Aerodynamik Report: Spritsparmodelle aus dem Windkanal

"Aerodynamik ist etwas für Leute, die keine Motoren bauen können." Dieses Zitat stammt aus den sechziger Jahren von Enzo Ferrari. Nur ein Jahrzehnt später steckte die Welt in ihrer ersten Ölkrise, die die Techniker zum Umdenken zwang. Die Zeiten, in denen Fahrwiderstände mit Monstermotoren niedergerungen wurden, egal wieviel sie dabei schluckten, schienen endgültig vorbei, aerodynamisch ausgefeilte Karosserien gewannen schlagartig an Bedeutung.

Dabei musste nicht einmal Neuland betreten werden, denn die grundsätzlichen Zusammenhänge von Stromlinien-Karosserien und Fahrwiderständen wurden bereits in den 1920er Jahren von Visionären wie Edmund Rumpler oder Paul Jaray erkannt.

Luftwiderstand hängt nicht allein von Formgüte und cW-Wert ab

Nur wenig später verfeinerten die Aerodynamiker Freiherr Reinhard Koenig-Fachsenfeld und Wunibald Kamm deren Ideen. Natürlich konnten auch die von ihnen entworfenen Karosserieformen nichts daran ändern, dass der Luftwiderstand ab einer bestimmten Geschwindigkeit größer ist als alle anderen Fahrwiderstände. Aber mit spezifischem aerodynamischem Feinschliff lässt sich diese Grenze durchaus nach oben verschieben.

Wobei der Luftwiderstand nicht allein von der Formgüte des Autos und damit dem so genannten cW-Wert abhängt - die Stirnfläche (A) ist die zweite bestimmende geometrische Größe, die das Auto vorgibt. Als komplett ebene Fläche wäre ihr cW-Wert 1,0. Die Aufgabe des Aerodynamikers ist es nun, durch eine strömungsgünstige Formgebung die effektiv wirksame Fläche zu verkleinern. Je besser das gelingt, desto niedriger ist der cW-Wert.

Wie werden nun die wichtigsten Größen cW und A gemessen? Für die Bestimmung des cW -Werts ist ein Windkanal unabdingbar, dessen zentrales Bauteil nicht etwa das starke Gebläse ist, sondern eine hochpräzise Waage, auf der das Auto steht. Sie erfasst alle Kräfte und Momente, mit denen die Luft am feststehenden Auto, dessen Räder sich für ein realistisches Ergebnis drehen sollten, zerrt.

Mehr Totwasser unterm Kombiheck

Vor dem Auto wird die Luft verdichtet, bevor sie verdrängt wird, am Heck reißt sie ab und erzeugt einen Unterdruck oder Sog. In diesem Sog entsteht eine Luftwalze, die die Aerodynamiker Totwasser nennen. Ein Kombiheck erzeugt üblicherweise mehr Unterdruck als ein niedrigeres Limousinenheck.

Je geringer die von der Waage gemessenen Kräfte sind, desto kleiner ist der cW-Wert. Gemessen werden diese Kräfte einheitlich bei 140 km/h. Ein cW-Wert von 0,30 bedeutet zum Beispiel, dass 30 Prozent der Luft, durch die das Auto fährt, auf das Fahrtempo beschleunigt wird.

Um die Auto-Stirnfläche zu bestimmen, wird die Außenkontur der Front per Laser abgetastet und so die Fläche in Quadratmetern bestimmt. Multipliziert man nun den cW-Wert mit dieser Fläche, erhält man den effektiven Luftwiderstand, der in Quadratmetern angegeben wird.

So wichtig die Aerodynamik im Fahrzeugbau also ist, durch die Einführung des neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) 1996 spielte sie für die Ermittlung der offiziellen Verbräuche nur noch eine untergeordnete Rolle (siehe Kasten). Die Hersteller reagierten prompt. War bis dahin der effektive Luftwiderstand (cW x A) kontinuierlich gefallen, sank bei vielen jetzt nur noch der werbewirksame cW-Wert, um gleichzeitig von der wachsenden Stirnfläche A der immer größer werdenden Autos konterkariert zu werden. VW Golf, Opel Astra oder BMW 7er bieten dem Wind inzwischen eine größere effektive Angriffsfläche als noch in den 1990er Jahren.

SUV und Smart sind Verlierer im Windkanal

Hinzu kommt die boomende Gilde der SUV mit ihren riesigen Frontflächen. In der Öffentlichkeit wurde jedoch meist nur das hohe Gewicht kritisiert, obwohl der Einfluss einer windschlüpfigen Karosserie auf den Verbrauch größer ist als der der schieren Masse: Rund 50 Prozent gehen im Schnitt zu Lasten der Windlast, bei Autobahntempi sind es auch schon mal 80 Prozent und mehr.

Das bekommen selbst City-Flitzer wie der Smart zu spüren, dessen hohe, kastige und kurze Form besonders ungünstig ist. Zudem dominiert laut Mercedes-Chef-Aerodynamiker Teddy Woll bei dem leichten Wagen schon ab 50 km/h die Windlast. Wesentliche Gründe, wieso der Zweisitzer bis heute nicht so sparsam ist, wie es bei seinem niedrigen Gewicht zu erwarten wäre.

Dabei zeichnen sich dessen Mercedes-Schwestermodelle entgegen dem Trend durch immer niedrigere cW x A-Werte aus. Der schwäbische Autohersteller tüftelt ungeachtet des Trends in seinen Windkanälen ambitioniert weiter und vergrößerte zudem die Frontfläche seiner Modelle nur moderat. So entstand das derzeit windschlüpfigste Großserienauto der Welt, das E-Coupé mit einem überragenden cW-Wert von 0,24. Es führte aber auch (für die Konkurrenten) zu grotesken Ergebnissen: Eine aktuelle Mercedes S-Klasse stellt dem Wind weniger Widerstand entgegen als ein VW Golf VI. Dessen hohe Form mit dem nach hinten kaum abgesenkten Dach begünstigt zwar das Raumangebot, verschlechtert aber die Aerodynamik. Deshalb steht für den Golf VII eine deutliche Absenkung des Gesamtluftwiderstands (niedrigere, windschlüpfigere Karosserie) im Lastenheft.

Windschlüpfer Toyota Prius, Honda Insight und Opel Ampera

Wie wichtig ein niedriger Luftwiderstand ungeachtet der realitätsfremden NEFZ-Werte ist, zeigt auch ein Blick über die aktuellen Topsparer bei den Benzinern. Sowohl ein Toyota Prius wie ein Honda Insight und auch der kommende Opel Ampera zeichnen sich weniger durch sehr niedriges Gewicht (schwierig bei der aufwendigen Technik und großen Batterien) als vielmehr durch sehr windschlüpfige Karosserien mit cW-Werten um 0,26 aus. Wer die drei Hybride von der Seite betrachtet, entdeckt große Ähnlichkeiten in der tropfenförmig auslaufenden Karosserieform.

Frank Weber, ehemaliger Projektleiter bei General Motors für den Ampera-Zwilling Volt, erläuterte schon früh in der Entwicklungsphase, dass 100 Kilogramm Gewichtsersparnis im Vergleich nur wenige Kilometer mehr elektrische Reichweite bringen würden. Dagegen ist die Aerodynamik für alle Autos mit voll- oder teilelektrischem Antrieb besonders wichtig. Denn im Gegensatz zu reinen Verbrennungsautos können sie mit ihren Akkus in großem Maße vorher kinetisch aufgebaute Energie (umso schwerer das Auto, desto mehr) rekuperieren. Verpufft Antriebsenergie jedoch irreversibel als Wärme in der Windreibung, lässt sie sich logischerweise nicht mehr nutzen. Zudem bereitet es speziell Elektroantrieben mit ihrem kräftigen Drehmoment schon aus dem Stand vergleichsweise wenig Mühe, viel Gewicht zu beschleunigen. Dafür schwächeln sie eher bei hohen Tempi.

Aber auch aktuelle Hybridfahrzeuge profitieren von einer windschlüpfigen Form. Speziell die Segel-Funktion bekommt hier eine neue Definition. Denn im Gegensatz zu Schiffen "segeln" Hybride bei ausgeschaltetem und gleichzeitig ausgekuppeltem Motor (Unterschied zur Schubabschaltung) mit unterstützendem E-Motor besonders lange, wenn die Fahrwiderstände und damit vor allem die Luft entsprechend wenig Angriffsfläche finden. Das Angenehme an der Aerodynamik ist, dass Verbesserungen bei ihr vergleichsweise günstig zu haben sind. Laut Teddy Woll kosten sie fast nichts, wenn es sich um prinzipielle Formplanungen handelt. Etwas teurer sind dagegen Unterbodenverkleidungen, Spoiler oder aktive Maßnahmen wie elektrisch verschließbare Kühler-Jalousien. So günstig wie über die Aerodynamik gibt es Verbrauchssenkungen aber durch kaum eine andere Maßnahme.

Daimer-Chef-Aerodynamiker Teddy Woll zur Bedeutung des Luftwiederstands

Woll: Die Aerodynamik hat einen sehr großen Einfluss auf den Verbrauch, und der wird mit zunehmender Geschwindigkeit immer größer. Je nachdem, welches Auto man nimmt, ist der Luftwiderstand ab 50, 60 oder 70 km/h der dominierende Fahrwiderstand. Nehmen Sie den Smart, er ist sehr leicht, hat aber keinen weltmeisterlichen cW-Wert. Da überwiegt ab 50 km/h der Luftwiderstand den Rollwiderstand. Bei einer S-Klasse dominiert der Luftwiderstand bei etwa 70 km/h, bei der neuen B-Klasse bei 60 km/h.

Woll: Es gibt da eine Faustformel: Wenn wir den cW-Wert um 0,01 verbessern, dann sinkt der ECE-Verbrauch um etwa 0,04 L/100 km oder ein Gramm Kohlendioxid. Beim realen Kundenverbrauch ist es sogar ein Zehntelliter, den man mit dieser Verbesserung einsparen kann. Bei hohen Autobahngeschwindigkeiten geht es sogar bis zu einem halben Liter.

Woll: Wir können heute Autos konstruieren, die unter cW 0,2 liegen. Die sehen anders aus als heutige Fahrzeuge. Trotzdem könnte man mit ihnen fahren. Die 0,2 sind für uns noch eine ganze Weile der Zielwert.

Woll: Ganz viele aerodynamische Maßnahmen kosten nichts, alle Maßnahmen an der Grundproportion gehören dazu. Aktive Elemente wie die Kühlerjalousie der neuen B-Klasse sind natürlich nicht umsonst zu haben, sie verbessert den cW-Wert aber um 0,01.

Woll: Ja, aber es besteht ein Zielkonflikt mit dem Raumgefühl. Heute können Sie einem Kunden noch kein Auto verkaufen, in dem er sich beengter fühlt als im Vorgängermodell.

Woll: Beim Verzicht auf die sehr gut geformten aktuellen Spiegel, wie wir sie an der neuen E-Klasse haben, könnten wir den cW-Wert um etwa 0,007 verbessern. Das E-Klasse Coupé würde sich von 0,242 auf 0,235 verbessern. Aber wir dürfen nicht vergessen, dass im Spiegel heute sehr viele Dinge stecken, beispielsweise Blinker, Anzeigen für den Totwinkel-Assistenten oder die Umfeldbeleuchtung. Wenn Sie die Spiegel durch Kameras ersetzen, muss erst Platz für die Monitore sein. Außerdem müssen diese gestochen scharfe Bilder liefern - wie man es von Spiegel-Bildern gewohnt ist. Außerdem sind Kameras dieser Art in Europa erst ab 2016 vom Gesetzgeber freigegeben, weltweit noch nicht.

Woll: Das ist richtig - etwa doppelt so wichtig. Beim konventionellen Auto geht viel Bewegungsenergie verloren. Beim Elektroauto speisen Sie davon aber etwa die Hälfte durch das Rekuperieren wieder in das Auto ein. Damit gewinnen die irreversiblen Verluste durch Roll- und Luftwiderstand stark an Bedeutung.

Woll: Zehn Millimeter bringen zwischen 0,003 und 0,004, das ist schon was. Deswegen haben Mercedes-Modelle mit Luftfederung eine automatische Absenkung, abhängig von der Geschwindigkeit – beispielsweise ab 140 km/h um 20 Millimeter.

Woll: Wir sind heute bei einer Abweichung von deutlich unter einem Prozent gegenüber dem realen Wert. Wenn wir eine Modifikation durchrechnen lassen, dauert es – bei Einsatz der größtmöglichen Rechenleistung - eine Nacht. Dieselbe Operation hätte vor zehn Jahren ein halbes Jahr gedauert.

Woll: Ganz und gar nicht. Wenn Sie die Windkanal-Versuchsreihe gut vorbereiten, können Sie an einem Tag 40 bis 50 Versuche durchführen. Das kann der Rechner nicht. Schlagendes Argument sind die Windgeräu-sche. Es dauert sicher noch 20 Jahre, bis wir diese komplexen Zusammenhänge im Rechner vernünftig darstellen können. Der Computer dient uns heute dazu, die Einflussgrößen zu verstehen und damit Optimierungsansätze zu finden. Der Windkanal eignet sich besonders gut zum schnellen Abarbeiten verschiedener Varianten. Computer und Windkanal sind hervorragende Werkzeuge und sie arbeiten Hand in Hand.