Aero­dy­namik im Auto­mo­bilbau

Für eine optimale Windschlüpf­rig­keit feilen Designer und Entwicklungs­ab­tei­lungen mit ihren Konzepten und Prototypen vor allem am Luftwider­stands­bei­wert, dem sogenannten cW-Wert. Dieser Koeffizient gibt Aufschluss über die Aerodyna­mik­ei­gen­schaften eines Wagens und ermöglicht den direkten Vergleich unterschied­li­cher Fahrzeug­klassen. Dabei gilt: Je niedriger, desto weniger Luftwider­stand bietet eine Karosserie. Großen Einfluss bei der Berechnung hat die Stirnfläche des Autos, die während der Fahrt die gesamte Luft verdrängen muss.

Neben dem Luftwider­stand ist die Luftdichte ein wesentli­cher Faktor. Sie wird anhand der Temperatur und dem Luftdruck ermittelt. Zu guter Letzt bestimmt vor allem die Fahrgeschwin­dig­keit den Luftwider­stand. Und der ist auf der Autobahn folglich am höchsten. Bei Vollgas wird fast 90 Prozent des Kraftstoffs dafür verbraucht, um gegen den Wind anzukommen. Ebenso hat aber auch das Thermoma­nage­ment mit der Kühlung und Belüftung im Innenraum direkte Auswirkung auf die aerodyna­mi­sche Gesamtper­for­mance Fahrzeugs.

Der Pinguin – Maß aller Dinge

Auf der Suche nach technischen Neuerungen und Problemlö­sungen kupfern Designer und Ingenieure gerne bei der Natur ab – die Bionik ist immer wieder Quelle für Inspiration. Der Pinguin gilt als Inbegriff der Aerodynamik: Zwei, drei Schläge ihrer kurzen Flügel, dann gleiten die Antarktis­be­wohner mühelos durch die Tiefen des Ozeans. Wissenschaftler vom damaligen Kieler Institut für Meeresfor­schung – Heute Helmholtz-Zentrum für Ozeanfor­schung – fanden mit dem Bioniker Rudolf Bannasch heraus, dass der Langschwanz­pin­guin pro Tag mehr als 100 Kilometer zurücklegt. Und das bei einer Größe von nur einem halben Meter. Im Sprint schafft das Tier 25 km/h.

Die Forscher gingen ebenso dem Nahrungs­ver­halten auf den Grund. Dabei kamen sie zu folgenden Schlussfol­ge­rungen: Würde das Tier Sprit tanken, könnten es mit nur einem Liter 2.500 Kilometer weit kommen. Bannasch unternahm weitere Versuche mit Pinguinmo­dellen im Strömungs­um­lauf­kanal unter Wasser und im Windkanal. Mit bahnbrechenden Ergebnissen: Der cW-Wert lag im Promille­be­reich – und zwar bei lediglich 0,03. Die Schifffahrts-, Raumfahrt- und Militärin­dus­trie profitierten noch heute von den Erkenntnissen. Für die Karosserie von Autos hat die nahezu perfekte Stromlini­en­form des Pinguins bislang keine Nachahmer gefunden. Der Wassertropfen dagegen schon.

Die Wurzeln der Aerodynamik

Die Tropfenform regte bereits Anfang des 20. Jahrhunderts deutsche Ingenieure an, kuriose Konzeptfahr­zeuge zu entwickeln. Berühmte Vertreter sind der Tropfenwagen von den Rumpler-Werken aus dem Jahr 1921 und der Schlörwagen von 1939. Nachmessungen von VW in den 1970er-Jahren bescheinigten dem Rumpler-Exemplar einen cW-Wert von 0,28, dem Schlörwagen nur 0,15. Noch heute übertrumpfen beide Oldies damit aktuelle Modellreihen, allerdings sind die nicht nur „auf „cW getrimmt“, sondern berücksich­tigen Vorgaben wie bequemes Einsteigen und das Crashver­halten.

Ein Formel-1-Auto, das nach Aerodynamik in Perfektion aussieht, ist dagegen sprichwört­lich ein Wandschrank auf Rädern. In Sachen Luftwider­stand liegen die schnittigen Rennboliden bei cW-Werten von 0,8 bis 1,2, da hier der Fokus eher auf Kurvenge­schwin­dig­keiten und Fahrstabi­lität liegt. Selbst ein Lastwagen kommt durchschnitt­lich auf 0,5 bis 0,85. Der Trailer „Aero Liner „von Krone und die Zugmaschine „Concept S“ von MAN aus dem Jahr 2012 bringen es zusammen sogar auf nur 0,3.

Detailar­beit statt Revolution

Die aktuelle Mercedes A-Klasse hat einen cW-Wert von 0,22 – das macht die Limousine derzeit zum windschnit­tigsten Serienfahr­zeug der Welt. Insgesamt sind die Fortschritte bei der Aerodynamik für die Serie aber schon stark ausgereizt. Die OEMs und Dienstleister sind daher auf der Suche nach dem besten Kompromiss aus Effektivität, Nutzen und Komfortan­sprü­chen. Und so gelingen Optimierungen eher in kleinen Schritten: gewölbte Frontver­gla­sung, versteckte Wischer, plane Unterböden, optimierte Heckkanten, abgedeckte Radhäuser, abgeflachte A-Säulen, Verzicht auf Antennen oder Außenspiegel, aber auch die Durchströ­mungen von Kühlern und des Motorraumes bieten Ansätze.

Es braucht schon extreme Formen, um den Luftwider­stand in einem nennenswerten Maße weiter zu reduzieren. Das führt wiederum schnell zu Nachteilen im Innenraum und hohen Kosten wie beim XL1: Das 2013 vorgestellte Ein-Liter-Auto von Volkswagen deklassierte die Konkurrenz zwar mit Effizienz und einem cw-Wert von 0,189. Doch den engen Zweisitzer gab es nur als Kleinserie mit 200 Exemplaren – für mehr als 100.000 Euro pro Fahrzeug.

Der Aero-Benz

Nur ein Hundertstel über dem Wert liegt der Mercedes-Benz „Concept Intelligent Aerodynamic Automobile“. Das Konzeptfahr­zeug wurde 2015 auf der IAA präsentiert. Es verändert während der Fahrt seine Form und Gestalt. So schaltet der Hybrid manuell per Knopfdruck oder automatisch ab einer Geschwin­dig­keit von 80 km/h vom Design- in den Aerodynamik-Modus - ein absolutes Novum. Bisher war ein Auto eher ein starres Gebilde ohne Teile, die sich der Fahrsitua­tion intuitiv anpassen – den ausfahrbaren Heckspoiler mal ausgenommen. Bei dem Mercedes wird das Heck um 39 Zentimeter verlängert. Ausfahrbare und bewegliche Lamellen­flügel verbessern die Umströmung an Bug und Unterboden. Und auch an den Felgen tut sich was: Das sportliche Fünfspei­chenrad wird zu einer vollflächigen Scheibe, sorgt damit für weniger Luftverwir­be­lungen.

Für den optimalen Luftstrom kauert der IAA Concept mit gerade mal zehn Zentimetern Abstand auf der Straße. Türgriffe gibt es zudem nicht, die Außenspiegel werden durch eine Displayva­ri­ante mit Kamera abgelöst. Lag der Wert des Prototypen im Normalbe­trieb noch bei 0,25, hat er sich nach der Transfor­ma­tion jetzt auf 0,19 verringert. BMW hat ein Jahr später mit der Konzeptstudie „Vision Next 100“ noch einen draufgesetzt. Neben dem stromlini­en­för­migen Design sind die Radkästen durch die sogenannte „Alive Geometry“ geschlossen. Eine dehnbare Haut passt sich den Lenkbewe­gungen an. Daraus resultiert ein Luftwider­stands­bei­wert von 0,18.

Ab in den Windkanal

Nur mit computer­ge­stützten Simulati­ons­me­thoden wie der numerischen Strömungs­me­chanik und Fertigungs­me­thoden wie dem Rapid Prototyping sind solche komplexen Geometrien und aerodyna­mi­schen Eigenschaften des Fahrzeugs zu erzielen. Für die Arbeit der Entwicklungs­in­ge­nieure sind zugleich Prüfstände wie Windkanäle unerläss­lich. Hersteller und Zulieferer arbeiten eng mit Wissenschaft­lern wie vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen, um Fahrzeug­par­tien stromlini­en­för­miger zu gestalten. Allein am Forschungs­standort der DLR in Göttingen stehen für die Entwicklung von Pkws, Lkws, Jets und sogar Raumfähren 20 Windkanäle und Großforschungs­an­lagen zur Verfügung. Per Lasermess­ver­fahren können dort Windströ­mungen simuliert und gemessen werden.

Sportwagen­spe­zia­list Porsche verfügt in Weissach über mehrere Windkanäle für Fahrzeuge im Maßstab 1:1 und 1:3, mit oder ohne Straßensi­mu­la­tion. Von einem einfachen Schaumkörper über mit Drucksonden bestückte Modellkühler bis hin zur komplexen Durchström­ka­ros­serie werden hier für die Entwicklung eingesetzt. Mit Windgeschwin­dig­keiten von bis zu 300 Stundenki­lo­me­tern lassen sich verschie­dene Komponenten analysieren und dann immer weiter optimieren. Neben Fahrzeugen testen und optimieren hier auch Radrennmann­schaften, Schirmher­steller oder Produzenten von Zelten ihre Produkte auf Wind- und Wetterfes­tig­keit. Und so sind die Grenzen von Aerodynamik und Komfort fließend.