Untersuchung der Fahrzeugumströmung bei Seitenwind für die Frühphase der Pkw-Entwicklung (PDF)

Als Folge der Fahrzeugumströmung bei Seitenwind werden Fahrsicherheit und Fahrkomfort beeinflusst. Für die Seitenwindempfindlichkeit ist neben dem Seitenkraft-beiwert der Giermomentbeiwert als Störgrösse der Fahrzeugdynamik besonders bedeutend. Die vorliegende Arbeit widmet sich deshalb der numerischen und experimentellen Untersuchung der Fahrzeugumströmung bei Seitenwind, um ein möglichst niedriges Giermoment zu erzielen. Da dieses massgeblich durch die Fahrzeugaussenform bestimmt wird, deren Festlegung in der Frühphase der Pkw-Entwicklung erfolgt, fanden die Untersuchungen an charakteristischen Modellen dieser Entwicklungsphase statt.

Zunächst wurden Fehlereinflüsse der verwendeten experimentellen und numerischen Methoden für die Anströmung bei Seitenwind bestimmt. Im Windkanal nimmt als Folge der Drehung des Fahrzeugmodells die Düsenversperrung zu. Hierdurch werden die gemessenen Kraftbeiwerte verfälscht. Durch die Simulation der Fahrzeugumströmung in der Windkanalgeometrie konnten Änderungen des statischen Drucks im Strömungsfeld sowie die Beeinflussung der Kraft- und Momentenbeiwerte durch den Windkanal gezeigt werden. Ausserdem wurden Sensitivitäten des numerischen Simulationsprogramms STAR-CD® hinsichtlich der gewählten Netzauflösung und der Turbulenzmodellierung analysiert.

Unter Verwendung numerischer Strömungssimulationen (CFD) wurden Einflüsse der Aussenformgestaltung auf den Giermomentbeiwert untersucht. Das Ziel war, die geometrischen Änderungen an den sehr aufwendig vernetzten Simulationsmodellen möglichst effizient durchzuführen. Deshalb wurde zunächst ein Prozess entwickelt, der die Erstellung geometrisch modifizierter Modelle durch den Einsatz von Morphing-Technik beschleunigt. Hierzu wurde ein kommerzielles Werkzeug zur Verformung der Fahrzeugoberfläche eingesetzt und danach das Volumennetz passend zu den Vorgaben auf der Oberfläche verzerrt. Mit diesem Vorgehen wird der Zeitbedarf zum Aufbau von Netzen für geometrische Varianten bei sehr guter Prognosegenauigkeit drastisch reduziert.

Der Giermomentbeiwert konnte durch Änderungen der Heckform massgeblich beeinflusst werden. Die Auswirkungen von Formänderungen im Frontbereich fielen hingegen geringer aus. Die Untersuchungen zeigen, dass Modifikationen der Fahrzeugoberfläche bei Seitenwind oft Kompensationseffekte zwischen Luv- und Leeseite verursachen, durch welche die Wirksamkeit der Massnahmen reduziert wird.