Aerodynamik des Automobils Strömungsmechanik, Wärmetechnik, Fahrdynamik, Komfort ; mit 49 Tabellen
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| Format: | Buch |
|---|---|
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Vieweg
2005
|
| Ausgabe: | 5., völlig neu bearb. und erw. Aufl. |
| Schriftenreihe: | ATZ/MTZ-Fachbuch
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| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
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Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
Wolf Heinrich Hucho
1.1 Aufgabenstellung 1
1.1.1 Grundzüge der Automobil Aerodynamik 1
1.1.2 Eigenheiten der Fahrzeugaerodynamik 10
1.1.3 Angrenzende Fachgebiete 13
1.2 Geschichtliche Entwicklung 15
1.2.1 Vorschau 15
1.2.2 „Geborgte Formen 17
1.2.3 Stromlinienformen 19
1.2.4 Erste Parametervariationen 33
1.2.5 Das Kamm Heck 34
1.2.6 Metamorphose von der Kutsche zum Automobil 37
1.2.7 Die Ponton Karosserie 38
1.2.8 Einvolumen Körper 41
1.2.9 Schräganströmung und Richtungsstabilität 45
1.2.10 Nutzfahrzeuge 48
1.2.11 Motorräder und Schutzhelm 52
1.2.12 Innere Strömungen 53
1.3 Entwicklungsstrategien 54
1.3.1 Detailoptimierung 54
1.3.2 Formoptimierung 56
1.3.2.1 Strategie 56
1.3.2.2 Grundkörper 57
1.3.2.3 Entwicklung der Form 59
1.4 Gegenwart und zukünftige Trends 62
1.4.1 Stand der Technik 62
1.4.2 Entwicklungsaufwand 68
1.5 Aerodynamik und Design 69
1.6 Bezeichnungen 77
2 Einige Crundzüge der Strömungsmechanik
Dietrich Hummel
2.1 Stoffeigenschaften inkompressibler Fluide 79
2.1.1 Dichte 79
2.1.2 Viskosität 79
2.1.3 Wärmeleitfähigkeit 80
2.2 Strömungsprobleme an Kraftfahrzeugen 80
2.2.1 Umströmung 81
2.2.2 Durchströmung 82
2.3 Umströmungsprobleme 82
2.3.1 Grundgleichungen für reibungslose, inkompressible Außenströmung.. 82
2.3.2 Anwendungsbeispiele 83
2.3.3 Reibungseinflüsse 85
X Inhaltsverzeichnis
2.3.3.1 Laminare und turbulente Grenzschichtausbildung 85
2.3.3.2 Ablösung 88
2.3.3.3 Reibungswiderstand 89
2.3.3.4 Druckwiderstand 91
2.3.3.5 Gesamtkräfte und momente 95
2.3.3.6 Temperaturgrenzschichten 96
2.3.4 Sonderprobleme 100
2.3.4.1 Geräusche 100
2.3.4.2 Mehrkörperprobleme 101
2.3.4.3 Inhomogenitäten 104
2.4 Durchströmungsprobleme 106
2.4.1 Grundgleichungen für inkompressible Strömung 106
2.4.2 Anwendungsbeispiele 107
2.4.2.1 Laminare und turbulente Rohrströmung 107
2.4.2.2 Rohrkrümmer 109
2.4.2.3 Einlaufkanten 110
2.4.2.4 Örtliche Querschnittsverengungen 111
2.4.2.5 Querschnittserweiterungen 111
2.4.2.6 Reihenschaltung von Verlusten 113
2.4.2.7 Verzweigungen und Zusammenflüsse 114
2.4.2.8 Parallelschaltung von Verlusten 117
2.5 Zusammenwirken von Umströmung und Durchströmung bei Fahrzeugen 118
2.6 Bezeichnungen 119
3 Verbrauch und Fahrleistungen
Teddy Woll
3.1 Stellenwert des Luftwiderstandes 123
3.2 Theorie der Fahrwiderstände 125
3.2.1 Rollwiderstand 126
3.2.2 Luftwiderstand 127
3.2.3 Hangabtriebskräfte 128
3.2.4 Beschleunigungskräfte 128
3.2.5 Gesamt Fahrwiderstand 129
3.2.6 Beispiel 129
3.3 Fahrleistungen 130
3.3.1 Beschleunigung und Elastizität 130
3.3.2 Steigfähigkeit 132
3.3.3 Höchstgeschwindigkeit 133
3.4 Verbrauch 134
3.4.1 Verbrauchsberechnung 134
3.4.2 Verbrauchsmessung und CO2 Äquivalente 136
3.5 Fahrzyklen 138
3.5.1 Historie 138
3.5.2 Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ) 139
3.5.3 US Amerikanische Zyklen 140
3.5.4 Japanische Zyklen 141
3.5.5 Reale Zyklen 141
Inhaltsverzeichnis XI
3.6 Möglichkeiten zur Verbrauchsreduzierung 142
3.6.1 Energieflussdiagramm 142
3.6.2 Motorwirkungsgrad und kennfelder 143
3.6.3 Nebenaggregate 145
3.6.4 Getriebe 145
3.6.5 Fahrzeugmasse 147
3.6.6 Rollwiderstand 148
3.6.7 Luftwiderstand 149
3.7 Luftwiderstandsreduzierende Maßnahmen 150
3.7.1 Möglichkeiten zur Widerstandsreduktion 150
3.7.2 Gewichtsäquivalent 150
3.7.3 Amortisationsbetrachtung 151
3.8 Flottenverbrauch und geplante Gesetze 152
3.8.1 Geplante Gesetze in der EU freiwillige Selbstverpflichtung 153
3.8.2 Gesetze in USA 154
3.9 Bezeichnungen 154
4 Der Luftwiderstand von Personenwagen
Wolf Heinrich Hucho
4.1 Das Automobil ein stumpfer Körper 157
4.2 Formen der Ablösung an einem Pkw 159
4.2.1 Symmetrische Strömung 159
4.2.2 Mechanismen bei der Ablösung 160
4.2.2.1 Kinematik 160
4.2.2.2 Nichtperiodisches Totwasser 162
4.2.2.3 Periodisches Totwasser 163
4.2.2.4 Totwasser mit ringförmigem Wirbel 164
4.2.2.5 Ablösung an schrägen Kanten 164
4.2.3 Instationäre Effekte 165
4.2.3.1 Quer und Ringwirbel 165
4.2.3.2 Längswirbel 169
4.3 Möglichkeiten, den Luftwiderstand zu analysieren 169
4.3.1 Ansätze für die Betrachtung 169
4.3.2 Physikalische Mechanismen 170
4.3.3 Ort des Entstehens 172
4.3.4 Wirkung auf die Umgebung 174
4.3.5 Widerstand und Auftrieb 177
4.4 Teilwiderstände 179
4.4.1 Möglichkeiten für die Beobachtung 179
4.4.2 Vorderwagen 180
4.4.3 Windschutzscheibe und/4 Säule 187
4.4.4 Dach 193
4.4.5 Heck 195
4.4.5.1 Geometrische Varianten 195
4.4.5.2 Vollheck 196
4.4.5.3 Fließheck 202
4.4.5.4 Stufenheck 212
4.4.6 Grundriss und Seitenteile 218
XII Inhaltsverzeichnis
4.4.7 Unterseite, Räder und Radhäuser 220
4.4.7.1 Gemeinsame Behandlung 220
4.4.7.2 Unterboden 222
4.4.7.3 Räder und Radhäuser 225
4.4.8 Spoiler 234
4.4.8.1 Wozu überhaupt Spoiler? 234
4.4.8.2 Bugspoiler 235
4.4.8.3 Heckspoiler 241
4.4.9 Anbauteile 244
4.4.10 Durchströmwiderstände 246
4.4.11 Wechselwirkungen 251
4.5 Ansätze zu einer Systematisierung 252
4.5.1 Ordnung der Versuchsergebnisse 252
4.5.2 Verfahren zur Abschätzung des Widerstandes 254
4.6 Wechselwirkungen mit anderen Fahrzeugen 257
4.6.1 Pkw mit Anhänger 257
4.6.2 Konvoi Fahren 263
4.7 Vorgehen während der Entwicklung 265
4.7.1 Formulierung der Aufgabe 265
4.7.2 Ablauf der Entwicklung 267
4.7.3 Beispiele aus der Entwicklung 269
4.8 Widerstand von Serienfahrzeugen 271
4.8.1 Bewertung von Versuchsergebnissen 271
4.8.2 Ausstattung, Motorisierung 271
4.8.3 Fahrzeuglage 273
4.8.4 Dilemma Stirnfläche 276
4.8.5 Widerstands Daten nach EADE 276
4.9 Ansätze für eine weitere Reduzierung des Widerstandes 278
4.10 Bezeichnungen 283
5 Richtungsstabilität
Lothar Krüger, Manfred Lentzen
5.1 Einführung 285
5.2 Aerodynamik und Fahrstabilität Geschichtliche Entwicklung 286
5.3 Natürlicher Wind und Seitenwind 289
5.4 Entstehung aerodynamischer Kräfte und Momente 293
5.5 Aerodynamik und Fahrverhalten 295
5.5.1 Auftrieb bei Geradeausfahrt 295
5.5.2 Kurvenfahrt 299
5.5.3 Lastwechselreaktionen 303
5.5.4 Einfluss der Luftkräfte auf das Bremsverhalten 304
5.5.5 Fahrverhalten bei Seitenwind 308
5.6 Einfluss der Fahrzeugform auf die aerodynamischen Kräfte und Momente 317
5.6.1 Auftrieb und Nickmoment 318
5.6.2 Seitenkraft und Giermoment 321
5.6.3 Rollmoment 329
5.6.4 Vergleich der Grundformen 331
5.7 Aerodynamische Effekte der Komponenten 332
5.7.1 Kühlluftströmung 333
Inhaltsverzeichnis XIII
5.7.2 Fugen und Öffnungen 333
5.7.3 Außenspiegel 333
5.7.4 Reifen, Räder und Unterboden 334
5.7.5 Aerodynamische Anbauteile 335
5.7.6 Dachlasten 336
5.8 Instationäre Kräfte und Momente 338
5.8.1 Transiente Einflüsse auf den Seitenkraft und Giermomentenverlauf... 338
5.8.2 Turbulenz und deren Einfluss auf Auftrieb, Seitenkraft und
Giermoment 343
5.9 Aerodynamische Interferenzen 345
5.9.1 Kolonnenfahrt 346
5.9.2 Überholvorgänge 347
5.9.3 Fahren mit Anhänger 351
5.10 Test und Bewertungsmethoden 355
5.10.1 Aufgabe und Ansätze zur Lösung 355
5.10.2 Messungen im Windkanal 356
5.10.2.1 Vorteile und Einschränkungen 356
5.10.2.2 Stationäre Strömung, stehendes Modell 357
5.10.2.3 Stationäre Strömung, bewegtes Modell 357
5.10.2.4 Instationäre Strömung, stehendes Modell 358
5.10.3 Fahrdynamische Berechnungen 359
5.10.4 Fahrsimulator 360
5.10.5 Messungen auf der Straße 363
5.10.5.1 Fahrversuche an der Seitenwindanlage 363
5.10.5.2 Fahrversuche bei natürlichem Wind 366
5.11 Bezeichnungen 371
6 Funktion, Sicherheit und Komfort
Patrick Höfer, Alexander Mößner
6.1 Lokale Strömungsmechanismen und deren Auswirkung 373
6.2 Strömungsstrukturen und deren Analyse 374
6.2.1 Strömungsphänomene 374
6.2.2 Sichtbarmachung der Strömung 375
6.2.3 Druck und Geschwindigkeitsverteilung 380
6.3 Bauteilbelastung 385
6.3.1 Bauteillasten und deren Bestimmung 385
6.3.2 Türen, Klappen und Außenspiegel 386
6.3.3 Scheibenwischer 389
6.4 Belüftung, Bauteil und Aggregatekühlung 395
6.4.1 Be und Entlüftung des Fahrzeuginnenraums 395
6.4.2 Bauteiltemperaturen im Motorraum 396
6.4.3 Kühlung der Bremsen 398
6.5 Komfort bei offenem Fahren 399
6.5.1 Zielsetzung 399
6.5.2 Strömung bei geöffnetem Verdeck 400
6.5.3 Windgeräuschentstehung bei Cabriolets 401
6.5.4 Thermischer Komfort 401
6.5.5 Konstruktive Lösungen Cabriolets 407
6.5.6 Konstruktive Lösungen Schiebedächer 409
XIV Inhaltsverzeichnis
6.6 Schmutzfreihaltung 410
6.6.1 Fremd und Eigenverschmutzung 410
6.6.1.1 Ursachen der Fremdverschmutzung 411
6.6.1.2 Ursachen der Eigenverschmutzung 414
6.6.2 Strömungstechnische Phänomene der Verschmutzung 416
6.6.2.1 Physikalische Grundlagen 416
6.6.2.2 Tropfen in freier Strömung 416
6.6.2.3 Mechanismen beim Aufprall von Tropfen 417
6.6.2.4 Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit 419
6.6.3 Schmutzfreihaltungsuntersuchung im Windkanal 420
6.6.3.1 Simulation der Fremdverschmutzung 420
6.6.3.2 Simulation der Eigenverschmutzung 421
6.6.4 Konstruktive Lösungen zur Reduktion der Fahrzeugverschmutzung.... 421
6.6.4.1 Schmutzfreihaltung von Windschutzscheibe und
Scheinwerfern 421
6.6.4.2 Vermeidung einer überlaufenden A Säu e 422
6.6.4.3 Optimierung des Außenspiegels 424
6.6.4.4 Reduzierung der Heckscheibenverschmutzung
(Fremdverschmutzung) 426
6.6.4.5 Schmutzfreihaltung von Tür und Heckdeckelgriffen 427
6.6.4.6 Schmutzfreihaltung von Heckscheibe (Eigenverschmutzung)
und Rücklichtern 428
6.6.4.7 Reduzierung von Sprühnebel im Fahrzeugnachlauf 429
6.7 Bezeichnungen 430
7 Aeroakustik
Martin Helfer
7.1 Fahrzeuggeräusche 431
7.2 Entstehung von aerodynamischen Geräuschen 434
7.3 Hauptgeräuschquellen und Minderungsmöglichkeiten 436
7.3.1 Leckagen 436
7.3.2 Außenspiegel 437
7.3.3 Scheibenwischer 439
7.3.4 Antennen 440
7.3.5 y4 Säule 442
7.3.6 Hohlraumresonanzen 443
7.3.7 Radhäuser 446
7.3.8 Unterboden 446
7.3.9 Innengeräusch Reduzierung durch Erhöhung der Verglasungsstärke ... 448
7.3.10 Cabriolets 448
7.4 Psychoakustische Gesichtspunkte 450
7.5 Bezeichnungen 451
8 Hochleistungsfahrzeuge
Michael Pfadenhauer
8.1 Einführung 453
8.1.1 Definition 453
8.1.2 Kleine Vorschau 453
Inhaltsverzeichnis XV
8.2 Auszug aus der Geschichte 454
8.2.1 Rennwagen 454
8.2.2 Rekordfahrzeuge 460
8.2.2.1 Höchstgeschwindigkeit 460
8.2.2.2 Schallnahe Geschwindigkeiten 462
8.2.2.3 Andere Rekordziele 463
8.2.3 Sportwagen 468
8.3 Fahrzeugklassen 472
8.4 Rennstrecken 479
8.5 Reglements 480
8.6 Aerodynamik, Fahrleistungen und Fahrverhalten 482
8.6.1 Luftwiderstand 482
8.6.2 Abtrieb 486
8.6.3 Balance 489
8.6.4 Fahrverhalten 495
8.6.5 Effizienz 497
8.6.6 Kühlung und Belüftung 500
8.6.7 Schräganströmung 502
8.6.8 Windschatten 505
8.7 Aerodynamik der Bauteile 507
8.7.1 Grundkörper 507
8.7.2 Flügel 511
8.7.2.1 Aufgaben 511
8.7.2.2 Funktion 512
8.7.2.3 Widerstand 515
8.7.2.4 Induzierter Widerstand 517
8.7.2.5 Mehrere Flügel 518
8.7.3 Spoiler und Gurneys 521
8.7.4 Bodeneffekt 526
8.7.5 Diffusoren 530
8.7.5.1 Funktion 530
8.7.5.2 Auslegung 531
8.7.5.3 Erzeugung von Abtrieb 531
8.7.5.4 Reduktion des Widerstandes 534
8.7.5.5 Schlussfolgerung 536
8.7.6 Ein und Auslässe 538
8.7.7 Luftleitelemente 545
8.7.8 Räder 547
8.8 Bezeichnungen 550
9 Motorräder
Frank Ullrich, Bernward Bayer, Jürgen Bachmann
9.1 Prolog 553
9.2 Überblick über die Entwicklung der Motorrad Aerodynamik 554
9.2.1 Historie 554
9.2.2 Heutiger Stand der Technik 559
9.3 Aerodynamik und Fahrdynamik 563
9.3.1 Fahrleistungen 563
9.3.2 Fahrstabilität 565
XVI Inhaltsverzeichnis
9.3.3 Fahrverhalten bei Seitenwind 567
9.3.4 Auftriebseffekte 569
9.3.5 Kurvenfahrt 571
9.4 Entwicklungsmethoden 573
9.4.1 Untersuchungen im Windkanal 573
9.4.1.1 Messungen an Solomotorrädern 573
9.4.1.2 Durchströmung 582
9.4.1.3 Aeroakustik 583
9.4.1.4 Fahrzeugverschmutzung 584
9.4.2 Numerische Berechnung der Umströmung (CFD) 586
9.4.2.1 Simulationsmethode und Modellgenerierung 587
9.4.2.2 Validierung 588
9.4.2.3 Neue Analysemöglichkeiten mit CFD 591
9.4.2.4 Zukunftsaussichten von CFD in der Motorradentwicklung .... 594
9.4.3 Fahrversuch 595
9.4.3.1 Fahrleistungen und Fahrstabilität 595
9.4.3.2 Seitenwind 597
9.4.3.3 Wind und Wetterschutz 598
9.4.3.4 Verschmutzung 599
9.4.3.5 Aeroakustik 600
9.5 Sonderbauformen 601
9.5.1 Gespanne 601
9.5.2 Roller 602
9.5.3 Cl und Ecomobile 602
9.6 Ausblick 603
9.7 Bezeichnungen 604
10 Schutzhelme
GerdJanke, Jörg Rothhämel, Oliver Schimpf
10.1 Aufbau und Schutzfunktion 605
10.2 Motorradhelme 607
10.2.1 Aerodynamik 607
10.2.1.1 Entwicklungsziele 607
10.2.1.2 Helmgeometrie 607
10.2.1.3 Blickrichtung 609
10.2.1.4 Sitzposition und Frontscheibe 611
10.2.2 Aeroakustik 613
10.2.2.1 Entwicklungsziele und Lärmbelastung 613
10.2.2.2 Mechanismen und Einflussparameter der Schallerzeugung.... 616
10.2.2.3 Wahrnehmung von Umweltsignalen 619
10.2.2.4 Ansätze zur Lärmreduktion 621
10.2.3 Belüftung und Regentests 622
10.3 Helme für offene Rennfahrzeuge 625
10.3.1 Geschichtliches 625
10.3.2 Aerodynamik und Belüftung 625
10.3.3 Akustik 627
10.4 Mess und Simulationstechnik 629
10.4.1 Abgrenzung 629
10.4.2 Windkanal 629
Inhaltsverzeichnis XVII
10.4.3 Aerodynamische Kräfte 630
10.4.4 Aeroakustik und Kunstkopfmesstechnik 632
10.4.5 Numerische Berechnungen der Strömung (CFD) 633
10.5 Bezeichnungen 634
11 Nutzfahrzeuge
Hans Götz, Thorsten Frank
11.1 Zielgruppe 635
11.2 Fahrwiderstände und Kraftstoffverbrauch 636
11.3 Auswirkung luftwiderstandsreduzierender Maßnahmen auf den
Kraftstoffverbrauch 638
11.4 Luftwiderstandsbeiwerte verschiedener Nutzfahrzeuge 643
11.4.1 Symmetrische Anströmung 643
11.4.2 Schräganströmung 644
11.4.3 Windeinflüsse Abgrenzung des Schiebewinkels 644
11.4.4 Charakterisierung des Luftwiderstandes im realen Fahrbetrieb 645
11.5 Reduzierung des Luftwiderstandes 647
11.5.1 Spielraum für aerodynamische Maßnahmen bei Nutzfahrzeugen 647
11.5.2 Optimierung im Windkanal Probleme der Modellmesstechnik 647
11.5.3 Luftwiderstandsoptimierung beim Lkw 649
11.5.3.1 Charakteristische Strömungs und Druckverhältnisse 649
11.5.3.2 Teilwiderstände Interferenz 651
11.5.3.3 Fahrerhaus Formgebung 652
11.5.3.4 Luftwiderstandsmindernde Anbauteile für Lkw 656
11.5.3.5 Aerodynamisch optimierter Lastzug 661
11.5.3.6 Aerodynamisch ausgelegte Sattelzugkonzepte 663
11.5.3.7 Anbauteile am Heck 666
11.5.3.8 Aerodynamische Optimierungsmaßnahmen am
Autotransporter 667
11.5.4 Luftwiderstandsoptimierung beim Omnibus und bei
Schnelltransporter Kastenwagen 668
11.5.4.1 Randbedingungen 668
11.5.4.2 Charakteristische Strömungsverhältnisse an einfachen
geometrischen Körpern 668
11.5.4.3 Optimieren der Frontpartie 671
11.5.4.4 Optimieren des Heckbereichs 675
11.5.4.5 Trends im Bus Design 677
11.6 Aerodynamische Wechselwirkungen 678
11.6.1 Kolonnenbildung 678
11.6.2 Tunneldurchfahrt 680
11.7 Fahrzeugverschmutzung 685
11.7.1 Aufgabenstellung 685
11.7.2 Fremdverschmutzung 685
11.7.3 Eigenverschmutzung 687
11.7.3.1 Verringerung der Lkw Verschmutzung 687
11.7.3.2 Verringerung der Seitenwandverschmutzung beim Omnibus. 689
11.7.3.3 Verringerung der Heckflächenverschmutzung 692
XVIII Inhaltsverzeichnis
11.7.4 Sprühwasserbeaufschlagung nachfolgender Fahrzeuge 694
11.7.4.1 Neuer Ansatz zur Sprühfahnenreduktion 699
11.7.4.2 Fahrzeugfestes Messsystem 703
11.8 Bezeichnungen 703
12 Kühlung und Durchströmung
Bernhard Zuck, Wolfgang Kramer, Ralf Neuendorf
12.1 Anforderungen 705
12.1.1 Motorkühlung 705
12.1.1.1 Höchstgeschwindigkeit 706
12.1.1.2 Leerlauf. 707
12.1.1.3 Fahrt mit Anhänger 707
12.1.1.4 Bergfahrten 707
12.1.2 Klimatisierung 707
12.1.3 Bremsenkühlung 708
12.1.4 Komponentenkühlung 709
12.1.4.1 Getriebe 709
12.1.4.2 Achsgetriebe 709
12.1.4.3 Bauteile 709
12.1.5 Kühlluftbedarf 709
12.1.6 Aerodynamik 710
12.1.7 Verbrauch 710
12.1.8 Weitere Einflussparameter 711
12.1.8.1 Fahrzeugdesign 711
12.1.8.2 Bauraum 711
12.1.8.3 Sicherheit 711
12.1.8.4 Akustik 711
12.1.8.5 Motorfrischluft 712
12.2 Auslegung des Kühlsystems 712
12.2.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 712
12.2.1.1 Wärmeleitung 712
12.2.1.2 Konvektiver Wärmetransport 712
12.2.1.3 Wärmestrahlung 714
12.2.2 Wärmetauscher 714
12.2.2.1 Gleichstrom und Gegenstrom Wärmetauscher 714
12.2.2.2 Kreuzstromwärmetauscher 715
12.2.2.3 Berechnung der Wärmetauscherleistung 715
12.3 Komponenten des Kühlsystems 719
12.3.1 Wärmetauscherarten 719
12.3.1.1 Kühlmittelkühler 719
12.3.1.2 Ladeluftkühler 723
12.3.1.3 Motorölkühler 726
12.3.1.4 Getriebeölkühler 727
12.3.1.5 Hydraulikölkühler 727
12.3.1.6 Klimakondensatoren 727
12.3.1.7 Abgaswärmetauscher 728
Inhaltsverzeichnis XIX
12.3.2 Lüfterund Kühlmoduldurchströmung 730
12.3.2.1 Lüfterbauformen 730
12.3.2.2 Lüfterauslegung 731
12.3.2.3 Moduldurchströmung 732
12.3.3 Kühlmittelpumpe 733
12.3.4 Motorkühlkreislauf. 733
12.3.5 Auslegung von Kühlsystemen 735
12.4 Durchströmung 736
12.4.1 Anordnung der Wärmetauscher 736
12.4.1.1 Positionen im Fahrzeug 736
12.4.1.2 Anordnung zu Kühlmodulen 737
12.4.2 Komponentenkühlung 738
12.4.3 Aerodynamik der Durchströmung 738
12.4.3.1 Strömungsform 738
12.4.3.2 Berechung des Kühlluftmassenstroms 740
12.4.4 Auswirkungen auf die Gesamtfahrzeug Aerodynamik 741
12.4.5 Systemoptimierung 744
12.4.5.1 Minimierung des Kühlluftmassenstroms 744
12.4.5.2 Anströmung und Lufteintritt 745
12.4.5.3 Luftführung und Kühlermatrix 746
12.4.5.4 Lüfter und Motorraum 748
12.4.5.5 Luftaustritt 750
12.5 Messungen in der Kühlluftströmung 751
12.6 Bezeichnungen 753
13 Heizung, Lüftung, Klimatisierung von Pkw
Holger Großmann
13.1 Randbedingungen 757
13.1.1 Einführung 757
13.1.2 Vorschriften, Richtlinien und Normen 757
13.2 Klimaphysiologie 758
13.2.1 Auf die Insassen einwirkende Größen 758
13.2.2 Behaglichkeitsmodell von P. O. Fanger 758
13.2.3 Mittlere Innenraumlufttemperatur 759
13.2.4 Luftgeschwindigkeit 760
13.2.5 Sonneneinstrahlung 761
13.2.6 Herzfrequenz 761
13.3 Auf den Pkw wirkende Größen 762
13.4 Luftstrom durch den Fahrgastraum 763
13.4.1 Zu und Abluftöffnungen 763
13.4.2 Charakteristische Kurvenscharen 764
13.4.2.1 Gebläse 764
13.4.2.2 Leckagelinien Z,w der Karosserie 765
13.4.2.3 Abluftlinien Aw 766
13.4.2.4 Belüftungslinien ßw 766
13.4.2.5 Belüftungsstrom 768
13.4.2.6 Belüftungsstrom bei geöffnetem Schiebe/Ausstelldach 768
XX Inhaltsverzeichnis
13.4.3 Leckzuluft und Leckabfluftströme 769
13.4.3.1 Bedeutung des Leckzuluftstroms 769
13.4.3.2 Entstehung der Leckagelinie 769
13.4.3.3 Berechnung der Leckzuluft und Leckabluftströme 770
13.4.3.3.1 Ermittlung der Häufigkeitsverteilung durch
Klassierung 771
13.4.3.3.2 Ermittlung der Häufigkeitsverteilung aus
gemessenen Leckagelinien 772
13.4.3.4 Leckzuluftstrom bei geschlossener Be und Entlüftung 774
13.4.3.5 Beispiele 774
13.5 Wärmestrom durch den Fahrgastraum 775
13.5.1 Wärmedurchgang durch die Karosserie 776
13.5.2 Schnittstelle Heizungswärmetauscher/Fahrgastraum 778
13.5.2.1 Kennfeld des Wärmetauschers 778
13.5.2.2 Stationäre Innenraumlufttemperatur im Außenluftbetrieb 779
13.5.2.3 Instationäre Innenraumlufttemperatur im Außenluftbetrieb.... 781
13.5.2.4 Mittlere Innenraumlufttemperatur im Umluftbetrieb 781
13.5.2.5 Motor mit niedrigem Verbrauch 781
13.5.3 Schnittstelle Verdampfer/Fahrgastraum 783
13.5.3.1 Kennfeld des Verdampfers 783
13.5.3.2 Mittlere Innenraumlufttemperatur im Außenluftbetrieb 786
13.5.3.3 Mittlere Innenraumlufttemperatur im Umluftbetrieb 787
13.5.3.4 Instationäre Abkühlung im Umluftbetrieb 788
13.5.4 Sonneneinstrahlung und Sommerluftaufheizung 788
13.5.4.1 Sonneneinstrahlung durch die Scheiben 788
13.5.4.2 Sonneneinstrahlung und die Karosserie 792
13.5.4.3 Aufheizung geparkter Pkw 792
13.5.4.4 Farbe der Lackierung 793
13.5.4.5 Material der Sitze 793
13.5.4.6 Vollständig weißer und schwarzer Pkw in der Sonne 793
13.5.4.7 Solarzellenbetriebene Standbelüftung 794
13.5.4.8 Aufheizung bei Fahrt 794
13.6 Stofftransport 795
13.6.1 Wasserdampf 795
13.6.1.1 Beispiel: Heizung im Außenluftbetrieb 796
13.6.1.2 Beispiel: Heizung im Umluftbetrieb 796
13.6.1.3 Beispiel: Klimaanlage im Umluftbetrieb 796
13.6.2 Gaskonzentrationen im Fahrgastraum 796
13.6.3 Scheibenenteisung und Entfeuchtung 797
13.6.4 Filterung 798
13.7 Steuerungen und Regelungen 798
13.7.1 Temperatursteuerung der Heizung 798
13.7.2 Regelung der Verdampfer 799
13.7.3 Steuerung und Regelung der Luftverteilung und der Temperatur 800
13.8 Ausgeführte Anlagen 800
13.8.1 Heizgeräte 800
13.8.2 Klimageräte 801
13.9 Bezeichnungen 803
Inhaltsverzeichnis XXI
14 Windkanäle
Wolf Heinrich Hucho
14.1 Aufgabenstellung 807
14.1.1 Anforderungen an einen Fahrzeugwindkanal 807
14.1.2 Simulation der Straßenfahrt 810
14.1.2.1 Stationär 810
14.1.2.2 Instationär 812
14.2 Auszüge aus der Windkanaltechnik 814
14.2.1 Literaturauswahl 814
14.2.2 Aufbau und Funktion 815
14.2.3 Eigenschaften der wesentlichen Komponenten 816
14.2.3.1 Bei der Versuchsplanung zu beachten 816
14.2.3.2 Die Düse 817
14.2.3.3 Die Messstrecke 823
14.2.3.4 Der Kollektor 830
14.2.3.5 Das Plenum 836
14.2.3.6 Wärmetauscherund Sonnenlichtsimulation 837
14.2.3.7 Ausrüstung 838
14.3 Messung der Windgeschwindigkeit 839
14.3.1 Kalibrierung eines Windkanals 839
14.3.2 Düsen und Plenummethode 841
14.3.3 Ausführung der Messung und Korrektur der Geschwindigkeit 841
14.4 Defizite der Simulation 844
14.4.1 Idealisierung und systematische Fehler 844
14.4.2 Darstellung der Straße 845
14.4.3 Windkanalkorrekturen 863
14.4.3.1 Aufgabenstellung 863
14.4.3.2 Geschlossene Messstrecke 865
14.4.3.3 Offene Messstrecke 868
14.4.3.4 Grenzschicht auf dem Messstreckenboden 871
14.4.3.5 Schiebende Zuströmung 871
14.4.3.6 Thermische Versuche 872
14.5 Versuche mit verkleinerten Modellen 873
14.5.1 Vor und Nachteile 873
14.5.2 Details zur Modelltechnik 874
14.5.3 Einfluss der Reynolds und der Mach Zahl 877
14.6 Ausgeführte Fahrzeugwindkanäle 885
14.6.1 Einteilung der Versuchsanlagen 885
14.6.2 Windkanäle für Fahrzeuge in natürlicher Größe 889
14.6.3 Modellwindkanäle 896
14.6.4 Klima und Thermowindkanäle 898
14.6.5 Thermo und Akustikblaskanäle 902
14.7 Vergleichsmessungen 903
14.8 Ausblick 906
14.9 Bezeichnungen 907
XXII Inhaltsverzeichnis
15 Mess und Versuchstechnik
Görgiin A. Necati, Wigbert Kohl
15.1 Überblick 909
15.2 Messgeräte und Messwertaufnehmer 909
15.2.1 Messung aerodynamischer Kräfte und Momente 909
15.2.1.1 Windkanal Waagen 909
15.2.1.2 Zerlegung der aerodynamischen Kräfte und Momente in
ihre Komponenten 910
15.2.1.3 Messung der Stirnfläche 913
15.2.2 Druckmessungen 915
15.2.2.1 Dynamischer Druck 915
15.2.2.2 Statischer Druck 917
15.2.2.3 Messwertaufnehmer für Drücke 918
15.2.3 Messung der Strömungsgeschwindigkeit 923
15.2.3.1 Messung der Windgeschwindigkeit außerhalb und
innerhalb des Testfahrzeuges 923
15.2.3.2 Bestimmung der Strahlgeschwindigkeit des Windkanals 930
15.2.3.3 Messung der Strömungsrichtung 932
15.2.4 Temperaturmessung 933
15.2.4.1 Temperatursensoren 933
15.2.4.2 Typische Messfehler bei Temperaturmessungen 936
15.2.5 Erfassung der Messdaten und Daten Management 938
15.3 Messverfahren im Windkanal 940
15.3.1 Messung der aerodynamischen Koeffizienten 940
15.3.2 Air Flow Management 940
15.3.3 Messung des Luftdurchsatzes durch den Fahrgastraum 942
15.3.3.1 Luftdurchsatzmessung mit Hilfe von Austrittskennlinien
das Wirkdruckverfahren 943
15.3.3.2 Weitere Methoden zur Messung des Luftdurchsatzes
durch den Fahrgastraum 945
15.3.4 Heizungs und Klimatisierungstest 946
15.3.5 Entfrostungs und Entfeuchtungstest 948
15.3.6 Motorkühlungstest im Windkanal 950
15.3.7 Sichtbarmachung der Strömung 952
15.3.8 Windgeräuschmessung im Windkanal 954
15.3.8.1 Messungen im Fahrzeuginnenraum 955
15.3.8.1.1 Messungen mit Einzelmikrophonen 955
15.3.8.1.2 Kunstkopfmesstechnik 955
15.3.8.1.3 Schallintensitätsmesstechnik 956
15.3.8.2 Messung von Außengeräuschen 957
15.3.8.2.1 Intensitätsmessungen mit Spezialsonden 958
15.3.8.2.2 Mikrophon Arrays 959
15.3.8.2.3 Akustische Holografie 961
15.3.8.2.4 Hohlspiegel Mikrophone 964
15.3.8.3 Messung von lokalen Druckschwankungen in der
Strömung 967
15.3.8.4 Körperschallmessungen 967
15.3.9 Versuche in Wasser 969
Inhaltsverzeichnis XXIII
15.4 Messverfahren auf der Straße 972
15.4.1 Messung des Luftwiderstandes im Auslaufversuch 972
15.4.2 Seitenwindversuche 976
15.4.3 Motorkühlungstests auf der Straße 979
15.4.4 Verschmutzung von Glasflächen und Karosserieteilen 980
15.4.5 Windgeräusch Messung auf der Straße 981
15.5 Bezeichnungen 982
16 Numerische Verfahren
Syed R. Ahmed, Ludger Lührmann
16.1 Pro und kontra Numerik 985
16.2 Merkmale der Fahrzeugumströmung 988
16.3 Anforderungen an CFD Verfahren 988
16.4 CFD Verfahren für die Fahrzeugaerodynamik 989
16.4.1 Allgemeine Bemerkungen 989
16.4.2 Die Navier Stokes Bewegungsgleichungen für ein inkompressibles
Medium 990
16.5 Probleme bei Anwendung von CFD Verfahren 992
16.5.1 Gebot zur Vereinfachung 992
16.5.2 Klassifizierung der CFD Verfahren 993
16.5.3 Ablauf einer Berechnung 994
16.5.4 Netzgenerierung 994
16.6 Beschreibung der CFD Verfahren 999
16.6.1 Lineare Verfahren 999
16.6.2 Nichtlineare Verfahren 1003
16.6.2.1 Lösungsmethodik 1003
16.6.2.2 Zeitunabhängige Verfahren 1004
16.6.2.3 Turbulenzmodellierung für RANS Verfahren 1006
16.7 Nichtlineare instationäre Verfahren 1010
16.7.1 Das instationäre RANS Verfahren (URANS, VLES) 1010
16.7.2 Large Eddy Simulation (LES) 1010
16.7.2.1 Struktur der Turbulenz 1010
16.7.2.2 Filterung der NS Gleichungen 1011
16.7.2.3 Netzverfeinerung bei LES Verfahren 1013
16.7.2.4 Rechenaufwand bei LES Verfahren 1013
16.7.3 Direkte numerische Simulation (DNS) 1015
16.7.4 Lattice Boltzmann Verfahren 1016
16.7.5 Hybrid und Zonalverfahren 1018
16.7.5.1 Detached Eddy Simulation (DES) 1018
16.7.5.2 Zonal Verfahren 1018
16.7.5.3 Zonal Verfahren mit Nachlaufmodellierung 1019
16.7.6 Eindimensionale Verfahren 1022
16.7.6.1 Schrittweise Auslegung von Kühlsystemen 1022
16.7.6.2 Luftseite 1022
16.7.6.3 Flüssigkeitsseite 1026
XXIV Inhaltsverzeichnis
16.8 CFD bei der Entwicklung von Automobilen Vorgehensweise und
ausgewählte Beispiele 1028
16.8.1 Bedingungen für den Einsatz von CFD 1028
16.8.2 Integration von CFD in den Entwicklungsprozess 1028
16.8.3 Prognosegüte 1030
16.8.4 Drücke, Kräfte und Momente am Fahrzeug 1032
16.8.5 Aufzeigen aerodynamischer Potenziale mittels CFD 1033
16.8.6 Einfluss des Turbulenzmodells auf die Rechenergebnisse 1036
16.8.7 Kühlluft für Komponenten 1038
16.8.8 Aggregatekühlung 1039
16.8.9 Klimatisierung 1043
16.8.10 Aeroakustische Untersuchungen 1045
16.9 Benötigte Computer 1047
16.9.1 Bedarf an Rechenleistung und Entwicklungstendenz der
Supercomputer 1047
16.9.2 Architektur der Supercomputer 1049
16.10 Wertung und Ausblick 1050
16.11 Bezeichnungen 1051
Anhang
Literaturverzeichnis 1053
Abkürzungen 1102
Institute, Organisationen, Veranstaltungen 1103
Die Autoren 1107
Sachworrverzeichnis 1112
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