutz im Vordergrund stand, dann Halbschalenhel-me, Jethelme und seit den späten 1960er Jahren Integralhelme. 1958 wurde in Deutschland mit der DIN 4848 die erste Norm zur Prüfung von Kraftfahrer-Schutzhelmen verabschiedet. 1975 wurde diese Norm durch eine europäische Norm, die Norm ECE-R 22.01, abgelöst, die in regelmäßigen Abständen überarbeitet wird. Zur Zeit gilt die ECE-R 22.051.
... But also on complex geometries as passenger cars, the crossflow separation pattern is of interest. It can, under certain circumstances, be found along inclined sharp and rounded edges as for instance the A and C-pillar [12][13][14][15][16][17][18] or behind the antenna [19][20][21]. While the rear end flow of generic and realistic vehicle geometries is studied quite widely (for instance in [18,[22][23][24][25][26]), the flow around the A-pillar has received less attention. ...
The flow around passenger cars is characterized by many different separation structures, typically leading to vortices and areas of reversed flow. The flow phenomena in these patches show a strong interaction and the evolution of flow structures is difficult to understand from a physical point of view. Analyzing surface properties, such as pressure, vorticity, or shear stress, helps to identify different phenomena, but still it is not well understood how these are created. This paper investigates the crossflow separation (CFS) on the A-pillar of a passenger car using numerical simulations. It is discussed how the CFS and the resulting A-pillar vortex can be identified as well as how it is created. Additionally, the vortex strength is determined by its circulation to understand and discuss how the vortex preserves until it merges with the rear wake of the vehicle.
... General information of aerodynamic principles is treated in detail in the relevant literature, e.g. (5). ...
The optimization of aerodynamic drag represents an important research area for the fuel consumption reduction of heavy duty commercial vehicles. Today’s design of tractor-trailers in the European Community is significantly influenced by legislative boundary conditions regarding the overall vehicle dimensions of the entire tractor and trailer arrangement. This fact in combination with the target of high transport efficiency leads to brick-shaped vehicle outer geometries. In this way, the investigations of aerodynamic optimization at commercial vehicles are restricted to detail measures. Already performed investigations related to this topic are discussed in literature, (6), (7).
The present publication treats the aerodynamic characteristics of general modifications at the outer contour of heavy duty tractor-trailers regarding a reduction of drag resistance and thus a potential reduction of fuel consumption under steady state conditions on highway traffic. The research activities considered the European legislation for maximum vehicle dimensions and weight.
A generic, virtual three dimensional computer aided design (3D-CAD) semi-trailer truck, which displayed the characteristics of market-typical vehicles, served as a basis for several modifications. All geometrical modifications at the virtual reference vehicle were investigated and assessed by three dimensional computational fluid dynamics (3D-CFD) simulations. To get a better conclusion, the fuel consumption of each modified tractor-trailer was calculated in longitudinal vehicle dynamics simulations.
As a result of the present work, different aerodynamic optimization measures were assessed and evaluated in comparison with the reference vehicle under consideration of the transport volume. The research work demonstrates the big potential of aerodynamic optimization by application of general measures at the vehicle outer contour under compliance with the European legislative boundary conditions. As additional conclusion, the present work points out the different areas of a semi-trailer truck with respect to the potential of aerodynamic optimization. The achieved improvements can lead to a reduction of fuel consumption, which encloses both, optimized operating costs for carriers as well as reduced carbon dioxide (CO2) emissions which support the intentions to environmental friendly road transport.
... The aerodynamic behaviour of vehicles directly influences the air resistance and thus the overall driving resistance. In case of automobiles, the drag is one of the important influencing factors of the fuel consumption [3]. In addition, the aerodynamic lift has an important influence on vehicle driving behaviour, especially at higher vehicle speed. ...
Conceptual automotive development processes are characterized by a wide range of different working fields and influencing factors, which leads to the participation of diverse departments and disciplines. An optimized interaction of the involved parties based on efficient collaborative development processes, using computer aided tools, methods and strategies states an important factor for a successful development. The present publication focuses on the optimization of aerodynamic investigations in conceptual vehicle development. The main characteristics of aerodynamics are determined during initial development phases, because the early vehicle styling process defines the general shape of the car's outline. An early optimization of the vehicle main shape by use of computational simulation methods enables the effective consideration of aerodynamic requirements during the exterior styling development phase. This procedure enables a reduction of modification effort in subsequent engineering processes.
Racing vehicles should be able to accelerate as strongly as possible, reach high speeds and also perform rapid changes of direction. One thinks primarily of the propulsive power of the engine, low masses and resistance, and the grip of the tires. But braking is also acceleration, albeit negative, and at least as important for low (lap) times as positive acceleration.
Whereas at the beginning of racing car development the influence of the air on a vehicle was of neglected or secondary importance, today aerodynamics is the determining development tool in most racing series, to which everything else is subordinated.
With the increase of stringent emission standards and higher road transportation cycles in the last few decades, the importance of transport and fuel efficiency plays a major role. The aerodynamic forces on trucks have a huge impact of the overall fuel consumption rate. For a 40 tonnes semi-trailer truck at 85 km/h on a flat highway, around 40% of the provided engine power is needed to overcome the air resistance (Hucho in Aerodynamik des Automobils. Vieweg + Teubner, Wiesbaden, [1]). An efficient way to reduce the aerodynamic drag of trucks is to build a platoon of trucks. To assess the potential of a truck platoon due to slipstream effect, computational fluid dynamic (CFD) simulations were conducted. The simulations were performed for a platoon with three trucks for different constant velocities at different inter-vehicle distances. The results are summarised in a normalised drag coefficient and fuel reduction map. As a limiting factor of platooning, the thermal management aspect must be considered, because the slipstream reduces the air mass flow through the engine compartment. This aspect of reduced air mass flow through the engine compartment was analysed as well.
In der Anfangszeit des Automobils wurde die Karosserie – dem Beispiel des Kutschenbaus folgend – auf einem Rahmengestell befestigt. Diese Bauweise findet man heute nur noch bei Lastkraftwagen und großen Off-Road-Fahrzeugen. Im Bereich der Personenwagen hat sich die selbsttragende Karosserie durchgesetzt. Sie wurde 1935 von Opel erstmalig mit dem Modell Olympia in der Großserie eingeführt. Die Innovation bestand darin, dass die Karosserie für sich komplett vorgefertigt wurde. Anschließend wurden die restlichen Komponenten wie Motor, Kupplung, Getriebe, Vorder- und Hinterachse sowie der Auspuffanlage direkt an der Karosserie befestigt und zum Fahrzeug komplettiert. Damit ist die selbstragende Karosserie der wichtigste Aggregateträger, die zudem noch vielen Anforderungen gerecht werden muss.
Different vehicle manufacturers mount an air dam on the vehicle undercarriage just in front of the wheels. For better understanding of the noise generation mechanisms and flow induced vibrations directly at their source region, the acoustical effects in the interior of the vehicle will be correlated by the University of Applied Sciences Duesseldorf and BMW with the pressure fluctuations of the exterior of the vehicle. Steady state CFD calculations in the area of the rotating front wheel will be carried out for the positioning of the surface microphones and for a better understanding of the flow topology.
Einige Prüfstände der Audi AG und deren Spezifikationen sowie Aufgaben werden beschrieben. Diese sind ein Klimawindkanal (Bj. 2007) und eine Klimakammer (Bj. 1971). Für einen Prüfstand zur Messung der Heizung, Lüftung und Klimaanlage werden Hinweise zur Auswertung von Messungen gegeben. Dies betrifft insbesondere die Ermittlung von Massen- und Wärmeströmen an Heizungswärmeübertragern und Verdampfern. Hierzu werden Beispiele aus der Praxis genannt. Ein Prüfstand für komplette Kältemittel-Kreisläufe mit alternativen Kältemitteln ist ähnlich aufgebaut und wurde erweitert. Mit einem sehr einfachen Prüfstand können mit der Innendruckmethode die Luftmassenströme durch den Fahrgastraum ermittelt werden. Die Möglichkeiten der Innendruckmethode werden dargestellt. Eine Beregnungsanlage mit einer schwenkbaren Hebebühne wird gezeigt und die Prüfvorschriften werden genannt.
Die Aerodynamik ist im Hochleistungsrennsport zum dominierenden Wettbewerbsfaktor geworden. In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Kennwerte zur Beschreibung aerodynamischer Eigenschaften eines Fahrzeugs eingeführt, und ihr Einfluss auf die Fahrdynamik wird erläutert. Mithilfe dieser Kennwerte wird verdeutlicht, in welchen Dimensionen sich das aerodynamische Verhalten eines Rennfahrzeugs von dem eines Serienfahrzeugs unterscheidet. Im weiteren Verlauf des Kapitels werden dann Funktion und Zusammenspiel der aerodynamischen Komponenten eines Rennfahrzeugs beschrieben.
War es am Anfang der Rennfahrzeugentwicklung noch von vernachlässigter bzw. untergeordneter Bedeutung, welche Einflüsse die Luft auf ein Fahrzeug hat, so ist die Aerodynamik heute in den meisten Rennserien das bestimmende Entwicklungsinstrument, dem alles andere untergeordnet wird.
Rennfahrzeuge sollen möglichst stark beschleunigen können, hohe Geschwindigkeiten erreichen und auch rasche Richtungswechsel durchführen können. Man denkt dabei in erster Linie an die Antriebskraft des Motors, an geringe Massen und Widerstände und an die Haftung der Reifen. Aber auch das Bremsen ist eine Beschleunigung, wenn auch eine negative, und mindestens genauso wichtig für geringe (Runden-)Zeiten wie positive Beschleunigung.
To ensure safety and usability of automotive user interfaces, prospective validations during early prototyping stages are important, especially when developing innovative human-cockpit interactions (HCI). Real car driving studies are difficult to control, manipulate, replicate, and standardize. Additionally, compared to other study designs, they are also time consuming and expensive. One economizing approach is the implementation of immersive driving environments in simulator studies to provide users a more realistic awareness of the situation. Using simulator test environments puts the question of driving simulator validity forward, meaning the extent to which results generated in simulated environments can be transferred to real world environments. Thus, in this chapter the ‘Immersive model-based HCI validation method’, which was developed by the authors, will be introduced. First, the state of the art of driving simulators will be analyzed. For this, the authors defined the degree of fidelity based on the used elements. Next, findings of a series of driving simulator tests will be presented, which investigate the influence of immersive parameters in driving environments. Visual and auditory immersive parameters were used to analyze the validity of driving simulator environments, as well as different technologies (HMD, holobench, PC). Different levels of immersion (from low to high fidelity) were tested to examine this methodology. Thus, main intention was to demonstrate the generalizability and transferability of the ‘Immersive model-based HCI validation method’ for different use cases. Objective and subjective data show advantages regarding the situational awareness and perception for highly immersive driving environments while interacting with a navigation system.
This chapter is an introduction to lateral vehicle dynamics and steady and dynamic
cornering
. Basic discussions will serve to analyse the essential factors influencing the lateral vehicle dynamics of a car and the steering
wheel
angle and torque indicated by the driver. Models are required for a more detailed analysis, they expand upon the fundamental relationships for slow
and fast
cornering
(see Chap. 2). Steady-state circular driving will be discussed based on the linear single track model. This leads to dynamic
cornering
. We do this the classic way by applying analytic equations. Their big advantage is that the relationships may be easily understood. When the effects of shifting the dynamic
wheel load will be included, the single track model has to be extended
into a Dual-track model. This is usually done using numerical simulations, because closed
equations serve little to illustrate these relationships.
Die Fahrzeugphysik stellt die Vernetzung von physikalisch- technischen Aufgaben an den Fahrzeugentwickler dar.
Beispielhaft zeigt Abb. 3.1 die Anforderungen an die Karosserie, d. h. bauteilbezogen [1] und Abb. 3.2 die funktionsbezogene Vernetzung unterschiedlicher Anforderungen an das Gesamtfahrzeug und für die einzelnen Subsysteme [2]. Die physikalischen Grundgesetze und deren Auswirkungen auf die verschiedenen Teilgebiete sind bei der Auslegung des Fahrzeuges besonders zu berücksichtigen. Analog gilt dies auch für Fahrzeuge mit reinem Elektromotor (Batterie oder Brennstoffzelle).
In ihrem Vorwort charakterisieren die Herausgeber die Produktentstehung sehr treffend als einen hochkomplexen Prozess, dessen Gestaltung und Optimierung immer größere Bedeutung gewinnt. Letztendlich muss dieser Prozess termingerecht zu einem Fahrzeug führen, das für die Zielkunden so attraktiv ist, dass sie es zu einem Preis erwerben wollen, der mit den Renditevorstellungen des Automobilunternehmens im Einklang steht und damit dessen Wettbewerbsfähigkeit sichert Abb. 11.1 umreißt einen Produktentstehungsprozess schematisch.
In der Anfangszeit des Automobils wurde die Karosserie – dem Beispiel des Kutschenbaus folgend – auf einem Rahmengestell befestigt. Diese Bauweise findet man heute nur noch bei Lastkraftwagen und großen Off-Road-Fahrzeugen. Im Bereich der Personenwagen hat sich die selbsttragende Karosserie durchgesetzt. Sie wurde 1935 von Opel erstmalig mit dem Modell Olympia in der Großserie eingeführt. Die Innovation bestand darin, dass die Karosserie für sich komplett vorgefertigt wurde. Anschließend wurden die restlichen Komponenten wie Motor, Kupplung, Getriebe, Vorder- und Hinterachse sowie der Auspuffanlage direkt an der Karosserie befestigt und zum Fahrzeug komplettiert. Damit ist die selbstragende Karosserie der wichtigste Aggregateträger, die zudem noch vielen Anforderungen gerecht werden muss [1]. Sie reichen von konsequentem Leichtbau über wirksamen Insassen- und Fußgängerschutz bis hinzu attraktivem Aussehen.
Die Längsdynamik beschäftigt sich mit den Kräften und Bewegungen in die Fahrzeuglängsrichtung. Hier werden die Widerstände analysiert, die ein Fahrzeug während der Fahrt überwinden muss. Ausgehend von dem Gedanken einer durch die Leistung definierten Antriebsquelle wird das ideale Antriebskennfeld definiert und mit real existierenden Antriebsquellen verglichen. Da diese, zumindest im Falle des Verbrennungsmotors, stark voneinander abweichen, werden Kennungswandler vorgestellt, mit deren Hilfe reale Antriebskennfelder erarbeitet werden. Weiterhin werden die möglichen Fahrleistungen, basierend auf der Antriebskennung, und die Fahrgrenzen, basierend auf dem Kraftschlussbeiwert, definiert.
Dieses Kapitel versetzt den Leser in die Lage, die Bedarfskräfte und –leistung eines Fahrzeugs zu quantifizieren, er wird in der Lage sein, die Auswirkungen von Änderungen am Fahrzeug auf die Fahrleistung und Fahrgrenzen zu bestimmen.
Static wind tunnel experiments with a 1:4 scale realistic passenger car model called DrivAer were carried out under variation of yaw angle β between 0° and ± 10°. The investigation considered fastback and notchback geometries. The flow field behaviour was examined through force measurements, time resolved surface pressure measurements, and surface flow visualizations.
Kraftfahrzeuge
sind selbstfahrende, maschinell angetriebene Landfahrzeuge, die nicht an Gleise gebunden sind. Sie dienen dem Transport von Personen und Gütern und sind die Basis für eine weiträumige und feingliedrige Arbeitsteilung. Sie erlauben die vielfältig differenzierte Darstellung von Statusansprüchen. Sie dienen auch dem Vergnügen. Eine fast unübersehbare Vielfalt von Varianten und speziellen Ausführungen ist entstanden.
State-of-the-art vehicles already show an aerodynamically well improved bodywork with high-level efficiency. To further improve the aerodynamic drag, one potential area is the interaction between the underhood and the external flow. This study presents an experimental and numerical investigation of the interference effects of the cooling-air flow with the external-aerodynamics. Extensive measurements, like forces and total-pressure were accomplished. A simple dependency between drag and cooling-air mass-flow is derived, which will help for daily wind-tunnel work.
Targets for reducing emissions and improving energy efficiency present the automotive industry with many challenges. Passenger cars are by far the most common means of personal transport in the developed part of the world, and energy consumption related to personal transportation is predicted to increase significantly in the coming decades. Improved aerodynamic performance of passenger cars will be one of many important areas which will occupy engineers and researchers for the foreseeable future. The significance of wheels and wheel housings is well known today, but the relative importance of the different components has still not been fully investigated. A number of investigations highlighting the importance of proper ground simulation have been published, and recently a number of studies on improved aerodynamic design of the wheel have been presented as well. This study is an investigation of aerodynamic influences of different tires. Two different tire models were investigated in combination with three different wheel designs using the Volvo Aerodynamic Wind Tunnel; including moving ground and rotating wheels. In addition to force measurements, flow field investigations were also performed using both surface pressure probes and 12-hole pressure probes. The tire sizes investigated in this study were 215/50R17 and 215/55R16. An investigation of changes to the tire geometry for 215/55/R16 tires was also performed using two high speed cameras in the wind tunnel. Results show that different tire types have a significant effect on not only aerodynamic drag, but also on lift to some extent. Drag differences between 5 - 10 drag counts were measured depending on wheel and vehicle configuration. It was also concluded that the drag difference between tire types was dependent on wheel design. The flow field investigations showed noticeable changes to the front wheel wake structures as well as significant changes in the rear wheel and base wake structures. Investigations of the tire deformations showed changes in wheel lift, as well as radial expansion and axial compression correlating with the observed drag changes.
During the past years the relevance of zero emission vehicles has grown steadily. A low- drag design of electric vehicles is mandatory to satisfy the cruising range needs. The cooling air drag accounts for an important part of the total drag. At the same time, the cooling requirements of electric vehicles differ from the cooling needs of internal combustion engine vehicles. In this paper, we describe these differences and suggest a systematic approach for the optimization of the cooling duct system of electric vehicles with regard to the internal drag and the interference drag. The optimization will be performed both experimentally in the wind tunnel and numerically through a topology optimization based on the adjoint method.
Wasserstoff ist ein Grundelement der (petro-)chemischen Industrie. Darüber hinaus ist der Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge in der Erprobung. Er soll helfen, insbesondere Treibhausgasemissionen zu reduzieren und andere lokale Emissionen zu vermeiden. Zur deren Quantifizierung müssen neben den Umwelteffekten verursacht durch den Betrieb des Fahrzeugs auch die der Herstellung des Treibstoffs berücksichtigt werden. Deshalb ist es das Ziel dieser Untersuchung, eine Lebenszyklusanalyse für Möglichkeiten einer Wasserstoffmobilität in Deutschland zu analysieren. Dazu werden exemplarisch für die Wirkungskategorien „Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt“ und „Versauerung terrestrischer Ökosysteme“ sowie Stickoxidemissionen zehn Mobilitätsoptionen auf der Basis von Wasserstoff und weiteren Treibstoffen – jeweils im Verlauf des gesamten Lebensweges – untersucht. Dies beinhaltet neben der Nutzung des Fahrzeugs für die Erbringung der gewünschten Transportdienstleistung dessen Herstellung und Entsorgung sowie die Bereitstellung des jeweiligen Kraftstoffs. Dabei liegt der Untersuchungsschwerpunkt bei der Wasserstoffherstellung, da diese ergebnisbestimmend ist. Die Resultate zeigen u. a., dass im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen bei der Verwendung erneuerbarer Energien zur Wasserstofferzeugung Treibhausgasemissionen reduziert und Emissionen mit versauernder Wirkung zunehmen können.
The DELIVER project aims to explore urban light duty vehicle (LDV) concepts intended for larger scale production by executing a broad scope conceptual design study which will start by establishing initial design specifications and continue to a detailed prototype-based and virtual performance assessment and a running concept demonstrator vehicle.The project is focusing on the rules of the design of fully electric light duty vehicles to be launched by 2020. It will build upon the progress made and foreseen in each of the subsystems or main components that are to be integrated into the fully electric LDV through networking with complementary R&D projects, as well as with the support of a multi stakeholder advisory board consisting of high level representatives of Europe's cities, large urban delivery fleet owners and others.This paper summarises the starting point of the project given by a comprehensive state-of-the-art analysis for light duty vehicles and drivetrain electrification aspects. The research and development phase of the project, which is outlined in the second part of the paper, has started in November 2011.
Using computer simulations to determine the aerodynamic properties of motor vehicles has become a common and accepted method. Improved forecasts with continually reduced time expenditure are crucial factors of this process. However, at Volkswagen, the Exa Corp. PowerFLOW simulation program, a Lattice-Boltzmann procedure, has proven to be essential.
Wind noise plays a deciding role today in reaching a high level of interior comfort within premium vehicles. Until now, wind noise was optimized using small incremental changes in such a manner that no subjectively measured noise sources had a large influence on the passengers. In the concept phase of the development of a vehicle, while the layout of the vehicle geometry is being developed, the incorporation of new testing and simulation techniques is essential. Above all the correlation between flow effects and noise must be determined. The BMW Group acoustic wind tunnel was used in cooperation with the firm Horiba ATS to develop and install a balance module that opens entirely new possibilities to solve for aeroacoustic effects.
The drag coefficient of cars is gradually falling to the level of cd = 0.25, but its progress is so hesitant that you could be forgiven for thinking that this figure represented a limit set by the laws of physics. It will be demonstrated how the apparent obstacle can be overcome. A further cut in fuel consumption can be achieved if the reduction in drag is accompanied by the corresponding use of lightweight structures and a specially designed powertrain.
Ganz allmählich nähert sich der Luftwiderstand von Pkw dem Wert cW = 0,25. Jedoch so zögerlich, dass man meinen könnte, diese Zahl bilde eine von der Physik vorgegebene Grenze. Im Folgenden wird gezeigt, wie diese scheinbare Hürde überwunden werden kann. Die damit erreichbare Verbrauchsminderung lässt sich steigern, wenn man den Widerstandsabbau durch konsequenten Leichtbau und einen optimal angepassten Triebstrang flankiert.
Das Windgeräusch spielt eine entscheidende Rolle beim Innengeräuschkomfort. Bis jetzt wird durch Feinschliffmaßnahmen das Windgeräusch so optimiert, dass keine subjektiv wahrnehmbaren Störgeräusche auf die Insassen wirken. Um in der Konzeptgestaltung eines Fahrzeugs die entscheidenden Komponenten auszulegen, ist der erweiterte Einsatz von neuen Versuchs- und Simulationsmethoden erforderlich. Für den Akustikwindkanal der BMW Group wurde dazu in Zusammenarbeit mit Horiba ATS eine Modulwaage entwickelt und installiert, die für die Lösung von aeroakustischen Aufgaben völlig neue Möglichkeiten eröffnet.
Einige Prüfstände der Audi AG und deren Spezifikationen sowie Aufgaben werden beschrieben. Diese sind ein Klimawindkanal (Bj. 2007) und eine Klimakammer (Bj. 1971). Für einen Prüfstand zur Messung der Heizung, Lüftung und Klimaanlage werden Hinweise zur Auswertung von Messungen gegeben. Dies betrifft insbesondere die Ermittlung von Massen- und Wärmeströmen an Heizungswärmeübertragern und Verdampfern. Hierzu werden Beispiele aus der Praxis genannt. Ein Prüfstand für komplette Kältemittel-Kreisläufe mit alternativen Kältemitteln ist ähnlich aufgebaut und wurde erweitert. Mit einem sehr einfachen Prüfstand können mit der Innendruckmethode die Luftmassenströme durch den Fahrgastraum ermittelt werden. Die Möglichkeiten der Innendruckmethode werden dargestellt. Eine Beregnungsanlage mit einer schwenkbaren Hebebühne wird gezeigt und die Prüfvorschriften werden genannt.
Unter dem Begriff Fahrgeräusch werden nachstehend alle Geräusche im subsumiert, welche direkt mit der Fortbewegung des Fahrzeugs
korreliert sind. Hauptgeräuschquellen des Fahrgeräusches sind das Antriebsgeräusch sowie Wind- und Rollgeräusche (Bild 8-1). Das Fahrgeräusch im Fahrzeug-Innenraum setzt sich sowohl aus Anteilen zusammen, die als direkter Luftschall (LS) emittiert
werden, als auch aus solchen, die durch Körperschall (KS) übertragen und erst von der Karosserie als sekundärer Luftschall
in den Fahrzeuginnenraum abgestrahlt werden. Im Gegensatz dazu spielen für das Außengeräusch in der Vorbeifahrt nach Kapitel
14 die Körperschallpfade in den Fahrzeuginnenraum keine Rolle.
„Was ist wichtiger, ein niedriger C
W
- Wert oder ein attraktives Design?“ Fragen dieser Art gehören zum Glück der Vergangenheit an. Oder vielleicht doch nicht? Denn frei von Spannungen ist
das Verhältnis von Design und Aerodynamik auch heute keineswegs. Spannungen müssen aber nicht schädlich sein. Im Gegenteil,
sie dienen dazu, Kreativität freizusetzen. Und die ist vonnöten, um der lauernden Gefahr des langweiligen Einerlei zu entrinnen.
In diesem Kapitel erfolgt eine Einführung in die Querdynamik und in die stationäre und dynamische Kurvenfahrt. Mit zuerst
einfachen Modellbetrachtungen sollen die wesentlichen Faktoren analysiert werden, welche die Querdynamik des Fahrzeugs, aber
auch den vom Fahrer indizierten Lenkradwinkel bzw. das Lenkradmoment, beeinflussen. Ausgehend von den prinzipiellen Zusammenhängen
für die langsame bzw. schnelle Kurvenfahrt (siehe B) werden zur genaueren Analyse Modelle benötigt. Ausgehend vom linearen
Einspurmodell wird die stationäre Kreisfahrt analysiert und auf die dynamische Kurvenfahrt übergeleitet. Dies erfolgt klassisch
mit analytischen Formeln. Der große Vorteil von diesen ist, dass die Zusammenhänge explizit einsehbar sind. Zur Berücksichtigung
der Effekte der Radlastverlagerung muss das Einspurmodell auf ein Zweispurmodell erweitert werden. Dies erfolgt üblicherweise
mit numerischen Simulationsmodellen, da mit geschlossenen Formeln diese Zusammenhänge kaum mehr erschlossen werden können.
The objective of this work was to investigate the influence of changes in geometry of a wall-mounted square cylinder in crossflow on the generated aerodynamic noise. The flowfield and acoustic field of several geometries are obtained and their interaction is analyzed. The results of the subset of geometries investigated indicate that the reduction in turbulent kinetic energy does not necessarily also lead to a reduction in radiated noise. Reducing the fluctuations of the stagnation point in front of the cylinder, maintaining a fixed separation line, and reducing the symmetry of the vortex street and its stability seem to be effective measures for reducing aerodynamic noise, among other known approaches.
The performance of a bobsleigh is significantly affected by its aerodynamic properties. As it is typical for bluff bodies,
the aerodynamic drag of a bobsleigh consists primarily of pressure drag and is dominated by its shape. The shape design of
a bobsleigh is commonly based on intuitive shape modifications resulting from individual experiences of the athletes. This
paper aims to present the process of optimizing the aerodynamic drag with tools used in road vehicle and race car aerodynamics.
The starting point in the process has been the development of a parametric three-dimensional CAD-model including a simplified
shape of the crew. Therewith varying bobsleigh versions have been created taking into account the geometric restrictions given
by the regulations of the international bobsleigh federation (FIBT). Extensive CFD simulations have been performed to examine
the flow and the aerodynamic forces acting on the respective shapes under racing conditions. This method has been applied
in the preliminary design process whereas for the sake of the detail optimization additional wind tunnel tests on a 1:3 model
scale have been performed. This was due to the fact that the examination of minor changes to the bob shape is more time consuming
in CFD than using a proper wind tunnel model. The wind tunnel tests were also used for validating the CFD results. The findings
of the wind tunnel experiments have been incorporated into the CAD model and a final optimized bob shape has been created.
Further wind tunnel tests on a full scale prototype are planned to find out the ideal seat position and posture of the crew
and to validate the previous computational and experimental results.
Key wordsBobsleigh-Aerodynamics-Computational Fluid Dynamics-Wind Tunnel Tests-Sports Engineering
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