© AUDI AG

Aerodynamik ist King

01.02.2021

Gegen alle Widerstände: Für eine optimale Windschlüpfrigkeit feilen Ingenieure und Autodesigner seit 100 Jahren am Luftwiderstandsbeiwert, dem sogenannten cW-Wert. Das sind die aerodynamischsten Autos der Welt.

Der cW-Wert ist so etwas wie die PS-Kennzahl: Er bewertet die Aerodynamikeigenschaften eines Wagens und ermöglicht den direkten Vergleich unterschiedlicher Fahrzeugklassen. Dabei gilt: Je niedriger der cW-Wert, desto weniger Luftwiderstand bietet eine Karosserie. Großen Einfluss bei der Berechnung hat die Stirnfläche des Autos, die während der Fahrt die gesamte Luft verdrängen muss. Neben dem Luftwiderstand ist die Luftdichte ein wesentlicher Faktor. Sie wird anhand der Temperatur und dem Luftdruck ermittelt. Zu guter Letzt bestimmt vor allem die Fahrgeschwindigkeit den Luftwiderstand. Und der ist auf der Autobahn logischerweise am höchsten. Bei Vollgas wird fast 90 Prozent des Kraftstoffs dafür verbraucht, um gegen den Wind anzukommen. Senkt man den cW-Wert nur um ein Hundertstel, steigt die Reichweite auf der Autobahn um zwei bis drei Prozent. Beim Elektroauto spielt Aerodynamik eine noch größere Rolle, da das Fahrzeuggewicht durch die Rekuperation an Bedeutung verliert. Umso mehr machen sich dagegen Verluste beim Verdrängen der Luft bemerkbar.

Die neue S-Klasse im Windkanal.

Detailarbeit statt Revolution

Mit einem cW-Wert von 0,22 gehört die neue S-Klasse von Mercedes-Benz zu den strömungsgünstigsten Fahrzeugen überhaupt. Der schnittige E-Porsche Taycan wartet mit demselben Wert auf – übrigens der beste Wert aller aktuellen Porsche-Modelle. Die Autobauer und Ingenieursdienstleister sind auf der Suche nach dem besten Kompromiss aus Effektivität, Nutzen und Komfortansprüchen. Und so gelingen Optimierungen eher in kleinen Schritten: gewölbte Frontverglasung, versteckte Wischer, plane Unterböden, optimierte Heckkanten, abgedeckte Radhäuser, abgeflachte A-Säulen, Verzicht auf Antennen, auch die Durchströmungen von Kühlern und des Motorraumes bieten Ansätze. Der virtuelle Außenspiegel beim Audi e-tron brachte 5 cW-Punkte, das verlängert die Reichweite eines Elektroautos um etwa zweieinhalb Kilometer. Der batterieelektrische Konkurrent EQC von Mercedes-Benz setzt auf ein rundes Bug sowie 3D-Radspoiler für mehr Reichweite. Es braucht aber schon extreme Formen, um den Luftwiderstand in einem nennenswerten Maße weiter zu reduzieren. Das führt wiederum schnell zu Nachteilen im Innenraum und hohen Kosten wie beim XL1: Das in 2013 vorgestellte Einliterauto von Volkswagen deklassierte die Konkurrenz zwar mit Effizienz und einem cW-Wert von 0,189. Doch den engen Zweisitzer gab es nur als Kleinserie mit 200 Exemplaren – für mehr als 100.000 Euro pro Fahrzeug.

Die aerodynamischsten Autos der Welt

Wer bietet weniger?

Nur ein Hundertstel über dem Wert liegt der Mercedes-Benz "Intelligent Aerodynamic Automobile". Das Konzeptfahrzeug wurde 2015 auf der IAA präsentiert. Es verändert während der Fahrt seine Form und Gestalt. So schaltet der Hybrid manuell per Knopfdruck oder automatisch ab einer Geschwindigkeit von 80 km/h vom Design- in dien Aerodynamik-Modus. Ein absolutes Novum. Bisher war ein Auto eher ein starres Gebilde ohne Teile, die sich der Fahrsituation intuitiv anpassen – den ausfahrbaren Heckspoiler mal ausgenommen. Bei dem Mercedes wird das Heck um 39 Zentimeter verlängert. Ausfahrbare und bewegliche Lamellenflügel verbessern die Umströmung an Bug und Unterboden. Und auch an den Felgen tut sich was: Das sportliche Fünfspeichenrad wird zu einer vollflächigen Scheibe, sorgt damit weniger Luftverwirbelungen. Für den optimalen Luftstrom kauert das IAA Concept mit gerade mal zehn Zentimetern Abstand auf der Straße. Türgriffe gibt es zudem nicht, die Außenspiegel werden durch einen Displayvariante mit Kamera abgelöst. Lag der Wert des Prototypen im Normalbetrieb noch bei 0,25, hat er sich nach der Transformation jetzt auf 0,19 verringert. BMW hat ein Jahr später mit der Konzeptstudie "Vision Next 100" noch einen draufgesetzt: Neben dem stromlinienförmigen Design sind die Radkästen durch die sogenannte „Alive Geometry“ geschlossen. Eine dehnbare Haut passt sich den Lenkbewegungen an. Daraus resultiert ein Luftwiderstandsbeiwert von 0,18.

© Unsplash / Steffen Triekels
© Unsplash / Steffen Triekels

Der Pinguin – Maß aller Dinge

Auf der Suche nach technischen Neuerungen und Problemlösungen kupfern Designer und Ingenieure gerne bei der Natur ab – die Bionik ist immer wieder Quelle für Inspiration. Der Pinguin gilt als Inbegriff der Aerodynamik: Zwei, drei Schläge ihrer kurzen Flügel, dann gleiten die Antarktisbewohner mühelos durch die Tiefen des Ozeans. Wissenschaftler vom damaligen Kieler Institut für Meeresforschung – heute das Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung – fanden mit dem Bioniker Rudolf Bannasch heraus, dass der Langschwanzpinguin pro Tag mehr als 100 Kilometer zurücklegt. Und das bei einer Größe von nur einem halben Meter. Im Sprint schafft das Tier 25 km/h. Die Forscher gingen ebenso dem Nahrungsverhalten auf den Grund. Dabei kamen sie folgender Schlussfolgerungen: Würde das Tier Sprit tanken, könnten es mit nur einem Liter 2.500 Kilometer weit kommen. Bannasch unternahm weitere Versuche mit Pinguinmodellen im Strömungsumlaufkanal unter Wasser und im Windkanal. Mit bahnbrechenden Ergebnissen: Der cW-Wert lag im Promillebereich – und zwar bei lediglich 0,03. Die Schifffahrts-, Raumfahrt- und Militärindustrie profitierten noch heute von den Erkenntnissen. Für die Karosserie von Autos hat die nahezu perfekte Stromlinienform des Pinguins bislang keine Nachahmer gefunden. Der Wassertropfen dagegen schon.

Keiner war schlüpfriger: Der Schlörwagen

Zum 75. Jubiläum stellte das DLR ein maßstabsgerechtes Modell des tropfenförmigen Autos in den Windkanal.

Die Wurzeln der Aerodynamik

Die Tropfenform regte bereits Anfang des 20. Jahrhunderts deutsche Ingenieure an, kuriose Konzeptfahrzeuge zu entwickeln. Berühmte Vertreter sind der Tropfenwagen von den Rumpler-Werken aus dem Jahr 1921 und der Schlörwagen von 1939. Nachmessungen von VW in den 1970er-Jahren bescheinigten dem Rumpler-Exemplar einen cW-Wert von 0,28, dem Schlörwagen nur 0,15. Noch heute übertrumpfen beide Oldies damit aktuelle Modellreihen, allerdings sind die nicht nur „auf „cW getrimmt“, sondern berücksichtigen Vorgaben wie bequemes Einsteigen und das Crashverhalten. Ein Formel-1-Auto, das nach Aerodynamik in Perfektion aussieht, ist dagegen sprichwörtlich ein Wandschrank auf Rädern. In Sachen Luftwiderstand liegen die schnittigen Rennboliden bei cW-Werten von 0,8 bis 1,2, da hier der Fokus eher auf Kurvengeschwindigkeiten und Fahrstabilität liegt. Selbst ein Lastwagen kommt durchschnittlich auf 0,5 bis 0,85. Der Trailer "Aero Liner" von Krone und die Zugmaschine „Concept S“ von MAN aus dem Jahr 2012 bringen es zusammen sogar auf nur 0,3.

Der Braunschweiger Windkanal des DLR kann durch seine hohe Flexibilität sowohl für Flugzeuge als auch für Autos eingesetzt werden. © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
Der Braunschweiger Windkanal des DLR kann durch seine hohe Flexibilität sowohl für Flugzeuge als auch für Autos eingesetzt werden. © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)

Ab in den Windkanal

Nur mit computergestützten Simulationsmethoden, wie der numerischen Strömungsmechanik und Fertigungsmethoden wie dem Rapid Prototyping sind komplexe Geometrien und aerodynamische Eigenschaften des Fahrzeugs zu erzielen. Für die Arbeit der Entwicklungsingenieure sind dabei Prüfstände wie Windkanäle unerlässlich. Hersteller und Zulieferer arbeiten eng mit Wissenschaftlern wie vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen, um Fahrzeugpartien stromlinienförmiger zu gestalten. Allein am Forschungsstandort der DLR in Göttingen stehen für die Entwicklung von Pkw, Lkw, Jets und sogar Raumfähren 20 Windkanäle und Großforschungsanlagen zur Verfügung. Per Lasermessverfahren können dort Windströmungen simuliert und gemessen werden. Sportwagenspezialist Porsche verfügt in Weissach über mehrere Windkanäle für Fahrzeuge im Maßstab 1:1 und 1:3, mit oder ohne Straßensimulation. Von einem einfachen Schaumkörper über mit Drucksonden bestückte Modellkühler bis hin zur komplexen Durchströmkarosserie werden hier für die Entwicklung eingesetzt. Mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 300 Stundenkilometern lassen sich verschiedene Komponenten analysieren und dann immer weiter optimieren. Neben Fahrzeugen testen und optimieren hier auch Radrennmannschaften, Schirmhersteller oder Produzenten von Zelten ihre Produkte auf Wind- und Wetterfestigkeit.

Auf der IAA 2021 steht innovative Mobilität in allen Facetten im Mittelpunkt: Intelligente Verkehrslösungen, visionäre Denkweisen, Automobile und gesamte Mobilitätskette. Alles was Mobilität von morgen formt und erlebbar macht. Seien Sie dabei!