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Straße im Prüfstand: das neue Aerolab der BMW Group und die Entwicklung der EfficientDynamics Maßnahme Air Curtain.

Jede Fahrzeugentwicklung ist ein Blick in die Zukunft. Und die Frage, die sich dabei stellt, ist immer wieder die gleiche: Welchen Eindruck hinterlässt das neue Modell beim Kunden? Design und Komfort, Fahrdynamik und Effizienz – erst auf der Straße beweist sich endgültig die Qualität dessen, was Entwickler über Monate und Jahre hinweg erdacht und realisiert haben. Als weltweit erfolgreichster Hersteller von Premium-Automobilen nutzt die BMW Group vielfältige Methoden, um die Entwicklung neuer Modelle präzise auf die Wünsche anspruchsvoller Kunden abzustimmen. Auch die Optimierung der Aerodynamik orientiert sich an Zielvorgaben, in denen sich unterschiedlichste Kundeninteressen widerspiegeln. Als Bestandteil der Entwicklungsstrategie EfficientDynamics fördert sie die Freude am Fahren bei möglichst geringen Verbrauchs- und Emissionswerten. Darüber hinaus tragen die aerodynamischen Eigenschaften auch zur Fahrstabilität und zum Komfort bei.

BMW WindkanalDie herausragende, in jahrzehntelanger Erfahrung gewachsene Kompetenz der BMW Group auf dem Gebiet der Aerodynamik wird nicht nur bei der Entwicklung neuer Modelle, sondern auch für die Schaffung zukunftsweisender Analysemethoden genutzt. Dabei geht praxisorientierte Entwicklungsarbeit Hand in Hand mit wissenschaftlicher Expertise. Das grundlegende Know-how hat auch die Konzeption und Ausstattung des neuen Aerodynamischen Versuchszentrums (AVZ) beeinflusst. Mit dem AVZ verfügt die BMW Group jetzt über modernste technische Voraussetzungen, um weitere Fortschritte in den aerodynamischen Eigenschaften künftiger Modelle erzielen zu können. Sowohl im großen Windkanal als auch im Aerolab können die entsprechenden Untersuchungen unter außergewöhnlich realitätsnahen Bedingungen durchgeführt werden. Mit beiden Einrichtungen kommen die Entwickler daher ihrem Ziel, die Straße in den Prüfstand zu holen, einen entscheidenden Schritt näher.

Das neue Aerolab: perfekte Bedinungen für vielfältige Analysen.

Sowohl mit seinen Abmessungen als auch mit seiner messtechnischen Ausstattung bietet das Aerolab ideale und im Automobilbereich einzigartige Bedingungen für grundlegende Forschungs- und Entwicklungsprozesse. Sein Messraum, das so genannte Plenum, ist mit einer Länge von 20, einer Breite von 14 und einer Höhe von 11 m groß genug, um neben Fahrzeugmodellen im Modellmaßstab auch Prototypen im Originalformat zu untersuchen zu können. Die Austrittsdüse des Windkanals misst 14 m2. Störende Einflüsse der Düse, des Windkanal-Kollektors und der Außenwände fallen daher verschwindend gering aus. Für besonders aussagekräftige Ergebnisse sorgt zudem der außergewöhnlich konstante Druckverlauf innerhalb der Messstrecke.

Zeitgleich können sogar zwei Fahrzeugmodelle untersucht werden, was zu völlig neuen und für den Alltagsverkehr höchst relevanten Analyseverfahren führt. Das Aerolab der BMW Group ist die einzige Einrichtung ihrer Art im Automobilbereich, die es ermöglicht, einen Überholvorgang zu simulieren und die dabei auftretenden, sich gegenseitig beeinflussenden Luftströmungen zu messen.

Frühzeitige Weichenstellung fördert effiziente Entwicklungsprozesse.

Im Aerolab werden bereits in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses dreidimensionale Modelle des künftigen Serienfahrzeugs im Modellmaßstab von beispielsweise 1 : 2 getestet. Auf diese Weise können schon frühzeitig die Weichen für optimale aerodynamische Eigenschaften gestellt werden. Damit wird ein maßgeblicher Beitrag zu einem möglichst effizienten Entwicklungsprozess geleistet.

Aufgrund des großen Windgeschwindigkeitspotenzials von bis zu 300 km/h lassen sich die Ergebnisse der Messungen an Modellentwürfen zuverlässig auf Fahrzeuge in Originalgröße übertragen. Die dafür maßgebliche Berechnungsformel liefert der als Reynolds-Ähnlichkeit bezeichnete strömungsphysikalische Grundsatz, nach dem das Produkt aus Fahrzeuglänge und Windgeschwindigkeit übereinstimmen muss, um von einem kleinen Modell auf ein großes Fahrzeug zu schließen. Dies bedeutet, dass ein Modell im Maßstab von 1 : 2 mit doppelter Windgeschwindigkeit angeströmt werden muss wie das Originalfahrzeug, um zu den gleichen Ergebnissen zu kommen. So können im Aerolab anhand eines 50-Prozent-Modells bei einer Windgeschwindigkeit von 280 km/h präzise Aussagen über das aerodynamische Verhalten eines künftigen Serienfahrzeugs bei einer Geschwindigkeit von 140 km/h getroffen werden. Bei dieser Geschwindigkeit wird, gemäß dem für alle Automobilhersteller einheitlich geltenden Standard, der Luftwiderstand eines Fahrzeugs ermittelt.

Gezielte Suche nach aerodynamischem Optimierungspotenzial.

Im Aerolab werden die Fahrzeugmodelle frei schwebend an einer Aufhängung, dem so genannten Schwert, in den Luftstrom geführt. An der Verbindungsstelle zum Testobjekt ermittelt eine Präzisionswaage auch kleinste Bewegungen in jeder Richtung. In der Messwarte des Aerolabs können die Versuchsingenieure diese Daten zeitgleich ablesen und für spätere Analysen aufzeichnen. Während der Messung befindet sich das Fahrzeugmodell in unmittelbarer Bodennähe, wo durch ein 9 m langes und 3,2 m breites Laufband die Fahrzeugbewegung entsprechend der eingestellten Windgeschwindigkeit simuliert wird. Erst dadurch verteilt sich die Luftströmung seitlich und unterhalb des Fahrzeugs im Windkanal nach dem gleichen Muster wie auf der Straße. Auch die Drehbewegung der Räder hat einen großen Einfluss auf das Windprofil in diesem Bereich und ist daher eine wichtige Voraussetzung für realitätsnahe Messergebnisse.

Diese ebenfalls einzigartige Versuchsanordnung sorgt für realitätsnahe und vielfältige Untersuchungsszenarien, indem sie die Darstellung aller im Alltag relevanten Fahrsituation ermöglicht. Neben dem Luftwiderstand bei Geradeausfahrt und in Kurven lassen sich die Seitenwindempfindlichkeit sowie Auf- und Abtrieb bei unterschiedlicher Fahrzeugneigung ermitteln. Mit einer bisher unerreichten Präzision kann so insbesondere der Einfluss der Luftströmung auf die Fahrstabilität untersucht werden.

Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen wird im Rahmen der aerodynamischen Entwicklung ein möglichst geringer Luftwiderstand angestrebt. Dieser setzt sich aus der Querschnittsfläche und dem Luftwiderstandsbeiwert zusammen. Während die Querschnittsfläche durch Art und Größe des jeweiligen Fahrzeugs bestimmt wird, kann der Luftwiderstandsbeiwert sowohl über die generelle Formgebung als auch über zahlreiche Details optimiert werden.

So wird der Luftwiderstand zu etwa 40 Prozent durch die Proportionen und die Form eines Fahrzeugs beeinflusst, wobei jeweils ein Viertel dieses Anteils auf die Oberflächenbeschaffenheit sowie auf Details wie Spiegel, Leuchten, Kennzeichen oder Antennen entfallen. Weitere 10 Prozent des Gesamtwiderstands resultieren aus Funktionsöffnungen, die Luft gezielt an die Bremsen, den Motor oder das Getriebe leiten. Mit weiteren 20 Prozent trägt der Unterboden zum Luftwiderstand bei, 30 Prozent sind den Rädern und Radhäusern zuzuordnen.

Optimierte Luftführung im Bereich der Radhäuser: Air Curtain.

Die wirklichkeitsgetreue Nachbildung der Straßenfahrt mithilfe eines bewegten Bodens und drehenden Rädern unter auch im Modellmaßstab physikalisch korrekten Randbedingungen versetzt die Aerodynamikentwickler der BMW Group erstmals in die Lage, das hohe Optimierungspotenzial im Bereich der Radhäuser im Detail zu erkennen und konsequent zu nutzen. Aktuell wird daher im Aerolab an der Entwicklung einer neuen EfficientDynamics Maßnahme gearbeitet, die eine gezielte Luftführung im Bereich des Frontends bewirkt und damit für einen reduzierten Luftwiderstand sorgt.

Diese Innovation umfasst Öffnungen im äußeren Bereich der Frontschürze, durch die einströmende Luft in zwei Schächte geleitet wird. Sie sind etwa 10 cm hoch und 3 cm breit und werden so gestaltet, dass die Strömung jeweils entlang der Innenseite der Frontschürze in einem geschlossenen Kanal bis in die Radhäuser geleitet und dort beim Wiederaustritt durch eine sehr schmale Öffnung mit hoher Geschwindigkeit knapp an den äußeren Radflanken vorbeigelenkt wird. Der austretende Strahl legt sich wie ein Vorhang seitlich über die Vorderräder und wird daher als Air Curtain bezeichnet. Der Air Curtain verringert den Luftwiderstand durch eine verbesserte Abdeckung der Vorderräder. Dieser Effekt ist im Aerolab deutlich zu messen.

Die aerodynamische Abschirmung der Vorderräder erfolgt ohne den Einsatz von zusätzlichen Bauteilen im Bereich der Radhäuser. Von außen sind lediglich die zusätzlichen Öffnungen an der Frontschürze erkennbar. Der Air Curtain stellt daher eine unauffällige, aber überaus wirksame EfficientDynamics Maßnahme dar. Die Weiterentwicklung des Air Curtain zur Serienreife ist nur dank der neuen technischen Möglichkeiten im Aerolab der BMW Group möglich.

 

Daten und Fakten: das neue Aerodynamische Versuchszentrum der BMW Group
 

Baudaten

 

Baubeginn

Dezember 2005

Richtfest

Februar 2007

Wind an im Aerolab

Oktober 2007

Wind an im Hauptwindkanal

Dezember 2007

Betonmenge insgesamt

36.000 m3

Betonstahlmenge insgesamt

6.200 t

Fassadenfläche insgesamt

18.000 m2

Gesamtinvestitionen Gebäude, Technik und Ausstattung


170 Millionen Euro

 

 

Gebäudedaten

 

Grundstücksfläche

25.000 m2

Gebäudelänge

120 m

Gebäudebreite

90 m

Gebäudehöhe

22 m

Anzahl Stockwerke

5

Bruttogrundfläche

32.500 m2

Bruttoraumvolumen

20.000 m3

Arbeitsplätze gesamt

500

 

 

Hauptwindkanal

 

Grundfläche (Länge/Breite)

84 x 40 m

Strömungsverlauf

horizontal

Gebläsedurchmesser

8 m

Gebläsedrehzahl

300 min–1

Gebläseleistung

4,4 MW

max. Windgeschwindigkeit

300 km/h

Gesamtvolumen Luftführung

18.000 m3

Größe der Austrittsdüse

18–25 m2, elektrisch verstellbar

Größe der Messstrecke (Länge/Breite/Höhe)

22 x 16 x 13 m

Anzahl der Laufbänder

5

Größe des Unterflurlaufbands (Länge/Breite)

10 m x 1–1,10 m (variable Breite)

 

 

Aerolab

 

Grundfläche (Länge/Breite)

74 x 16 m

Strömungsverlauf

vertikal

Gebläsedurchmesser

6,30 m

Gebläsedrehzahl

400 min–1

Gebläseleistung

3,8 MW

max. Windgeschwindigkeit

300 km/h

Gesamtvolumen Luftführung

6.000 m3

Größe der Austrittsdüse

14 m2

Größe der Messstrecke (Länge/Breite/Höhe)

20 x 1.411 m

Anzahl der Laufbänder

1

Größe des Unterflurlaufbands (Länge/Breite)

9 m/3,20 m

 

Fotos vom Aerolab Modellwindkanal im Aerodynamischen Versuchszentrum


Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum

Modellwindkanal Aerodynamisches Versuchszentrum
 

Quelle: BMW Presse-Information vom 22.06.2009


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Weiter: interner Link Aerodynamik und Design im Kontext der Entwicklungsstrategie Effi cientDynamics.

 
 


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