Karosseriekonzepte und Fahrzeuginterior KFI INSPIRATIONEN DURCH AERODYNAMIK, FLUGZEUGBAU UND BOOTSBAU Dipl.-Ing. Torsten Kanitz Lehrbeauftragter HAW Hamburg WS 2011-12 15.11.2011 1
Inspirationen durch Raketenbau / Torpedos Ein fortschrittliches Auto muss auch fortschrittlich aussehen 1913, Alfa-Romeo Ricotti Eine Vereinigung von Torpedoform und Eiförmigkeit Formale Aspekte im Vordergrund Bildquelle: /1/ S.157 aus: ALLGEMEINE AUTOMOBIL-ZEITUNG Nr.36, 1919 Ein Bemühen, die damaligen Erkenntnisse aus aerodynamischen Versuchen für den Automobilbau anzuwenden. Zunächst: nur optisch 1899 Camille Jenatzy Der rote Teufel im Jamais Contente (Elektroauto) Schütte-Lanz SL 20, 1917 Die 100 km/h Grenze überschritten Geschwindigkeitsrennen waren an der Tagesordnung Bildquelle: /1/ S.45 aus: LA LOCOMOTION AUTOMOBILE, 1899 2
Inspirationen durch Raketenbau / Torpedos 1906 Daytona Beach Stanley Rocket mit Fred Marriott Geschwindigkeitsweltrekord für Automobile mit Dampfantrieb mit beachtlichen 205,5 km/h Ein Bemühen, die damaligen Erkenntnisse aus aerodynamischen Versuchen für den Automobilbau anzuwenden. Elektrotechniker bedient Schaltungen Zunächst: nur optisch 1902 W.C. Baker Elektromobilfabrik 7-12 PS Elektromotor Torpedoförmiges Fichtenholzgehäuse Bildquelle: /1/ S.63 aus: Zeitschr. d. Mitteleuropäischen Motorwagen-Vereins, 1902 3
Inspirationen durch Bootsbau/ Bootsrümpfe Der Renner: Boat-tail 1919 Dreiradwagen mit Bootskarosserie Bildquelle: /1/ S.157 aus: ALLGEMEINE AUTOMOBIL-ZEITUNG Nr.36, 1919 Übertrag der Erfahrungen aus dem Bootsbau in den Automobilbau Mariott in seinem 150 PS Stanley Dampfwagen, 1907 4
Inspirationen durch Bootsbau/ Bootsrümpfe Duesenberg SJ Speedster von 1933 von Designer Gordon Buehrig Boat-tail : Design und Faszination für gelebten technologischen Fortschritt und gezeigten Luxus Duesenberg Delage von 1934 Karosserieform hat hier einen reinen emotionalen Hintergrund, keinen aerodynamischen/ strömungstechnischen Hintergrund 5
Inspirationen durch den Flugzeugbau Rekord-Verdächtiges Design 1929 Blue Bird von Campbell, 900 PS Flugmotor 23 L Hubraum. Sept. 1935 mit Geschwindigkeit von 301,129 mph (484,62 km/h) 1930er Jahre: Gesucht wird nach dem optimalen Stromliniendesign Pennsylvania Klasse S1 Dampflokomotive 1939 1938 Buick Roadmaster, umgebaut für Film Topper geht auf Reisen Bildquelle: /1/ S.197 aus: MOTOR, 1929 6
Synergieeffekt Aerodynamik: Luftfahrt trifft auf Automobilbau 1908 Berlin: Rumpler Flugzeugwerke GmbH Erste deutsche Flugzeugfabrik Rumpler Taube: Eindecker ohne Querruder u. Flügelklappen Nach dem 1. Weltkrieg hatten die Siegermächte den Bau von Motorflugzeugen in Deutschland verboten Rumpler Tropfenwagen -> 1919 entstand der Rumpler Tropfenwagen Windkanalversuche unter Ludwig Prandl in Göttingen, Erstes Windkanalmodell, M 1:7,5 Werbung von Rumpler damals: Erstes Fahrzeug, das wegen der sauberen Umströmung keinen Staub aufwirbelt Bildquelle: /3/ S.23-20 7
Synergieeffekt Aerodynamik: Luftfahrt trifft auf Automobilbau Die erste von außen nach innen entwickelte Karosserie Erst die Karosserie, dann das Package Version von 1921 (Verkauf) Motor, Getriebe und schwingende Hinterachse vereinigt; Rumpler Tropfenwagen zugleich neuer Maßstab im Bereich Fahrkomfort Bildquelle: /1/ S.171ff. 8
Synergieeffekt Aerodynamik: Luftfahrt trifft auf Automobilbau Synergien Tragflügelbau: Karosserie: senkrecht stehendes, symmetrisches Profil, auf das ein zweites aufgesetzt wurde Rumpler Tropfenwagen Später im VW Windkanal gemessener Wert: cw = 0,28 trotz frei stehener Räder gut: anliegende Strömung nahezu über die gesamte Fahrzeuglänge, am Dach sowie am Unterboden Problem der früheren Kastenwagen, die immer schneller fahren konnten: Grundsätzlich eine vehement störende Staubschleppe und Verschmutzung Bildquelle: /3/ S.23-20 9
Synergieeffekt Aerodynamik: Luftfahrt trifft auf Automobilbau 1921 von Paul Jaray zum Patent angemeldete Karosserieform: oben: halber Stromlinienkörper mit scharf auslaufendem Heck Jaray Form seit 1914 arbeitete Jaray bei Zeppelin im Luftschiffbau LZ126 Jaray leitete Karosserieformen aus Halbkörpern ab; Die Aufgabe der rückwärtigen Partie eines umströmten Körpers besteht darin, der Strömung die ablösefreie Bewältigung des Druckanstiegs zu ermöglichen. Ist der Druckgradient zu steil, gelingt das nicht. 10
Synergieeffekt Aerodynamik: Luftfahrt trifft auf Automobilbau Zusammenarbeit mit Paul Jaray Jaray baute selbst keine Autos, er vergab Lizenzen (viele Streits mit Rumpler) Firmen wie Ley, Dixi, Audi und Chrysler stellten seit 1923 Prototypen mit Jaray Form vor. Audi K von 1924, cw = 0,28 Entwicklung von Jean Andreau 1936 auf Basis des Peugeot 402 mit Jaray Form Peugeot 402 Eclipse (erstes elektr. Dach) 11
Synergieeffekt Aerodynamik: Prototypen Luftfahrt trifft auf Automobilbau AUDI 21 Prototyp von 1933 Jaray Form Mercedes 200 Prototyp von 1934 Jaray hatte bezüglich eines großen Durchbruchs wenig Erfolg: er engte die Designer stark ein, die Modelle ähnelten sich stark, die Markenidentität ging somit verloren; Bildquelle: /3/ S.23-20 12
Inspirationen durch die Aerodynamik: Stromlinienform als Garant für die schnelle, aber wirtschaftliche Autobahnfahrt vgl. Steyr Baby, auch von K. Jenschke: Volkswagen Österreichs von 1937 4 Zylinder 4 Takt wassergekühlter Boxermotor vorne Zusammenarbeit mit Paul Jaray Adler Typ 10 Autobahnadler von 1937 Konstr.: Karl Jenschke Kriterien: -Wirtschaftlichkeit -Geräumigkeit -Leistungsfähigkeit Dauer - Durchschnittsgeschwindigkeit 115 km/h möglich, V max 125 km/h 1.300 kg, 58 PS, 12 Liter/100 km bei 80 km/h 13
Inspirationen durch die Aerodynamik: Stromlinienform Jaray Form (Patente / Durchbruch) Selbsttragende Karosserie in Verbindg. mit Rohrrahmen Tatra 77 von 1935 luftgekühlter V8 Motor, 70 PS, V max 145 km/h Tatra Typ 87, 1937-1950 von Hans Ledwinka entworfen, mit stromlinienförmiger Karosserie cw = 0,36 (später im VW Windkanal ermittelt) luftgekühlter V8 Motor im Heck, V max 160 km/h, für Reisegeschw. 135 km/h empfohlen Neuartiger Zentralrohrrahmen Tatra 11 ( H. Ledwinka) Bildquelle: /2/ S.143 ff. 14
Synergieeffekt Aerodynamik: Luftfahrt trifft auf Automobilbau Stromlinienform Erste Versuche im Windkanal Chrysler Imperial Airflow, 1934 1937 Carl Breer untersuchte die Eigenschaften des Luftwiderstands gemeinsam mit Orville Wright Vor 1930: Chrysler baut eigenen Windkanal im Highland Park/ Michigan/ 50 Autos getestet Bildquelle: Wikipedia 15
Inspirationen durch die Aerodynamik: Stromlinienform Cord 810 stromlinienförmige Karosserie mit Frontantrieb (V8) von Designer Gordon Buehrig 1935, Cord Corporation Eines der ersten bezahlbaren Volksautomobile für nur 3000 $ Lincoln Zephyr (1936 48) Design von John Tjaarda für Edsel Ford Wg. V12 Motor und konkurrenzlosem Preis sehr erfolgreich traf eine breite Käuferschicht; verhalf der Marke Lincoln zum Durchbruch Bildquelle: /2/ S.143 ff. 16
Inspirationen durch die Aerodynamik: Stromlinienform Airomobile, Lewis Am. Airways, Inc. Design: Paul M. Lewis / John Tjaarda Luftgekühlter Motor mit Frontantrieb und drei Rädern Ziel: kostengünstiges Auto f. d. Massen, 60 PS, 4 Zyl. Prototyp 1937 (es blieb beim Prototyp) Bildquelle: airomobile.com 17
Aerodynamik des Automobils: Auf der Suche nach der optimalen Stromlinienform Anfang 1930er Jahre Walter E. Lay Parameter Studien an einfachen Körpern: 1933: Is 50 Miles per Gallon Possible with Correct Streamlining -> Erkenntnis, dass ein stumpf abgeschnittenes Heck die Strömung nur mäßig beeinflusst und kaum zusätzlichen Widerstand kostet *. USA FKF Stuttgart Wunibald Kamm - gleiches Ergebnis - entwarfen Designrule: 1. Die Strömung am rückwärtigen Fahrzeugteil soll so lange wie möglich anliegend erhalten werden 2. Es soll am Ende dadurch der Druck erhöht werden 3. Kurz vor der Stelle, an der sich die Strömung ablöst, wird der Körper senkrecht abgeschnitten (für einen definierten Abriss) --> das Kamm-Heck war geboren Deutschland 1938 Kamm Wagen K1 in Zus.Arbeit mit BMW (hier im VW Windkanal) cw = 0,37 *Zitat aus /4/ 18
Aerodynamik des Automobils: Auf der Suche nach der optimalen Stromlinienform Anfang 1930er Jahre Der 1939 gebaute Schlörwagen, das "Göttinger Ei", wurde auf der Autobahn bei Göttingen getestet Grundkörper sowie später im Windkanal: sichtbar: eng anliegende Strömung Bildquelle: DLR 19
Aerodynamische Untersuchungen Detailoptimierung und Formoptimierung Signifikante Widerstandsoptimierung, ohne grundsätzlich in das stilistische Erscheinungsbild einzugreifen Volkswagen Windkanal seit Anfang 70er: Detailoptimierung Ziel, mit kleinen lokalen Formänderungen einen relativ hohen Widerstandsabbau zu erzielen, basierend auf den bisherigen Erkenntnissen der Einzelparameterstudien; z.b. Zieldefinition: saubere, definierte Ablösung am Heck Problem: mit der Detailoptimierung cw Werte unterhalb 0,4 nicht realisierbar gerade zu Zeiten der Ölkrise wollte man sich steigern: DETAILOPTMIERUNG UND FORMOPTIMIERUNG, seit Mitte 70er Jahre Systematische Wegfindung zur optimalen Form -Entwicklung widerstandsarmer Grundkörper -dabei Berücksichtigung des Packages (nicht so wie bei Rumpler oder Jaray) Ableitung von Grundformen 20
Aerodynamische Untersuchungen Grundkörper abgeleitet zu Grundformen Detailoptimierung und Formoptimierung IAA 1981 Grundkörper Seriennah VW 2000 cw = 0,25 Serie AUDI 100 C3 1982 erstes formoptimiertes Serienfahrzeug cw = 0,30 21
Aerodynamische Untersuchungen W 22
Aerodynamische Untersuchungen Detailoptimierung und Formoptimierung Strömungsablösung an einem Körper mit schrägem Heck erhöht den Luftwiderstand: dreidimensionale Ablösung, erzeugen Unterdrücke am Heck, Unterdruckspitzen im Bereich der Wirbel VW 2000 cw = 0,25 Todwasserbereich Strömungsablösung an einem Körper mit stumpfem Heck Einfluss des Heckwinke ls Phi auf Wide rstand und Form de r Ablösung gemessen VW Golf 1 Quelle: Hucho /4/ S. 71 ff. 23
Aerodynamische Untersuchungen Höchstgeschwindigkeit Hohe Geschwindigkeiten bei sicherem Fahrverhalten heute weiter gefächert Wirtschaftlichkeit Niedriger Spritverbrauch Richtungsstabilität Geradeauslauf Eigenlenkverhalten Seitenwindempfindlichkeit Prioritäten unterschiedlich Durchströmung der Karosserie Funktion der Aggregate Motorkühlung Bremsen Kühlung Fahrsicherheit Komfort Innenraum Verschmutzung Heck / Beleuchtungsanlage angenehmes Innenklima niedrige Windgeräusche 24
Studie CAPARO T1 Bildquelle: www.caparo-t1.com 25
Quellenangaben / Bildquellen /1/ FACSIMILE QUERSCHNITT Frühe Automobilzeitschriften, München: Scherz 1993 /2/ Boyne, Walter: Faszination Automobil, Design und Technik, München: Südwest 1989 /3/ Renaissance der Stromlinie?, in: Hucho, Wolf-Heinrich, Kultur und Technik, 1/2009 /4/ Hucho, Wolf-Heinrich: Aerodynamik des Automobils, 3. Aufl. Düsseldorf: VDI, 1994 26