Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2633/Fachgruppe MaschinenbaujVerfahrenstechnik
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpriisidenten Heinz Kuhn
vom Minister fur Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Prof. Dr. -lng. Carl Kramer
Prof. Hans-J oachim Gerhardt, M. Sc.
lng. (grad.) Siegfried Scherer
Stromungslaboratorium im Fachbereich Flugzeug- und Triebwerkbau
F achhochschule Aachen
Untersuchungen zur aerodynamischen
Detailoptimierung von Personenkraftwagen mit Hilfe
von Modellversuchen im Windkanal
WESTDEUTSCHER VERLAG 1977
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Kramer, Carl
Untersuchungen zur aerodynamischen Detailopti
mierung von Personenkraftwagen mit Hilfe von
Modellversuchen im Windkanal / Carl Kramer;
Hans-Joachim Gerhardt; Siegfried Scherer. -
1. Aufl. - Opladen: Westdeutscher Verlag. 1977.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen; Nr. 2633 : Fachgruppe Maschinen
bau, Verfahrenstechnik)
ISBN-13: 978-3-531-02633-6 e-ISBN-13: 978-3-322-88371-1
DOl: 10.1007 /97S-3-322-88371-1
NE: Gerhardt, Hans-Joachim:; Scherer, Sieg
fried:
© 1977 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02633-6
Inhalt
1. Einleitung 5
2. Obertragbarkeit von Ergebnissen aus
Modelluntersuchungen auf die
GroBausfOhrung 6
3. Untersuchungen zur Wirkungsweise von
Bug-Spoilern 10
4. Untersuchungen zur Beurteilung von
Windgerauschen nach Ergebnissen von
Windkanalversuchen 15
5. Zusammenfassung 19
6. Literaturverzeichnis 20
7. Abbildungen 21
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1. Einleitung
Bei der Entwicklung und der Formgestaltung moderner Personenkraft
wagen werden in zunehmendem MaBe aerodynamiache Gesichtspunkte mit
berucksichtigt. Gerade in den letzten Jahren wurden in der Kraftfahr
zeug-Industrie zahlreiche aerodynamische Versuchsanlagen in Betrieb
genommen. Dies zeigt, daB der aerodynamischen Gute auch bei Serien
fahrzeugen eine groBe Bedeutung zuerkannt wird.
Die aerodynamische Optimierung eines Personenkraftwagensgeschieht
nicht nur im Hinblick auf einen moglichst niedrigen Luftwiderstand
und damit geringeren Kraftatoffverbrauch bei hoheren Geschwindig
keiten. Durch die am Fahrzeug angreifenden Luftkr§fte soll dessen
aktive Sicherheit nicht verringert, sondern mOglichst noch erhoht
werden. Weitere Probleme, bei denen die Stromungseigenschaften eines
Fahrzeuges eine groBe Rolle spielen, sind die Verschmutzung von Schei
ben und SchluBleuchten, die Kuhlung der Auspuffanlage und der Brem
sen sowie die fur die Behaglichkeit und den Komfort des Fahrers
wichtige Be- und Entluftung des Fahrgastraums und die Reduzierung
von Windger~uschen. So durchlaufen moderne Karosserien, bevor sie
ihre endgultige Form erreichen, meist eine umfassende aerodynamische
Entwicklung, bei welcher der von Kosten und Styling gesetzte Spiel
raum maximal genutzt wird.
Aus Kostengrunden werden solche Untersuchungen von den meisten Auto
mobilfirmen an verkleinerten Modellen, z.B. im MaBstab 1:4 oder 1:5
durchgefuhrt. Die Kosten solcher Modellversuche sind eine GroBen
ordnung niedriger als die Kosten fur Messungen an Fahrzeugen bzw.
Fahrzeugmodellen in OriginalgroBe. Sie empfehlen sich daher insbe
sondere fur umfassende Parametervariationen im Fruhstadium einer Neu
entwicklung. Es konnen umsomehr Untersuchungen an Modellen durchge
fuhrt werden, je zuverl§ssiger die Obertragung von Modellergebnissen
auf die GroBausfuhrung moglich ist. Daher ist die Frage der Ober
tragbarkeit von Modellversuchen von groBer wirtschaftlicher Bedeu
tung. Hier mussen die Grenzen fur die Obertragbarkeit von Mode11mes
sungen genau bekannt sein, und insbesondere interessiert, wie durch
Verfeinerung der Mode11technik diese Grenzen erweitert werden konnen.
Die groBte Beachtung bei der aerodynamischen Formgestaltung eines
Personenkraftwagen wird ublicherweise der Fahrzeugkarosserie ge
schenkt. Demgegenuber wird die Fahrzeugunterseite vielfach vernach
l§ssigt. Die vorliegende Untersuchung soll daher auch zur K18rung
der Frage beitragen, wie die Bodengruppe an der Aerodynamik des ge
samten Fahrzeuges beteiligt ist.
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2. Obertragbarkeit von Ergebnissen Hodellunterauchungen auf die
BUS
GroBauafOhrung
Erkenntnisse Hodellversuchen kHnnen nur dann fur die Gestaltung
BUS
der GroBausfuhrung herangezogen werden, wenn ihre Obertragbarkeit
hinreichend gesichert ist.
Die REVNOLDSzahl
l·v
Re =
y
mit 1 = charakteristische Abmessung, v = AnstrHmgeschwindigkeit
und, = kinemstische Zfthigkeit ist fur den Hodellversuch im ubli-
chen Windkanal kleiner ala bei der GroBausfuhrung. Da die Versuche
etwa bei den StrHmungsgeschwindigkeiten durchgefuhrt werden, die
fur die GroBausfOhrung interessieren, unteracheiden sich die
REVNOLDSzahlen fur Original und Hodell ungeffthr um den HodellmaB
stab. In kritischen Fftllen kann sich daraus bereits ein Unterschied
ergeben. Ober ein solches Beispiel wird von W.H. HUCHO (1) berich
tet. Aus Windkanalversuchen sollte das optimsle VerhUltnis von
Vorderkantenradius r zu Fahrzeugbreite b fur einen Kastenwagen be
stimmt werden. Als optimal wird der Vorderkantenradius bezeichnet,
dessen weitere VergrHBerung zu keiner weiteren Widerstandsverringe
rung mehr fOhrt. Die Untersuchung am Original ergab bei der REVNOLDS-
zahl Re = 7,7 x 106 das Verhftltnis rib = 0,03 und fur Versuche mit
einem Hodell im HaBstab 1:4 bei Re = 3,5 x 106 das Verhftltnis
rib = 0,06.
Die angegebenen REVNOLDSzahlen sind auf die Fahrzeugbreite bezogen.
Rechnet man sie auf den Kantenradius um, so findet man, daB eine
VergrHBerung des Kantenradius dann nicht mehr lohnt, wenn die auf r
bezogene REVNOLDSzahl im Original
rib = 0,03 Re r, 0 = 2,31 x 105
und im Modell
rib = 0,06 Re M = 2,1 x 105
r,
erreicht. Diese REVNOLDSzahlen unterscheiden sich nur wenig und
liegen im Bereich der kritischen REVNOLDSzahl fur den Kreiszylin
der.
Wie dieses Beispiel zeigt, kann die Obertragung von Ergebnissen
BUS dem Modellversuch auf das Original dann zu erheblichen Abwei
chungen fuhren, wenn z.B. an einem Kantenradius oder einer Abrun
dung im Modell die StrHmung noch laminar ablHst, sich aber beim
Original bereits vor der AblHsung eine turbulente Grenzschicht
ausbildet.
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Abgesehen vom REVNOLDSzahl-Bereich ist die StrHmung fur Modell
und Original auch in Bezug auf ihre Randbedingungen unterachil!d
lich. Bei der GroBausfuhrung herrscht unmittelbar auf der Fahrbahn
relativ zum Fahrzeug die Fahrgeschwindigkeit, welche im Modellver
such der Anblasgeschwindigkeit entspricht. Beim Modell ist unmit
telbar an der Oberf16che der Fahrbahnplatte die Relativgeschwindig
keit zum Fahrzeug null. 1m Modellversuch bildet sich folglich zwi
schen Fahrzeug und Fahrbahnplatte eine reine KanalstrHmung aus. Bei
der GroBsusfuhrung ist der dort ebenfalls durch die Verdr6ngungs
wirkung des Fahrzeugs entstehenden KanalstrHmung noch eine Scherstro
mung uberlagert. Die grHBten Auswirkungen dieses Unterschiedes sind
bei aerodynamischen Studien der Fahrzeugunterseite zu erwarten, die
im Windkanal durchgefuhrt werden sollen. Daher wurden Vergleichsun
tersuchungen der StrHmung an der Fahrzeugunterseite im Windkanal am
Modell und bei Fahrversuchen mit dem Originalfahrzeug durchgefuhrt
(2).
Fur die Untersuchung stand ein PKW Ford-Escort und ein Windkanalmo
dell dieses Fahrzeugs im MaBstab 1:5 zur Verfugung. Bild 1 zeigt
das Modell im Windkanal der Fachhochschule Aachen. Es handelt sich
urn einen GHttinger Windkanal mit FreistrahlmeBstrecke und einem
Strahldurchmesser von ca. 1,1 m. Die maximale Blasgeschwindigkeit
betragt 40 m/s. Das Modell ist mit einer Dr'ahtaufhangung an Vorder
und Hinterachse an einer mechanischen Laufgewichtswaage aufgeh6ngt.
Die Fahrbahn wird durch eine Platte simuliert, die bei Seitenwind
untersuchungen zusammen mit Modell und Waage urn eine gemeinsame ver
tikale Achse gedreht wird.
Zum Vergleich von Windkanalmessung am Modell und Fahrversuch mit dem
Originalfahrzeug wurden am Modell und am Originalfahrzeug an der
Unterseite Druckverteilungsmessungen und Messungen des Geschwindig
keitsprofils an verschiedenen Stellen zwischen Fahrzeug und Fahrbahn
durchgefuhrt. Bild 2 zeigt die Lage der MeBstellen am Originalfahr
zeug. Der statische Druck an diesen Druckbohrungen wurde mit einem
Flussigkeits~vielfachmanometer gegen den Gesamtdruck gemessen. Die
Bestimmung des Gesamtdruckes erfolgte mit einem PRANDTL-Rohr, das
mit einer Haltevorrichtung hinreichend hoch uber dem Fahrzeugdach
montiert war. Urn eine gleichzeitige Ablesung aller Drucke zu ge
wahrleisten, wurden die Manometer im Fahrzeug fotografiert. Bild 3
zeigt ein typisches Foto.
Am Modell erfolgte die Messung der Druckverteilung sowohl unter dem
Fahrzeug als auch im Langsschnitt der Modellkarosserie. Da Druck
bohrungen in der Karosserie des Originalfahrzeugs nicht angebracht
werden konnten, wurde die am Modell gemessene Druckverteilung mit
MeBwerten verglichen, die L.G. STAFFORD im Windkanal an einem
Originalfahrzeug des gleichen Typs erhalten hat (3).
Die Ergebnisse zeigt Bild 4. Aufgetragen ist der Verlauf des Druck-
beiwertes c p/q fur Modell und Original fur die angegebenen
p -
Schnitte. Insbesondere fur die Oberseite ist die Ubereinstimmung
des Verlaufs der Druckbeiwerte auBerordentlich gut. Die geringfu-
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gigen Abweichungen k6nnen sowohl durch kleine Formabweichungen des
Modells als auch dadurch erklUrt werden, daB die Anstellung des
Modells m6glicherweise anders war, als die Anstellung des Original
fahrzeugs bei den Messungen von STAFFORD. Trotz der Karosserieform
mit gut gerundeten Kant en zeigt dieser Vergleich keinen merklichen
REVNOLDSzahl-Effekt.
Auch der Vergleich der Druckverteilung entlang der Fahrzeuguntersei
te zeigt fur Modell und Original nur geringe Unterschiede und eine
gute Obereinstimmung der Lage der Extrema. Die im Vergleich zur
Fahrzeugoberseite gr6Beren Abweichungen im Druckniveau k6nnen da
durch erklUrt werden, daB die Modell-Bodengruppe dem Original nur
recht grob nachgebildet war. AuBerdem konnte bei den Modellunter
suchungen die Kuhlerdurchstromung nicht dem Original genau ent
sprechend simuliert werden. Der im Vergleich zum Original h6here
Luftstrom zwischen Fahrzeugunterseite und Fahrbahn fuhrt zu einer
Absehkung des Druckniveaus und zeigt sich auch deutlich aus den im
Folgenden noch behandelten Messungen des Geschwindigkeitsprofils
zwischen Fahrbahn und Fahrzeugunterseite. Ein EinfluB der festste
henden Fahrbahn auf die Geschwindigkeitsverteilung in NUhe der
Fahrzeugunterseite ist diesen MeBergebnissen nicht zu erkennen.
BUS
Trotz unterschiedlicher REVNOLDSzahlen und unterschiedlichen Rand
bedingungen an der Fahrbahn bei Modell und Original lassen sich
demnach Modelluntersuchungen der Bodengruppe zumindest gute Na
BUS
herungsangaben fur das Originalfahrzeug ableiten. Es scheint demnach
lohnend, die Bodengruppe im Modell - auch bei dem kleinen MaBstab
1:5 - m6glichst originalgetreu herzustellen und insbesondere einige
Sorgfalt auf die Simulation der Kuhlerdurchstr6mung zu verwenden.
Einige Ergebnisse der Geschwindigkeitsprofilmessungen unter dem Fahr
zeug sind in Bild 5 dargestellt. Die Messungen wurden jeweils mit
und ohne Bug-Spoiler durchgefuhrt. Auf den SpoilereinfluB wird spa-·
ter noch eingegangen. Vor dem Fahrzeug stimmen die am Modell und am
Original gemessenen Geschwindigkeitsprofile erstaunlich gut uberein.
Beim Modell wirkt sich der EinfluB der Grenzschicht an der Fahr
bahnplatte offenbar nur im Bereich sehr kleiner FahrbahnabstUnde -
bezogen auf das Originalfahrzeug 5 cm und weniger - aus. Fur den
MeBschnitt im Bereich der Vordersitze ist fur das Fahrzeug ohne
Spoiler das Geschwindigkeitsprofil unter dem Modell volliger als
unter dem Original. Dies ist, wie bereits erwahnt, darauf zuruckzu
fuhren, daB die Durchlassigkeit des Kuhlergrills im Modell im Ver
gleich zum Originalfahrzeug zu groB war. Fur Original und Modell
mit Spoiler ist die Obereinstimmung wesentlich besser. Bemerkens
wert ist, daB die Maximalgeschwindigkeit v~1,2 x va (vo = Fahrge-
schwindigkeit) in beiden FUllen auf Originalabmessungen bezogen ca.
5 cm uber der Fahrbahn auftritt. Auch beim Originalfahrzeug domi
niert demnach der EinfluB der verdrangungsbedingten Kanalstromung
gegenuber der Scherstromung. 1m MeBschnitt unter dem Kofferraum
wirkt sich die unterschiedliche Durchlassigkeit der Frontpartie bei
Modell und Original nicht mehr stark aus, und die Obereinstimmung
der Geschwindigkeitsprofile ist wieder recht gut. Fur Modell und
Original besitzen die Geschwindigkeitsprofile in einem Fahrbahnab
stand von etwa 10 cm eine vertikale Tangente. Der EinfluB der Scher
stromung im Original muB sich also auf einen Abstandsbereich
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beschranken, in dem beim Fahrversuch wegen der Gefahrdung der
Sonde keine Messungen mehr durchgefUhrt werden konnten.
Druckverteilungsmessungen an der Fahrzeugunterseite verursachen
modelltechnisch hohen Aufwand. Einfacher ist die Messung der Druck
verteilung unter dem Fahrzeug auf der Fahrbahnplatte. In Bild 6
sind Messungen an der Modellunterseite und auf der Fahrbahnplatte
miteinander verglichen. Abgesehen von den Extremwerten stimmt der
Verlauf der Kurven gut uberein. Zur Beurteilung der Unterseiten
stromung durfte daher in den meisten Fallen die einfacher durchzu
fUhrende Druckverteilungsmessung auf der Fahrbahnplatte ausreichen.
Die gute Ubereinstimmung der Umstromung von Modell und Original
geht auch aus dem Vergleich der beiden Stromungsaufnahmen Bild 7
und Bild 8 hervor. Am Modell wurde die Stromung mit der Wandspur
technik sichtbar gemacht, am Original durch Aufkleben von Wollfaden.
Die Richtung der Stromlinien stimmt fUr Modell und fUr Original
sehr gut Uberein. Dies gilt auch fur den unteren Seitenwandbereich
zwischen Vorder- und Hinterachse, in dem sich Abweichungen durch
den EinfluB der feststehenden Bodenplatte beim Modellversuch am
deutlichsten zeigen muSten.
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3. untersuchungen zur Wirkungsweise von Bug-Spoilern
Ein einfaches und wirksames Mittel zur Verbesserung der aerodyna
mischen Eigenschaften eines PKW stellt ein Bug-Spoiler dar. Man
versteht darunter eine streifenformige Aufkantung, die unterhalb
der Schurze unter der vorderen StoBstange uber die ganze fahrzeug
breite verlaufend, senkrecht zur fahrbahnebene angebracht ist. Ein
solcher Spoiler bewirkt infolge der Abschirmwirkung der Untersei
tenstromung eine Umverteilung und Anderung der am fahrzeug angrei
fenden LuftkrMfte und insbesondere einen Abbau des Auftriebes an
der Vorderachse. Bei den meisten neuentwickelten PKW-formen wird
ein Bug-Spoiler in die Blechschurze an der Fahrzeugfrontpartie inte
griert. Veroffentlichungen uber systematische Untersuchungen der
Wirkungsweise solcher 8ug-Spoiler liegen nach Wissen der Autoren
bisher jedoch nicht vor.
Zur Erklarung der Wirkungsweise eines Spoilers kann man sich den
Luftwiderstand eines Kraftwagens aus dem Wider stand der Karosserie
und dem Wider stand der 80dengruppe zusammengesetzt denken:
W =W +W8d
ges un arosserl• e 0 engruppe
Bei Schreibweise in 8eiwerten erhalt man bei gleicher Bezugsflache
und gleicher 8ezugsgeschwindigkeit fur Karosserie und 80dengruppe:
2 2 2
'bo
cWges = cWK Voo + cW8 Voo
Durch einen Spoiler wird die 80dengruppe abgeschirmt. Diese Abschir
mung kann durch Verringerung der 8ezugsgeschwindigkeit urn AV8
erfaBt werden. Entsprechend muB die 8ezugsgeschwindigkeit
fur die Karosserie um l::J.vK erhoht werden. Da Av l':.V8 «v sind,
u ,
gilt n 00
l::J. vK .!:'!\V 8
cWges = cWK (1 + 2 v~ ) + cW8 (1 - 2 v~ )
Daraus folgt die Anderung ~CWges des Gesamtwiderstandsbeiwertes
durch den Spoiler
LivK und ~vB hangen von der jeweiligen Spoilerhohe abo Wegen der
gegenlaufigen Tendenz der Widerstandsveranderungen von Karosserie
und Bodengruppe ist fur feste cWK und cWB - also fur eine bestimmte
Karosserie mit einer bestimmten Bodengruppe - ein Minimum des Wider
standbeiwertes in Abhangigkeit von der Spoilerhohe zu vermuten. 8ei
im Vergleich zur Karosserie aerodynamisch ungunstig gestalteter
Bodengruppe und folglich vergleichsweise groBem cWB ist eine wesent-
liche Widerstandsverringerun~ durch Verwendung eines Spoilers zu er
warten.
