FORSCHUNGSBERICHT 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 - 5 - 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. - 6 - 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. - 7 - 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- - 8 - 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 - 9 - 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. - 10 - 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.