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Die Fahrzeugaerodynamik bestimmt über den Luftwiderstand die Fahrleistung des Fahrzeugs. Über die Verteilung der Auftriebs- und Seitenkräfte auf die Fahrzeugachsen wirkt sie sich auch auf die Fahrsicherheit aus. Durch geeignete Maßnahmen kann die Fahr- zeugumströmung optimiert und so der Luftwiderstand gesenkt, die Auftriebsverteilung beeinflusst und die Seitenwindempfindlichkeit reduziert werden.
Die Fahrzeugaerodynamik kann dabei in Fahrzeugdurch- und umströmung unterteilt werden. Die Fahrzeugdurchströmung unterteilt sich in die Motorraumdurchströmung und die Durchströmung des Fahrgastraums, welche den Passagierkomfort wesentlich beeinflusst. Die Motorraumdurchströmung stellt die Wärmeabfuhr an thermisch belasteten Komponenten sicher und ist deshalb zur Einhaltung der zulässigen Betriebstemperaturen aller Aggregate im Motorraum erforderlich. Auf diese Weise bildet die Fahrzeugdurchströmung die Schnittstelle zwischen Aerodynamik und Thermomanagement.
Die durch den Motorraum strömende Kühlluft verursacht bis zu 10% des Luftwiderstands eines Fahrzeugs und bietet daher ein großes Potenzial für die aerodynamische Optimierung eines Fahrzeugs. Der Unterboden und die drehenden Räder sind für bis zu 45% des gesamten Luftwiderstands verantwortlich.
Die Forschungsschwerpunkte am IFS in der Fahrzeugaerodynamik sind:
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- Die Weiterentwicklung der Windkanalanlagen sowie der Windkanalmess- und simulationstechniken.
- Die Formentwicklung, Design, Modellbau und Packageuntersuchungen an Kraftfahrzeugen.
- Die Erfassung und Simulation instationärer Anströmung und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Aerodynamik.
- Die aerodynamische Interaktion zwischen der Bodensimulation, Raddrehung, Grenzschichtkonditionierung und der Umströmung des Fahrzeugs.
Eine Teildisziplin der Fahrzeugaerodynamik ist das Gebiet der Sichtfreihaltung bzw. des Wassermanagements. Dabei liegt in der Fahrzeugumströmung eine zweite, meist flüssige Phase vor, die die Fahrzeugoberflächen benetzt und bedingt durch die Scherkräfte der Umströmung weitertransportiert wird.
Vor allem bei schlechten Witterungsbedingungen, wie sie zum Beispiel im Winter häufig auftreten, erhält diese Disziplin eine große Bedeutung. Ein Aspekt der Sichtfreihaltung ist beispielsweis die Sicht durch die Seitenscheibe auf den Außenspiegel oder den durch die Scheibenwischer möglicherweise auftretenden Wasserrückzug.
Die Forschung des IFS konzentriert sich hierbei auf:
- Die Modellierung der auftretenden Phänomene in Experiment und Simulation.
- Die Dokumentation, Quantifizierung und Bewertung der Benetzung der untersuchten Fahrzeugoberflächen.
- Die Untersuchung und Quantifizierung der Benetzung von Scheibenbremsanlagen und die daraus resultierende Beeinflussung der Bremskraft.
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laufende Forschungsprojekte
Projektlaufzeit: 3 Jahre (bis 30.04.2022).
Projektpartner: Institut für Maschinenelemente, Universität Stuttgart
Ansprechpartner
Universität Stuttgart
IFS Lehrstuhl Kraftfahrwesen
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner
Herr Dr.-Ing. Timo Kuthada
Telefon +49 711 685-67615
Virtuelle Kupplung für Hochgeschwindigkeitszüge in Folgefahrt und Interaktion mit der Aerodynamik
Die virtuelle Kupplung ist ein vielversprechender Baustein zur Steigerung der Attraktivität und Wirtschaftlichkeit des Schienenverkehrs. Bei einer virtuellen Kupplung besteht keine physische Verbindung zwischen zwei oder mehreren Triebzügen, sondern es werden stattdessen kontinuierlich Daten zwischen den Zügen ausgetauscht. Die Triebzüge agieren dann zusammen als ein funktional vereinheitlichter Zugverband.
Ist eine standardisierte Kommunikation gegeben, so ist die virtuelle Kupplung auch ein Lösungsansatz zur Multikuppelbarkeit von Zügen, d.h. zur funktionalen Kuppelbarkeit mehrerer bauartfremder Triebzüge eines Herstellers oder verschiedener Hersteller. Durch die virtuelle Kupplung von Zügen kann außerdem der Streckendurchsatz erhöht werden, ohne gleichzeitig die höhere Flexibilität mehrerer kurzer Züge zu verlieren. Des Weiteren ergibt sich durch die dichte Folgefahrt der Triebzüge eines virtuell gekuppelten Zugverbandes eine mögliche Reduzierung des Luftwiderstands und damit des Energiebedarfs. Solche Konvois wurden bereits bei Nutzfahrzeugen untersucht, wobei teilweise beträchtliche Kraftstoffeinsparungen erreicht wurden.
Aus aerodynamischer Sicht ist die Interaktion zwischen den Zügen eines virtuell gekuppelten Zugverbands auch in Hinblick auf einen sicheren Betrieb, z.B. unter Einfluss von starken Seitenwinden, zu untersuchen.
Im Rahmen dieses Projekts wird durch den Projektpartner, das Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart, eine Risikoanalyse zur virtuellen Kupplung von Hochgeschwindigkeitszügen durchgeführt sowie ein Betriebskonzept erarbeitet. Am IFS werden sowohl das Potential zur Luftwiderstandsreduktion durch die dichte Folgefahrt von Hochgeschwindigkeitszügen als auch die Auswirkungen einer solchen Folgefahrt auf weitere aerodynamische Fragestellungen wie die Seitenwindstabilität untersucht.
Kernziele des Vorhabens sind
Die Untersuchung der Realisierbarkeit einer virtuellen Kupplung von Hochgeschwindigkeitszügen sowie die Bewertung des aerodynamischen Potentials zur Widerstandsreduzierung.
abgeschlossene Forschungsprojekte
Projektlaufzeit: September 2018 bis September 2021
Projektpartner: Dr.-Ing. h. c. F. Porsche AG.
Ansprechpartner
Lehrstuhl Kraftfahrwesen
Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner/
Prof. Dr.-Ing. J. Wiedemann
Dr.-Ing. Timo Kuthada
timo.kuthada@ifs.uni-stuttgart.de
Reduzierung des CO2 Ausstoßes durch aktive Strömungsbeeinflussung am Fahrzeugdiffusor
Der CO2 Ausstoß eines Fahrzeugs bzw. dessen Reichweite wird von den wirkenden Fahrwiderständen bestimmt. Die Luftwiderstandskraft steigt dabei quadratisch mit der Fahrgeschwindigkeit an und ist ab einer Fahrgeschwindigkeit von ungefähr 70 km/h die größte der wirkenden Kräfte. Ebenso ist die Luftwiderstandskraft proportional zu dem Produkt aus dem Widerstandskoeffizienten cw und der Stirnfläche Ax. Insbesondere SUVs und Geländewagen zeichnen sich durch eine Kombination aus großem cw und Ax aus. Zusätzlich unterliegen diese Fahrzeuge geometrischen Anforderungen, die u. a. Mindestmaße für den Bodenabstand und die Böschungswinkel vorgeben. Dies schränkt den Freiraum der aerodynamischen Optimierung der Grundform deutlich ein. Der Zusammenhang zwischen Geometrie und Strömungszustand lässt sich durch die aktive Strömungsbeeinflussung aufbrechen. Dafür wird der Strömung ein Impuls zugeführt. Durch den konvektiven Transport der Störung und deren Anwachsen kann eine Änderung des natürlichen Strömungszustands herbeigeführt werden. Das IFS arbeitet seit über 10 Jahren im Bereich der aktiven Strömungsbeeinflussung. So wurde z. B. eine quasi zweidimensionale Umströmung eines stumpfen Körpers mit einem Synthetischen Jets beeinflusst. Dessen Auslass wurde nahe der Hinterkante des Körpers platziert. Ein Synthetischer Jet wird durch eine schwingende Membran gebildet, die ein zyklisches Ein- und Ausströmen am Auslass erzeugt. Die Betriebsfrequenz und Amplitude steuert den zeitlichen Verlauf des zugeführten Impulses. Angewendet nahe der Abrisskante, kann die Scherschicht angeregt und der Luftwiderstand gesenkt werden. An einem detaillierten Fahrzeugmodell ist bisher keine wirksame Anwendung erfolgt. In dem vom Wirtschaftsministerium geförderten Forschungsvorhaben soll erstmals eine wirksame Strömungsbeeinflussung an einem detaillierten SUV Modell angewendet werden. Das Ziel ist die Senkung des Luftwiderstands und somit des CO2 Ausstoßes. Bedingt durch den erhöhten Bodenabstand und den großen hinteren Böschungswinkel, ist die Beeinflussung der unteren Scherschicht vielversprechend. Eine wirksame Anwendung hängt dabei maßgeblich von der detaillierten Kenntnis der unbeeinflussten Umströmung ab. Das Projekt wird durch die Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG unterstützt. Kernziele des Vorhabens sind Untersuchung des Effekts einer hochfrequenten Anregung der Scherschicht; Untersuchung der Korrelation zwischen der Diffusorgeometrie und Scherschichtanregung; Energetische Bilanzierung der Strömungsbeeinflussung eines realistischen Fahrzeugs.
Projektförderung Fördermittelgeber Wirtschaftsministerium
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Ihre Ansprechpartner
Timo Kuthada
Dr.-Ing.Bereichsleiter Fahrzeugtechnik 2 – Aerodynamik & Thermomanagement
Felix Wittmeier
Dr.-Ing.Bereichsleiter Fahrzeugtechnik 5 – Modellwindkanal, Windkanaltechnologie