Aerodynamik von Hochleistungsfahrzeugen. Gliederung.
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- Mina Messner
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1 WS 10/11 Folie 3.1 Hochleistungsfahrzeugen. Gliederung. 1. Einführung (Typen, Rennserien) 2. Aerodynamische Grundlagen 3. Aerodynamik und Fahrleistung 4. Entwicklung im Windkanal 5. Entwicklung mit CFD 6. Flügelelemente 7. Fahrzeugfront / -heck, Unterboden und Diffusor 8. Motorfrischluft / -kühlung, Bremsenkühlung 9. Leitbleche, Rad-/Radhaus 10. Rekord-/ und Serienfahrzeuge
2 WS 10/11 Folie 3.2 Fahrwiderstände (Längsdynamik). Fahrwiderstände Der Gesamt-Fahrwiderstand der Fahrzeuglängsbewegung setzt sich aus folgenden Teilwiderständen zusammen: Rollwiderstand: Luftwiderstand: Hangabtriebskraft: Beschleunigungskraft: F R = µ R m g F L = c W A ρ 2 v 2 F H = m g sinα F B = m + J R + i 2 J M r stat r dyn dv dt Gesamt-Fahrwiderstand: F G = F R + F L + F H + F B Gesamt-Leistungsbedarf: P G = F G v
3 WS 10/11 Folie 3.3 Fahrwiderstände. Bespielfahrzeug (Serie) µ R Rollwiderstandsbeiwert - 0,01+ f(v) m Fahrzeugmasse kg 1630 g Erdbeschleunigung 9,81 m/s 2 c W Luftwiderstandsbeiwert - 0,27 A Stirnfläche m 2 2,21 ρ Luftdichte kg/m 3 v Geschwindigkeit m/s α Steigungswinkel J R Trägheitsmoment Reifen kg m 2 /s 2 J M Trägheitsmoment Motor kg m 2 /s 2 i Übersetzung - r stat Reifenhalbmesser, statisch m r dyn Reifenhalbmesser, dynamisch m t Zeit s
4 WS 10/11 Folie 3.4 Fahrwiderstände. Komponenten des Gesamt-Fahrwiderstandes für das Beispielfahrzeug (Serie)
5 WS 10/11 Folie 3.5 Fahrwiderstände. Abschätzung Höchstgeschwindigkeit V max = P k c W A P: Motorleistung [kw] k: Korrekturfaktor (16-18) c W : Luftwiderstandsbeiwert [-] A : Stirnfläche [m 2 ] Beispiel: P = 450kW k = 17 c W = 1,0 A = 1,3m 2 V max = 273 km/h
6 WS 10/11 Folie 3.6 Reifencharakteristik. Die Reifencharakteristik ist ein wichtiges Bindeglied zwischen der Aerodynamik und der Fahrdynamik. Reibungskoeffizient: µ = F F N µ : Reibungskoeffizient F : Übertragene Reibungs-Kraft F N : Normalkraft Materialpaarung Max. Reibungskoeffizient Stahl auf Stahl 0,1-0,2 Gummi auf Metall 0,4-0,5 Reifen auf Asphalt 0,5-0,9 Rennreifen auf Asphalt 1,2-1,5 Qualifikationsreifen auf Asphalt 1,4-1,7
7 WS 10/11 Folie 3.7 Reifenschlupf und Bremskraft. Verhalten des Reifens beim Bremsen: Ω : Drehrate R : Reifenradius V : Fahrgeschwindigkeit F x : Bremskraft F z : Normalkraft µ : Reibungskoeffizient Linearer Bereich Reifenschlupf [%] Reifendeformation Maximale Bremskraft durch den Reibungskoeffizienten und den Schlupf begrenzt. Aeorydnamischer Abtrieb kann die mögliche Bremskraft erhöhen.
8 WS 10/11 Folie 3.8 Einfluss des Abtriebs auf Bremsweg. C a = 0 Bremsweg [m] Zusätzliche Abtriebskraft Ausgangsgeschwindigkeit [m/s]
9 WS 10/11 Folie 3.9 Schräglaufwinkel und Querkraft. Verhalten des Reifens bei Kurvenfahrt Ω : Drehrate β : Schräglaufwinkel R : Reifenradius V : Fahrgeschwindigkeit F y : Seitenkraft F z : Normalkraft µ : Reibungskoeffizient Linearer Bereich Rutschen Übertragbare Seitenkraft abhängig von Reibungskoeffizient und Schräglaufwinkel. Mögliche Seitenkraft kann durch aerodynamischen Abtrieb gesteigert werden.
10 WS 10/11 Folie 3.10 Einfluss des Abtriebs auf Querdynamik. Die vom Punkt A aus durch mehr Abtrieb vergrößerte Normalkraft erlaubt: Kurvenfahrt mit geringerem Schräglaufwinkel (geringere Erhitzung des Reifens) B Kurvenfahrt mit höherer Seitenkraft (höhere Geschwindigkeit) C
11 WS 10/11 Folie 3.11 Abtriebseinfluss auf Kurvengeschwindigkeit. Reibungskoeffizient
12 WS 10/11 Folie 3.12 Aerodynamik und Fahrleistungen Kammscher Kreis bei aerodynamischen Abtrieb. Beispiel (Spezialfall): Aerodynamischer Abtrieb hat die gleiche Größe wie die Gewichtskraft des Fahrzeugs. µ 0,95 Beschleunigen Bremsen Ohne aerodynamischen Abtrieb Mit aerodynamischem Abtrieb
13 WS 10/11 Folie 3.13 Sensitivitäten bzgl. Aerodynamischer Größen. Generisches Rennfahrzeug (Tourenwagen): Gewicht: Masse: 1100 kg Gewichtsverteilung (vorne/hinten): 47 / 53 Aerodynamik: Stirnfläche: 2,0 m 2 Vorderachsauftrieb: C av = -0,45 Hinterachsauftrieb: C ah = -0,55
14 WS 10/11 Folie 3.14 Luftwiderstand vs. Motorleistung Vmax. Vmax [km/h] 0, Ps Vmax als f(cx,p), generisches Rennfahrzeug, unendliche Gerade
15 WS 10/11 Folie 3.15 Luftwiderstand vs. Motorleistung Vmax. 0, Ps Vmax als f(cx,p), generisches Rennfahrzeug, Hockenheim
16 WS 10/11 Folie 3.16 Luftwiderstand vs. Motorleistung Verbrauch. Verbrauch [l/runde] Verbrauch als f(cx,p), generisches Rennfahrzeug, Hockenheim
17 WS 10/11 Folie 3.17 Luftwiderstand vs. Motorleistung Rundenzeit. Rundenzeit als f(cx,p), generisches Rennfahrzeug, Hockenheim
18 WS 10/11 Folie 3.18 Aerodynamikeinfluss auf Querbeschleunigung Querbeschleunigung [m/s] Erreichbare Querbeschleunigung eines generisches Rennfahrzeuges in einer Kurve zum Eingang des Motodroms am Hockenheimring: großer Einfluss von Ca-Wert fast keine Auswirkung des Cw-Wert
19 WS 10/11 Folie 3.19 Aerodynamikeinfluss auf Kurvengeschwindigkeit Erreichbare Kurvengeschwindigkeit eines generisches Rennfahrzeuges in einer Kurve zum Eingang des Motodroms am Hockenheimring: großer Einfluss von Ca-Wert geringer Einfluss des Cw-Wertes (veränderte Fahrlinie)
20 WS 10/11 Folie 3.20 Aerodynamikeinfluss auf Rundenzeit Rundenzeit [s] Rundenzeit eines generisches Rennfahrzeuges am Hockenheimring: Verringerung des Cw und Vergrößerung des Ca Wertes verringern Rundenzeit
21 WS 10/11 Folie 3.21 Aerodynamische Effizienz vs. Rennstrecken. Strecke neutral, bzw. leicht abtriebsorientiert Effizienz: E = C a C w Beispielfahrzeug (Le Mans Prototyp): P=600PS, m=1000kg, A=2,0m 2 Rennstrecke: Hockenheim
22 WS 10/11 Folie 3.22 Aerodynamische Effizienz vs. Rennstrecken. Strecke erfordert niedrigen Cw Wert Beispielfahrzeug (Le Mans Prototyp): P=600PS, m=1000kg, A=2,0m 2 Rennstrecke: Le Mans
23 WS 10/11 Folie 3.23 Unter-/Übersteuern. Ackermann Winkel Untersteuern Übersteuern Neutrales Verhalten Kurvenmittelpunkt
24 WS 10/11 Folie 3.24 Schwerpunktlage und Seitenkräfte. Vordere Radkräfte Hintere Radkräfte Fahrtrichtung Schwimmwinkel Lenkrichtung Beispiel: Schwerpunktlage vor Fahrzeugmitte, keine aerodynamischen Kräfte, stationär Hintere Seitenkräfte geringer als vordere Seitenkräfte (Momentengleichgewicht) Bei gleicher Schräglaufsteifigkeit der Reifen haben die hinteren Räder geringere Schräglaufwinkel. Untersteuern Abhilfe: Anpassung Fahrwerk, unterschiedliche Reifen, Auftrieb/Abtrieb,...
25 WS 10/11 Folie 3.25 Aerodynamische Balance. Serienfahrzeug: P ges =15000N; Bal stat =55%; C AV =0,05; C AH =0,10; A= 2,0m 2 Gesamtbalance [%] Aerodynamische Balance: B = C av C a Bei neutralem Fahrverhalten unter statischer Balance würde das Fahrzeug bei höheren Geschwindigkeiten zunehmend übersteuern.
26 WS 10/11 Folie 3.26 Aerodynamische Balance. Rennfahrzeug: P ges =10000N; Bal stat =45%; C AV =-0,40; C AH =-0,60; A= 2,0m 2 Gesamtbalance [%] Fahrzeug wird bei höheren Geschwindigkeiten zunehmend untersteuernd.
27 WS 10/11 Folie 3.27 Balance und Brems-/Beschleunigungsmanöver. Beispiel: Rennfahrzeug mit aerodynamischem Abtrieb (1) Beschleunigung (2) Lastwechsel (3) Verzögern (4) Lastwechsel Bei den Lastwechselphasen ändern die sich Bodenabstände (Ein-/Ausfedern). Während Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen ändert sich der Bodenabstand u.a. aufgrund des geschwindigkeitsabhängigen Abtriebs. Die aerodynamische Balance ändert sich bei Lastwechsel stärker (Bodeneffekt).
28 WS 10/11 Folie 3.28 Beurteilung von Maßnahmen mit Rebalancing. Das Fahrzeug wird fiktiv durch ein Verändern der Front-/ oder Heckflügelelemente auf die Balance der Basisvariante gebracht. Die Veränderung der c A und c W erfolgt durch bekannte Polaren dieser Flügel.
29 WS 10/11 Folie 3.29 Aerodynamische Effizienz und Rundenzeit. aerodynamische Balance konstant Maximale aerodynamische Effizienz führt nicht unbedingt zur schnellsten Rundenzeit auf einer bestimmten Strecke.
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