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Elektronische Welten / Archiv | Beitrag vom 18.10.2012

Autos im Windkanal

Wie sich durch Aeorodynamik Sprit sparen lässt

Von Thomas Gith

Dirk Wieser und Kollege bei der Untersuchung eines 3D-Automodells im Windkanal.
Dirk Wieser und Kollege bei der Untersuchung eines 3D-Automodells im Windkanal. (picture alliance / dpa / Ulrich Dahl/TU Berlin)

Sprit fürs Auto ist teuer, Abgase belasten die Umwelt. Wer sparen will, sollte in Zukunft auf die Fahrzeugform achten: Denn je windschnittiger ein Auto, desto geringer sein Spritverbrauch. Im Windkanal der Berliner TU wird erforscht, wie sich der Luftwiderstand an PKWs verringern lässt.

Die Ingenieure Dirk Wieser und Christoph Strangfeld beugen sich über ein weißes Auto. Das ist einen Meter zwanzig lang, kniehoch und vollständig aus Gips. Vorsichtig ziehen die beiden Männer einige Schrauben an dem Wagen fest, stellen ihn dann auf einen Tisch. Dirk Wieser.

"Also vor uns haben wir jetzt das DrivAer-Modell. Das ist ein realistisches Fahrzeugmodell. Wir haben die einzelnen Räder, wir haben Spiegel. Wir haben auch Details wie die Scheinwerfer oder Kofferraum dargestellt."

Der DrivAer sieht dabei aus wie ein Auto in Miniatur. Und das auch Details wie Felgen und Türgriffe abgebildet wurden, ist wichtig. Schließlich wollen die Ingenieure untersuchen, welche Luftwirbel am Fahrzeug entstehen – und die werden auch durch kleine Hervorhebungen verursacht. Besonders relevant ist das Heck: Bevor das Modell daher im Windkanal untersucht wird, schraubt Christoph Strangfeld noch eine von drei Varianten an: Ein Stufenheck.

"Wir haben jetzt gerade das ganze Heck hier drauf geschoben. Und das ist ja quasi der interessante Bereich. Weil im vorderen Bereich des Autos ist die Strömung immer angelegt. Aber hinten löst sie ab und generiert halt diesen Fahrzeugwiderstand, der dann halt auch den Spritverbrauch verursacht. Und jetzt haben wir das Heck hier drauf geschoben. Wir sehen, wir haben hier an die 100 kleinen Löcher an der Oberfläche. Und dann hinter diesen Löchern, quasi an der Innenseite des Modells, sind dann die Drucksensoren angeschlossen, die dann halt den Druck an der Oberfläche messen können."


Die elektronischen Sensoren registrieren dabei, an welchen Stellen Druck am Fahrzeug entsteht und wie stark er ist.
Um den Versuch zu starten, öffnen die beiden Männer ein seitliches Glasfenster an dem rund 15 Meter langen Windkanal. Sie heben den DrivAer in den waagerechten Metallschacht, schließen die Glastür – und los geht’s.

"Jetzt stellen wir die Drehzahl an unserer Antriebseinheit ein. Und dementsprechend wird die Luft im Windkanal beschleunigt und strömt um unser Modell."

Eine elektrisch betriebene Turbine beginnt sich zu drehen und bläst Luft in den Schacht: Das Automodell ist so einem Gegenwind von bis zu 150 Stundenkilometern ausgesetzt. Christoph Strangfeld steht vor einem Monitor und kontrolliert das Experiment: Auf dem Bildschirm wird angezeigt, wo sich die Luftwirbel vom Fahrzeug ablösen, welchen Widerstand sie erzeugen.

"Und hier sehen wir die verschiedenen Kräfte und die verschiedenen Drücke, die an dem Fahrzeug wirken. Momentan haben wir es halt parallel zur Strömung ausgerichtet das Modell. Und jetzt können wir einfach mal das Modell drehen, also das es von der Seite angeströmt wird, was man quasi auch in Realität hat bei Seitenwind. Dafür drehen wir einmal das gesamte Modell."

Ein Knopfdruck genügt, und schon dreht sich eine in den Boden des Windkanals eingelassene Scheibe, auf dem das Modell steht. Sofort verändert sich die Anzeige auf dem Monitor: Neue Wirbel entstehen an den Seiten des Hecks, Druck und Widerstand verändern sich. Diese Werte sind enorm wichtig für den Autobau: Denn wird die Aerodynamik nicht richtig beachtet, hebt das nicht nur den Spritverbrauch – auch die Sicherheit ist gefährdet.

"Es gab zum Beispiel mal einen Sportwagen, da hatte man das Problem, dass die Strömung bei höheren Geschwindigkeiten nicht mehr an irgendeiner Stelle abgelöst hat. Sondern dieser Ablösepunkt ist auf der Heckschräge immer hin und her gewandert. Das hatte dadurch den Effekt, das quasi der Widerstand immer sprunghaft zunahmen oder sprunghaft abnahm. Und das ist natürlich gerade dann bei Kurvendurchfahrten wirklich dann auch ein Sicherheitsaspekt. Dass nämlich, wenn ich das Gefühl habe, das die Hinterachse dauernd springt, dass ich dann die Kurvendurchfahrt nicht mehr richtig kontrollieren kann und im schlimmsten Fall wirklich auch aus der Kurve fliege."

Am DrivAer soll künftig auch erforscht werden, wie sich der Luftwiderstand reduzieren lässt, ohne die Sicherheit zu gefährden. In der Grundlagenforschung wurden solche Probleme bisher an einem sehr vereinfachten Modell untersucht: Dem Ahmed-Body - einem rechteckigen Klotz, der am Ende abgeschrägt ist. Für die Autoindustrie waren die durch ihn gewonnenen Ergebnisse allerdings unbrauchbar – und dass soll sich ändern.

"Also wir versuchen, mit diesem DrivAer quasi, einen neuen Standard zu entwickeln. Weg von diesem sehr allgemeinen Ahmed-Body hin zu einem realistischem Fahrzeugmodell. Damit hat halt die TU München angefangen, in Kooperation mit BMW und Audi und wir sind halt von dem Projekt auch überzeugt und haben uns entschieden, auch dieses Modell jetzt als neuen Standard einzuführen für die Forschung."

Dass aus dem Computerentwurf der Münchner ein Automodell aus Gips wurde, ist dabei dem 3D-Labor der TU Berlin zu verdanken: Die Grafik des Autos wurde dafür in 16 Teile zerlegt. Anschließend wurden die räumlichen Koordinaten an einen 3D-Drucker geschickt: In ihm wurde dann Gipspulver zu einem festen Körper verklebte, erklärt Ben Jastram.

"Das ist in so fern dann auch kompliziert, dass alle Einzelteile am Ende zusammenpassen müssen, das hat sehr gut geklappt. An der einen oder anderen Stelle musste man dann mal nachschleifen. Aber im Großen und Ganzen passte das auf einen Zehntelmillimeter genau."

Herausgekommen ist das fertige DrivAer-Modell. Das Gute daran: Die an ihm gewonnenen Grundlagenerkenntnisse sind auch für die Autoindustrie nützlich. Und Möglichkeiten, den Luftwiderstand am PKW zu verringern und damit Sprit zu sparen, gibt es reichlich, sagt Christoph Strangfeld.

"Die Idee ist jetzt, diese Ablösepunkte zum Beispiel zu verschieben, in dem wir durch kleine Schlitze oder so an der Oberfläche mit Druckluft einfach zusätzlich Luft einblasen, sozusagen an den sensiblen Punkten der Strömung, was in der Regel der Ablösepunkt ist und diesen dann auf dem Modell oder auf der Kontur quasi so verschieben können, um so noch mal den Fahrzeugwiderstand drastisch zu reduzieren."

Abertausende elektronische Messdaten müssen dafür künftig im Windkanal erhoben und ausgewertet werden. Doch der Aufwand lohnt: Denn die Fahrzeuge könnten durch eine windschnittigere Form ihren Spritbedarf spürbar reduzieren.


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3D-Labor der TU Berlin