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| 2002-02-18 | ||
Der neue Opel Vectra präsentiert sich besonders aerodynamisch
Der neue Opel Vectra gehört mit einem cw-Wert von 0,28 zu den aerodynamischsten Autos seiner Klasse. Damit präsentiert sich die dritte Generation der Bestseller-Baureihe so windschnittig wie nie. Dieses gute Ergebnis erreichten die Opel-Experten mit Hilfe von Computersimulationen, Tests mit Ton-Modellen im Maßstab 1:5 und umfangreicher Detailarbeit mit Fahrzeugen in Originalgröße im Windkanal. Vorteil für die Kunden: Die ausgeprägten aerodynamischen Qualitäten wirken sich günstig auf den Kraftstoffverbrauch aus und helfen, die Geräuschentwicklung so gering wie möglich zu halten. Für die Aerodynamik-Entwicklung nutzen die Opel-Fachleute den Windkanal der Universität Stuttgart. Die seit 1988 vom Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS) betriebene Einrichtung wurde schon für viele Opel-Modelle intensiv genutzt. Ein maßstabsgetreuer Kanal dient zur Optimierung an 1:5-Tonmodellen, später werden die ausgewachsenen Vorserienfahrzeuge in der großen Anlage getestet. "Die dortige Kombination aus professionellem Testbetrieb und wissenschaftlichem Background ist für Opel ideal", erläutert Dr. Klaus Hieronimus, Leiter Fahrzeugsimulation, Aerodynamik und Karosseriestruktur-Entwicklung im Internationalen Technischen Entwicklungszentrum (ITEZ) in Rüsselsheim: "Technisch ist der Windkanal stets auf dem neuesten Stand, und zugleich profitieren wir bei der Optimierung neuer Fahrzeuge von aktuellen Forschungsergebnissen der Uni-Mitarbeiter." Die ausgezeichneten aerodynamischen Qualitäten der Opel-Modelle belegen den Erfolg der Kooperation. Die Stuttgarter Anlage beherbergt einen der leisesten Windkanäle Europas. Wichtig, wenn die Aeroakustiker selbst den kleinsten Windgeräuschen Gehör schenken wollen. Ein weiterer Pluspunkt des innovativen Kanals: Seit Frühjahr 2001 erfolgen die Aerodynamik-Messungen besonders praxisnah mit rollenden Rädern und bewegtem Boden – letzteres ist noch die absolute Ausnahme in der Autoindustrie. Das Gebläse des Windkanals hat einen Durchmesser von über sieben Metern Im Prinzip funktioniert ein Windkanal so simpel wie ein Haarfön: Ein elektrisch angetriebenes Gebläse saugt Luft an und führt sie gebündelt nach außen. Doch spätestens bei den Geschwindigkeiten enden die Parallelen: Statt des lauen Lüftchens im heimischen Badezimmer fegen bis zu 260 km/h schnelle Stürme durch den Kanal. Schließlich muss auch jener tosende Fahrtwind simuliert werden, dem ausgesprochen sportliche Autos wie beispielsweise der Vectra GTS mit dem 155 kW/211 PS starken 3,2-Liter-V6-Aggregat ausgesetzt sind. Die Schaufeln der Windkanal-Turbine besitzen einen Durchmesser von 7,2 Metern und sind damit fast dreimal so groß wie der Schaufelkranz eines modernen Airbus-Trieb-werks. Mit maximal 335 Umdrehungen pro Minute beschleunigen sie die Luft. Diese zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf, vergleichbar mit dem Umluftbetrieb einer Klimaanlage. "Windkanäle nach diesem so genannten 'Göttinger Prinzip' gehen sparsam mit der Energie um, weil nicht ständig neue Luftmassen angetrieben werden müssen", lobt Michael A. Kaufmann, Leiter des Aerodynamik-Testbereichs bei Opel, die Konzeption der Anlage. Nach dem erhöhten Bedarf beim Hochfahren des Gebläses sinkt die Leistungsaufnahme auf 0,5 bis 1,0 Megawatt bei den normalen Messgeschwindigkeiten. Zweimal wird der Wind umgelenkt, bevor er aus der 22,5 Quadratmeter großen Düse in den eigentlichen Messraum der so genannten Messstrecke strömt. Dorthin ist bereits das Auto per Aufzug transportiert worden. Für unterschiedliche Anströmungen lässt es sich auf einer Drehplatte in jeden gewünschten Wind-Winkel bringen. Die Fahrbahn saust unter dem stehenden Auto hindurch Paradox scheint die neueste technische Errungenschaft im FKFS-Windkanal: Nicht das Auto rollt mit Motorkraft, sondern die Straße bewegt sich unter dem stehenden Fahrzeug hindurch. Ein breites Laufband, vergleichbar dem Lauftrainer eines Fitnessstudios, wird entsprechend schnell angetrieben. Zugleich drehen sich die Räder des Autos frei auf vier kleineren Bändern. "Damit können wir die Strömungsverhältnisse, die auf der Unterseite eines Autos bei voller Fahrt herrschen, endlich exakt nachstellen", freut sich Aerodynamikexperte Kaufmann. Damit das Fahrzeug nicht fortgeweht wird und exakt in der Messposition verharrt, fixieren es Stützen in den Wagenheber-Aufnahmepunkten. "Früher haben Autohersteller für solche Untersuchungen die Fahrzeuge an einer Strebe im Wagendach aufgehängt", blickt Michael A. Kaufmann zurück. "Die neue Methode bietet große Vorteile. Wir müssen die Autos nicht mehr umbauen und können zugleich viel genauer messen." Künstlicher Kanal, virtuelles Auto, realistische Ergebnisse Hart am Wind arbeitet ebenso Andreas Kleber. Nur wenige Zentimeter neben ihm brausen Stürme durch den Raum, fegen Luftwirbel über das geöffnete Schiebedach eines voll besetzten Autos hinweg. Die Distanz ist so gering, dass die Köpfe der Passagiere durch die Luke genau zu erkennen sind. Doch Kleber hat trotz des Sturms keine Probleme, sich auf den Beinen zu halten; und selbst auf eine dicke Skijacke, mit der die Messtechniker im Windkanal Erkältungen vorbeugen, kann er verzichten. Denn der Sturm tobt hier gänzlich windstill auf dem Computer-Bildschirm. Die rechnergestützte Strömungssimulation ist das Aufgabengebiet des jungen Luft- und Raumfahrtingenieurs in Opel-Diensten. Der Windkanal erscheint auf dem Monitor als simple Kiste, die kahlen Wände des rechteckigen Raums wirken wie eine Mischung aus frühem Videospiel und dreidimen-sionalem Wohnungs-Einrichtungs-Programm. Völlig virtuell ist ebenso das Auto. Die Spezialisten für Strömungssimulation sind frühzeitig in den Entwicklungsprozess eines neuen Fahrzeugs eingebunden, erzählt Kleber: "Sobald die Designer die ersten Entwürfe fertiggestellt haben, bekommen wir die Datensätze." Eine spezielle Software bereitet die Dateien auf, aus den Außendaten des Fahrzeugs bildet sie ein dreidimensionales Oberflächennetz. Beim so genannten "Diskretisieren" wird dieses dann in Millionen von kleinen Dreiecken zerlegt. Dadurch steigt die Datenmenge gegenüber den Designentwürfen um etwa das Zehnfache an. Auch der künstliche Windkanal setzt sich aus vielen kleinen Volumenelementen zusammen. Komplexe Differentialrechnungen machen Strömung sichtbar Der Sinn dieser elektronischen Fleißarbeit: Sobald dem Computer noch Randbedingungen wie die Luftgeschwindigkeit im Kanal vorgegeben worden sind, errechnet dieser die Strömung in jedem einzelnen Volumenelement. Bis zu 90 Stunden benötigt der leistungsfähige Großrechner für die Lösung der komplexen Differentialrechnungen. Mit den Ergebnissen lassen sich erste Aussagen über die Luftwiderstandsbeiwerte treffen und vor allem die Strömung visualisieren. "Noch bevor das allererste Tonmodell des neuen Autos existiert, sind wir bereits über dessen grundlegende aerodynamische Qualitäten im Bilde. Erkennen wir, dass sich der Strömungsverlauf an einer bestimmten Stelle noch verbessern lässt, können wir den Designern bereits in diesem Stadium eine entsprechende Rückmeldung geben", schildert Opel-Spezialist Andreas Kleber die Vorteile. Mit fortschreitender Entwicklung eines neuen Fahrzeugs werden auch die Datensätze immer detaillierter. Einzelne Komponenten oder ganze Baugruppen können dann am Rechner strömungstechnisch optimiert werden. Wie auf einer Wetterkarte lassen sich etwa die Hoch- und Tiefdruckgebiete vor und hinter den Außenspiegeln farbig darstellen. Der neue Vectra ist das erste Modell, bei dessen Entwicklung Opel von Anfang an konsequent auf die rechnergestützte Aerodynamik-Simulation gesetzt hat. Anströmung des Fahrzeugs, Strömungsverläufe unter der Fronthaube und die Motorkühlung konnten bei ihm erstmals gleichzeitig nachgeahmt werden. Dieser neuartigen Simulation verdankt der Vectra beispielsweise optimierte Lufteinlässe im vorderen Stoßfänger. Auch die Position der Scheibenwischer im windstillen Bereich hinter einem Spoiler am Ende der Motorhaube ist ein ganz handfestes Ergebnis der virtuellen Arbeit von Andreas Kleber und seinen Kollegen aus dem ITEZ in Rüsselsheim. Ebenso ein spezieller Windabweiser gegen das berüchtigte "Schiebedach-Wummern", am Computer simuliert wie geschildert mit einem virtuell voll besetzten Vectra. Die Arbeit im Windkanal bleibt wichtigstes Entwicklungswerkzeug Mehrere tausend (Rechner-)Stunden lang war der virtuelle Windkanal beim neuen Vectra allein im Jahr 2000 in Betrieb. Dadurch konnte der Feinschliff in den echten Windkanälen mit rund 750 Stunden vergleichsweise schnell erfolgen. Zum Vergleich: Beim aktuellen, 1998 eingeführten Astra wurden noch 1.900 (Windkanal-)Stunden benötigt. Doch trotz aller Zeit- und Kostenersparnis: Die Computersimulation wird in den nächsten Jahren den realen Windkanal nicht überflüssig machen. "In einer frühen Phase sind wir mit den Tonmodellen im Windkanal einfach flexibler", begründet Michael A. Kaufmann diese Einschätzung. "Wenn die Abrisskante noch nicht hundertprozentig passt, verändert der Modellbauer mit einem simplen Handgriff die Form des Autos." Eine neue Kerbe im tönernen Kofferraumdeckel, und schon kann im Modellwindkanal das Ergebnis dieser Modifikation überprüft werden. Eine solche Änderung in den Datensatz des Computerprogrammes einzugeben, dauert ungleich länger, von der anschließenden tagelangen Rechenarbeit ganz zu schweigen. Unter der Lupe Der Luftwiderstand: Wichtiger Wert für Fahrsicherheit und Verbrauch Je weniger Widerstand ein Auto dem Wind leistet, umso weniger Motorkraft muss allein für dessen Überwindung eingesetzt werden. Entsprechend gut schneidet ein windschnittiges Auto in puncto Kraftstoffverbrauch und Fahrleistungen ab. Zugleich untersuchen die Aerodynamik-Experten im Windkanal, wie die Modelle bei niedrigem wie hohem Tempo von der Luft um- und durchströmt werden. Das ist wichtig für die Fahrstabilität, dient aber ebenso der Überprüfung, ob etwa die Bremsscheiben optimal im kühlenden Luftstrom liegen. Zur Berechnung des Luftwiderstandes (cw x A) wird zunächst die Querschnittsfläche A des Autos bestimmt, indem ein Laser die Fahrzeugkontur abtastet. Anschließend untersuchen die Techniker im Windkanal, wie strömungsgünstig die Formgebung ist. Zur Ermittlung dieses cw-Wertes steht das Auto mit den Rädern auf vier Waagen und wird von vorn angeströmt. Der Wind lässt Kräfte am Auto wirken, so dass sich dessen Gewicht an den Auflageflächen verändert. Entsteht Auftrieb, wird es leichter, bei Abtrieb drückt die Strömung den Wagen dagegen entsprechend auf die Straße. Ein Computerprogramm berechnet aus den gemessenen Daten den cw-Wert. Dieser hängt von vielen Faktoren ab: von der Neigung der Frontscheibe ebenso wie dem Format der Reifen, dem Design der Außenspiegel oder der Lage der Scheibenwischer. Sichtbar machen lässt sich die Luftströmung mit Hilfe der so genannten Rauch-lanze. Sie erzeugt künstlichen Nebel. Dabei wird eine chemische Flüssigkeit per Druckluft über einen rund 180 Grad Celsius heißen Heizstab geblasen und entweicht über Düsen. Wird die Rauchlanze in den Wind gehalten, lässt sich die Strömung verfolgen. So können die Aerodynamiker direkt in Augenschein nehmen, ob irgendwo Turbulenzen oder Strömungsabrisse entstehen. 18. Februar 2002 | ||
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