Zusammenfassung

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1 Zusammenfassung Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht der Einfluss der Simulation der sogenannten Boden- und Raddreheffekte, also der aerodynamischen Wechselwirkung zwischen Rädern, Fahrzeug und Fahrbahn in Automobilwindkanälen auf die Fahrzeugumströmung und die daraus resultierenden Luftkräfte. In den vergangenen 10 Jahren entstanden moderne Windkanalanlagen, z. B. der Aeroakustik-Fahrzeugwindkanal am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen der Universität Stuttgart (IVK), der vom Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS) betrieben wird. Dieser ist zur Simulation der hier zugrunde liegenden Strömungsphänomene in hervorragender Weise geeignet [30]. Ausgehend von den am IVK gegebenen mess- und versuchstechnischen Voraussetzungen sowie vielfältigen Vorarbeiten und Erfahrungen, z. B. [23, 24, 46, 47, 48], erfolgt in der vorliegenden Arbeit der Vergleich verschiedener Windkanal-Bodensimulationstechniken mit Straßenmessungen sowie das Aufzeigen der Auswirkung dieser Techniken auf mögliche Entwicklungsstrategien. D. h. die aerodynamische Formoptimierung am Fahrzeug kann, wie auch schon in früheren Arbeiten gezeigt wurde [23, 24], selbst wieder abhängig von der im Windkanal eingesetzten Versuchstechnik sein. In der vorliegenden Arbeit wird dazu erstmals ein systematischer Vergleich mit Straßenmessungen hergestellt und eine Basis von hochwertigen Vergleichsdaten geschaffen. Für die hier zugrunde liegenden Untersuchungen wurde aufgrund einer Entscheidung des projektbegleitenden Arbeitskreises (FAT-AK6) als Versuchsfahrzeug ein BMW 520i (E39) ausgewählt. Das Fahrzeug wurde mit umfangreicher Druckmessund Datenerfasstechnik ausgerüstet, so dass es autark in Windkanälen und auf der Straße eingesetzt werden kann. Straßenmessungen erfolgten auf dem Prüfgelände in Idiada (Spanien), auf dem Volkswagen-Prüfgelände in Ehra- Lessien, und auf den BMW-Prüfgeländen in Aschheim und Miramas (Frankreich). Neben dem IVK-Windkanal kamen der Audi-, der BMW-, der Porsche- und der VW-Windkanal zum Einsatz

2 Neben der Umströmung der Karosserie steht vor allem die Vermessung der Umströmung im Bereich des Unterbodens, der Radhäuser sowie der Regionen um die Räder im Vordergrund des Interesses, um ein besseres Verständnis für die Einflüsse der fahrbahnnahen Strömung und ihrer Randbedingungen auf die aerodynamischen Beiwerte zu erlangen. Die Darstellung sämtlicher Druckverteilungen erfolgt in der vorliegenden Arbeit konsequent mit Referenz auf eine Messstelle auf der Karosserie (p Ref ), die weitgehend unbeeinflusst von Änderungen der Anströmgeschwindigkeit und des -winkels ist. Damit werden völlig autarke Messungen möglich, d. h. sowohl in den Windkanälen als auch auf der Straße werden nur die am Fahrzeug sensierten Daten verwendet, so dass jede Abhängigkeit oder Beeinflussung durch proprietäre Datenerfasssysteme oder gar individuelle Messprozeduren der einzelnen Windkanäle (Düsen- oder Plenumsmethode) unterbleibt. Das Fahrzeug ist darüber hinaus für die vorliegenden Untersuchungen als Sensor für den Staudruck und den Gierwinkel kalibriert, so dass diesbezüglich eine Auswahl der Messergebnisse hinsichtlich ihrer Qualität und Reproduzierbarkeit möglich wird. Aus der Literatur sind keine Straßenmessungen vergleichbarer Qualität bekannt. Aus einer Vielzahl von über 100 theoretisch möglichen Fahrzeugkonfigurationen, die sich aufgrund der verfügbaren Anbauteile ergeben, wurden durch umfangreiche Vorversuche schließlich 7 Grundkonfigurationen ausgewählt, mit denen dann die wesentlichen Untersuchungen vorgenommen wurden. Auswahlkriterien waren z. B. die Sensitivität der Fahrzeugkonfiguration auf unterschiedliche Windkanalkonfigurationen sowie insbesondere Unterschiede zwischen Windkanalund Straßenmessungen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch innovative Simulationstechnik, die z. B. im IVK- Windkanal unter dem Synonym Straßenfahrtsimulation (SFS) als Kombination von Raddrehung, Laufband und abgestimmter Grenzschichtkonditionierung zusammengefasst ist, deutliche Verbesserungen der Simulationsgüte im Vergleich zur konventionellen Bodensimulation, also ohne die oben genannten Merkmale, ermöglicht werden. Dies erkennt man auch trotz der angesprochenen Problematik der überlagerten Windkanaleffekte z. B. am Basisdruck, der unter

3 dem Einfluss der Straßenfahrtsimulation deutlich ansteigt, ein Indiz für den gleichzeitig reduzierten Luftwiderstand. Als eines der wichtigsten Ergebnisse ist festzuhalten, dass es bei allen Fahrzeugkonfigurationen konsistente Differenzen zwischen Straßen- und Windkanalergebnissen gibt, die im Wesentlichen aus den bekannten Windkanaleffekten resultieren [22, 45]. Diese Versperrungs- und Gradienteneffekte sind mit einer dargestellten 2 -Technik zu separieren. Die Auswirkungen von Fahrzeug- Konfigurationsänderungen (Deltas) werden im Windkanal den analogen Änderungen auf der Straße gegenüber gestellt und als Differenz (Δ 2 ) grafisch dargestellt. Als Kriterien dienen wiederum Druck- und Strömungsfeldmessungen. Es zeigt sich auch hier die deutliche Überlegenheit der Straßenfahrtsimulation gegenüber der konventionellen Windkanaltechnik. Dies trifft in besonderem Maße auf die Drücke am Unterboden und im vorderen Radhaus zu. Man darf folglich unterstellen, dass Optimierungen dieser Fahrzeugzonen besonders sensibel auf die angewandte Windkanaltechnik reagieren und die Ergebnisse wohl nur bei hinreichend guter Simulation, wie z. B. im IVK-Windkanal, wirklich optimal sind. Ansonsten besteht die Gefahr, dass für die verwendete Windkanalanlage und nicht repräsentativ für die Straßenfahrt des Kunden entwickelt wird. Dies zeigt sich in ganz besonderem Maße auch im Gesamtdruckfeld um das Vorder- und das Hinterrad, wo sich das Zusammenspiel von Flachband-Radantriebseinheit und angepasster Grenzschichtkonditionierung besonders positiv auswirkt. Selbst oder gerade die Bewertung einer so deutlichen Konfigurationsänderung wie der Übergang vom Stufenheck zur Kombiversion zeigt beträchtliche Einflüsse der Simulationstechnik auf. Während die am FKFS entwickelte Straßenfahrtsimulation die Basisdruckänderung aufgrund der Kombivariante im Vergleich zur Straße exakt trifft, wird sie bei konventioneller Bodensimulation zu groß bewertet, d. h. der Kombi würde gegenüber der Limousine bei konventioneller Windkanaltechnik im Vergleich zur Straße in Bezug auf den Widerstand zu optimistisch bewertet werden. Diese Tendenz wird im Übrigen auch durch den Vergleich der Widerstandsmessungen mit beiden Windkanalsimulationen bestätigt. Die relative Bewertung der verschiedenen Bestandteile der FKFS-Straßenfahrtsimulation zeigt, dass dem Laufband die entscheidende Bedeutung zur Annähe

4 rung der Straßendruckverteilung am Fahrzeugunterboden zukommt, und das, obwohl es sich hier um ein Serien- und kein Wettbewerbsfahrzeug mit geringem Bodenabstand handelt. In den Radhäusern und im Strömungsfeld um Vorder- und Hinterräder wird die Simulationsgüte dagegen im Wesentlichen durch die Raddrehung bestimmt. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass ein Bodensimulationssystem für industrielle Windkanalmessungen an Serienfahrzeugen durchaus etwas einfacher dargestellt werden kann als die FKFS-Straßenfahrtsimulation oder gar die für Spezialanwendungen vorgehaltenen, o. g. weiteren Systeme im IVK-Windkanal. Basierend auf den Ergebnissen und dem Vergleich verschiedener untersuchter Konzepte der Bodensimulation und drehender Räder zur Nachbildung der Straßenfahrt im Windkanal und deren Auswirkung auf das Referenzfahrzeug, wurde eine weitere Untersuchung durchgeführt: Die Erfassung des Luftwiderstands unter realen Fahrbedingungen auf der Straße. Bei einer Ausrollmessung findet ein dynamischer Messvorgang auf der Straße statt, wobei der gesamte Geschwindigkeitsbereich, der für die Untersuchung relevant ist, erfasst wird, z. B. [1, 4, 5, 19]. Die nach der im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelte Messmethode erfolgende Messung findet im Gegensatz zur Ausrollmessung unter stationären Bedingungen statt, die den realen, auf der Straße vorherrschenden Verhältnissen jedoch weitestgehend entsprechen. Basierend auf dem Verfahren zur Bestimmung und Aufteilung des Fahrwiderstandes im realen Fahrbetrieb [18], wurde eine Methode für die Luftwiderstandsermittlung auf der Straße (LWES-Methode) weiterentwickelt. Damit können erstmals nun diese auf der Straße ermittelten Werte mit denen aus Windkanalmessungen und aus numerischen Berechnungen (CFD) verglichen werden. Für die Ermittlung des Luftwiderstands sollen alle Einflussgrößen, die während der Fahrt auf das Fahrzeug einwirken, berücksichtigt werden. Alle nach der Hauptgleichung des Kraftfahrzeugs identifizierten Messgrößen, die für eine adäquate Luftwiderstandsbestimmung notwendig sind, können mit der am Versuchsfahrzeug applizierten, hochgenauen Messtechnik erfasst und zur Bestimmung des Luftwiderstands auf der Straße herangezogen werden

5 Um bestehende Differenzen zwischen Straßen-, Windkanal- und CFD-Messungen erklären zu können, wurden wichtige Strömungsfeldgrößen miteinander verglichen. Dadurch konnte Aufschluss über die Ergebnisqualität und die Reproduzierbarkeit der einzelnen Verfahren erzielt werden. Zur Realisierung unterschiedlicher Fahrzeugvarianten wurde das Versuchsfahrzeug mit verschiedenen Anbauteilen ausgestattet. Mit den voneinander abweichenden Aerodynamikkonfigurationen wurden die Sensitivität und das Auflösungsvermögen der LWES-Methode hinsichtlich der Ermittlung des Luftwiderstands dargestellt. Vergleichende Messungen fanden im FWK und im BMW-Windkanal in Aschheim statt. Dabei wurden die Messungen unter Simulation der gleichen Straßenbedingungen an denselben Fahrzeugvarianten wiederholt durchgeführt. Für eine weitere Vergleichsphase (CFD-Berechnungen) wurde ein hochdetailliertes, digitales E39-Modell in der Nachbearbeitungsphase erstellt. Die Ergebnisse dieser CFD-Berechnungen liefern zusätzliche wichtige Informationen zur Beurteilung der Messwerte und verbessern so die Möglichkeiten zur Bewertung der unterschiedlichen Verfahren. Bei einer durchgeführten Überprüfung zeigte sich, dass die mit der Straßenfahrtsimulation (SFS) im FWK ermittelten Druckverteilungswerte und Luftwiderstandsbeiwerte c W die Situation auf der Straße am Besten wiedergeben. Die Änderungen im vorderen Bereich des Fahrzeugs wurden durch die LWES- Methode somit besser reproduzierbar. Gegenüber den Windkanalergebnissen weisen die CFD-Messergebnisse die größeren Abweichungen bezüglich der Straßenmessungen auf. Dies gilt insbesondere für den hinteren Bereich des Fahrzeugs, da die gemessene Druckverteilung im vorderen und mittleren Bereich des Fahrzeugs auch durch die CFD- Simulation gut reproduziert wird. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich bei allen untersuchten Simulationsmethoden gewisse Abweichungen bezüglich der Ergebnisse der Straßenmessungen zeigen. Allerdings zeigen die mit SFS ermittelten Wind

6 kanalergebnisse eine deutlich bessere Annäherung an die Straßenergebnisse, als die anderen Simulationsmethoden

7 Abstract The present paper focuses around the influence of a so-called ground and wheel rotation effect, i.e., the aerodynamic interaction between wheels, vehicle and road in automobile wind tunnels, on the flow phenomenon around the vehicle and the thus resulting aerodynamic forces. In the past 10 years modern wind tunnels were developed, such as the aeroacoustic vehicle wind tunnel of the IVK (Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Stuttgart University), operated by FKFS (Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart). This wind tunnel features unique options for a detailed replication of the road conditions and is therefore ideally suited for such investigations [30]. In the present paper a comparison is made between real situations on the road and various wind tunnel ground simulations techniques. It also shows the effect of these techniques on potential development strategies based on the conditions given at the IVK s wind tunnel in terms of measuring and testing techniques as well as preliminary research and experience [23, 24, 46, 47, 48]. This confirms that the aerodynamic form optimization on the vehicle may, as demonstrated in previous works [23, 24], depend on the testing technique employed in the wind tunnel. For the first time a top quality comparable database is produced and a systematic comparison with on-road measurements. For the here underlying analyses a BMW 520i (E39) was selected as a test vehicle. This vehicle was equipped with extensive and accurate pressure measuring and data acquisition technology that enabled it to operate independently in wind tunnels and on proving ground. On-road measurements were carried out at different proving grounds as Idiada (Spain), Volkswagen (Ehra- Lessien) and BMW (Aschheim and Miramas). Apart from the IVK wind tunnel, also wind tunnels by Audi AG, BMW Group, Porsche AG and VW were tested. The main interest, besides the flow topology around the vehicle body, focused primarily on the flow phenomena at the underbody, wheelhouses and around the rotating wheels. This was needed in order to better understand the influence of the flow close to the road surface, with the aerodynamic coefficients. Illustrations of all pressure distributions in this paper are consistently made with reference to a

8 pressure probe placed on the vehicle body (p Ref ), which is unaffected by speed and angle of the upstream flow. This allows a completely independent measuring procedure, which means that both in wind tunnels as well as on the road, only the data acquired at the vehicle is used so that dependence on or influence through proprietary data acquisition systems or even individual measuring procedures of the individual wind tunnels (jet nozzle or plenum method) is avoided. Moreover, for the present studies the vehicle is calibrated as a sensor for total pressure and yaw angle. This makes a selection of measuring results in this regard with a view to its quality and reproducibility possible. In literature, no on-road measurements of a comparable quality are known. From as many as over 100 theoretically possible vehicle configurations that come about based on available add-on parts eventually 7 basic configurations were chosen by way of extensive previous tests. The criteria for this selection were, for example, the effect of the vehicle configurations on different wind tunnel configurations and, especially, differences between wind tunnel and on-road measurements. Results show that through innovative simulation technology as, for example, summarized in the case of the IVK wind tunnel under the synonym simulation of on-road condition (Straßenfahrtsimulation, SFS) as a combination of wheel rotation (WRU), moving center belt (CB) and calibrated boundary layer conditioning, clear improvements in simulation quality are possible when compared to conventional ground simulation i.e. without the above mentioned characteristics. This can also be seen despite the mentioned superposed wind tunnels effects -, for example, in the case of the vehicle s base pressure that clearly rises under the impact of the on-road simulation producing a drag reduction. As one of the most important results achieved it must be noted that with all vehicle configurations there are consistent differences between on-road and wind tunnel results, mostly owing to the already known wind tunnel effects [22, 45]. These blockage and gradient effects are to be separated with an illustrated 2 technology. The effects of changes in vehicle configurations (deltas) in the wind tunnel are contrasted with analogue changes measured on the road and are

9 graphically illustrated as a difference (Δ 2 ). Here again, the criteria used are measurements of pressure and flow topology. The marked superiority of the onroad simulation in contrast to conventional wind tunnel technology becomes apparent here, too. This applies in special measure to the pressures on the underbody and in the front wheel house. It may thus be assumed that optimizations of these vehicle zones react with special sensitivity to the wind tunnel technology applied, with results being genuinely optimal only in cases of sufficiently good simulation as, for example, in the IVK wind tunnel. Otherwise there is a risk of aerodynamic development being exclusively applicable to the wind tunnel itself rather than being representative for the customer s on-road driving. This is specially evidenced by the measured total pressure around the front and rear wheels. In these areas the interaction of wheel rotation units with flat belts (WRU) and calibrated boundary layer control has a distinctly positive impact. Even or precisely due to the evaluation of significant vehicle configuration changes such as the transition from a limousine to a station wagon demonstrates the considerable impact of ground simulation technology. While the simulation of on-road condition developed at FKFS hits the changes in basis pressure exactly due to the station wagon vehicle configuration when compared to the on-road results, it is evaluated too highly in the case of conventional ground simulation. This means that the comparison regarding aerodynamic drag c w between a station wagon and a limousine would be evaluated too optimistically with a conventional wind tunnel technology. This trend is, by the way, also confirmed by comparing the drag measurements against both wind tunnel simulations. The relative evaluation of the different systems used for the FKFS simulation of on-road condition shows that the moving center belt is of decisive significance in bringing the on-road pressure distribution to the vehicle s underbody. This occurs even though the ground clearance is much bigger than the one in a racing car. It is shown in the wheel houses and in the flow topology around the front and rear wheels that the simulation quality is predominantly determined by wheel rotation. It may be concluded, as a result, that a ground simulation system for industrial wind tunnel measurements on series-production vehicles may by all means be represented in a simpler way than that offered by the FKFS simulation of on-road

10 condition, or indeed the above mentioned further systems recommended for special applications in the IVK wind tunnel. Based on the results and the comparison of different analysed concepts of the ground simulation and rotating wheels to simulate the on-road driving in the wind tunnel and their impact on the reference vehicle, a further study was conducted: the measurement of aerodynamic drag resistance under real driving conditions on the road. During a coast-down test a dynamic measuring procedure takes place capturing the entire velocity range relevant for the study, e.g. [1, 4, 5, 19]. Opposed to this test, a further developed measuring method takes place under stationary conditions which, however, largely match real conditions as they may be found on the road. Based on the method of determining the driving resistance under real driving conditions [18], a method to measure the aerodynamic drag resistance on the road (LWES method) was developed further. With it, and for the first time, values ascertained on the road may now be compared with those of wind tunnel measurements and computational methods (CFD). All influencing variables that may influence the vehicle under driving conditions shall be taken into consideration. All measured variables that are identified according to the vehicle s main equation, and which are necessary to adequately ascertain the aerodynamic drag resistance, may be captured through this highly precise measuring technology that is fixed onto the test vehicle and which may be drawn on to ascertain aerodynamic drag resistance on the road. In order to be able to explain existing differences between on road measurements, wind tunnels and CFD, important flow field factors were compared with each other. In this way information was obtained about both the quality of results and reproducibility of the individual procedures. The sensitivity and resolution of the LWES method was demonstrated with regard to ascertaining aerodynamic drag resistance by realizing different aerodynamic configurations on the test vehicle. These ones were not only measured on the

11 road, but also under identical on-road conditions at FWK and the BMW wind tunnel in Aschheim. A highly detailed digital E39 model was build for a further comparative phase (CFD calculations). The results of these CFD calculations provide important additional information to evaluate data, thus enhancing opportunities for the evaluation of different procedures. The results show that the pressure distribution values and the aerodynamic drag resistance coefficient c W measured on the road are best represented with the onroad simulation (SFS) in FWK. Regarding the LWES method, changes in the vehicle s front area became thus more readily reproducible. In contrast to the wind tunnel results, CFD calculations give evidence of higher deviations especially concerning the vehicle s rear area as regards on-road measurements. The calculated pressure distribution in the front and middle section of the vehicle is also well reproduced by way of the CFD simulation. To sum up, it may be concluded that all simulation methods studied demonstrate certain deviations with a view to the results of on-road measurements. Wind tunnel results ascertained with SFS, however, show a distinctly better approximation to on-road results than other simulation methods