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Die Aerodynamik des Elektroautos VW ID.3

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  • Die Aerodynamik des Elektroautos VW ID.3

    Mit einem Luftwiderstandsbeiwert von 0,26 ist der VW ID.3 führend in der Klasse der Batterie-Elektrofahrzeuge für Schrägheckfahrzeuge. Dementsprechend leistet die Aerodynamik einen entscheidenden Beitrag zur Erreichung der ehrgeizigen elektrischen Reichweitenziele von bis zu 550 km im WLTP. Volkswagen erreichte dieses Ziel mit einem konsequenten aerodynamischen Optimierungsansatz für das Fahrzeug, der von der neuen modularen Matrix der elektrischen Antriebsbaugruppe bis hin zum Grundkörperdesign, den Rädern und den Zusatzteilen wie den Außenspiegeln reichte.


    Als bahnbrechende Reaktion auf die Ziele des Pariser Abkommens und die damit verbundenen strengeren CO 2 -Emissionsgrenzwerte startet Volkswagen eine Fahrzeugstrategie mit mehr als 20 Modellen mit rein elektrischem Antrieb. Der führende Pionier ist der ID.3, der die Eigenschaften eines kompakten Fahrzeugs aufweist. Kunden stehen eine Vielzahl von Batteriegrößen mit den entsprechenden Reichweiten von 330 bis 550 km gemäß WLTP zur Verfügung. Die Reichweite hängt nicht nur von der Batterievariante ab, sondern auch von der Straßenlast des Fahrzeugs. Ein entscheidender Teil davon - und der wichtigste nach einer Geschwindigkeit von ungefähr 60 km / h - ist der Luftwiderstand, der das Produkt des Luftwiderstandsbeiwerts c D istund Querschnittsfläche (A). Wie in [1] beschrieben, ist der Beschleunigungswiderstand, der eine Funktion des Fahrzeuggewichts ist, bei batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) weniger wichtig als bei herkömmlichen Antriebssträngen, da durch regeneratives Bremsen ein Teil der Bremsenergie wieder umgewandelt werden kann elektrische Energie. Da dies beim Luftwiderstand nicht der Fall ist, wurde bei der Entwicklung des ID.3 besonderes Augenmerk auf die aerodynamische Qualität der Basisfahrzeugkarosserie gelegt. Verbesserung des c D.Ein Wert von 0,010 führt zu einer Reichweitensteigerung von ca. 6 km in WLTP, was die Notwendigkeit eines geringen Luftwiderstands unterstreicht. In diesem Zusammenhang bestand eine besondere Herausforderung darin, die Bedingungen für die neue modulare elektrische Antriebsmatrix (MEB) und die relevanten Design- und Maßdesignspezifikationen zu nutzen und darauf basierend ein aerodynamisch optimiertes Gesamtfahrzeug zu entwickeln. Insbesondere ist auf die folgenden wesentlichen Fahrzeugeigenschaften hinzuweisen, die im Verlauf des aerodynamischen Entwicklungsprozesses beachtet werden mussten, um die ehrgeizigen Reichweitenziele zu erreichen:
    • sehr kurze Überhänge mit langem Radstand
    • große Bodenfreiheit für große Räder (D = 705 mm) und Batterieschutz
    • großzügiger Innenraum
    • innovative Styling-Botschaft im Einklang mit der neuen ID-Modellfamilie.


    Entwicklungsschwerpunkte und Werkzeuge

    Abbildung 1zeigt die Hauptschwerpunkte für die aerodynamische Entwicklung, die gestaffelt eingeführt wurden, aber letztendlich größtenteils gleichzeitig liefen, sowie die in diesem Zusammenhang verwendeten Entwicklungswerkzeuge. Der erste Schritt war die Entwicklung der MEB-Plattform, wobei der Schwerpunkt auf einer Kühlluftlösung lag, die alle relevanten Anforderungen erfüllt, und auf einem "glatten" Unterboden. Die Optimierung der Grundkarosserie unter Berücksichtigung der relevanten Fahrzeugräume (Überhänge, Stehhöhe usw.) in enger Absprache mit Design begann etwas später. Dies bildete wiederum die Grundlage für den letzten Schritt der Gestaltung aller Styling-Details und aerodynamisch relevanten Zusatzteile wie Außenspiegel und Felgen.
    Abbildung 1 Schwerpunkte und Werkzeuge der aerodynamischen Entwicklung (© Volkswagen)

    Abbildung 1
    Schwerpunkte und Werkzeuge der aerodynamischen Entwicklung (© Volkswagen)


    Während des Entwicklungsprozesses wurden zwei verschiedene Tools verwendet. Zum einen wurde eine Vielzahl von numerischen CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) durchgeführt, die auf einem sehr detaillierten Rechenmodell basierten. Mit diesen Simulationen konnten nicht nur die grundlegende Form des Stils, sondern auch die Zusatzteile und optimiert werden Felgen mit einem konsequenten Ansatz in der frühen Entwicklungsphase. Andererseits standen für die experimentellen Arbeiten zwei detaillierte Windkanalmodelle (1: 3 und 1: 1) zur Verfügung. Diese Modelle wurden als modifizierbare Tonmodelle mit einer simulierten MEB-Plattform hergestellt und vorwiegend zur Optimierung von Details verwendet. Am Ende ermöglichten eine Vielzahl von Stilen und technischen Maßnahmen das Absenken des c D. Wert für die ID.3 bis auf 0,26 und damit die entscheidende Reichweitensteigerung erreichen.


    Entwicklung der MEB-Plattform

    Die aerodynamischen Verluste im Unterboden, in den Radkästen und im Motorraum liegen nach [2] zwischen 20 und 50% des gesamten Durchflussverlustes. Dementsprechend bestand ein entscheidender Schwerpunkt für die Entwicklung der neuen MEB-Plattform in der Kühlluftlösung und dem Unterbodendesign.

    Wie Abbildung 2 zeigt, wird der sogenannte "Kühlluftwiderstand" mit zwei zusammenwirkenden Lösungen reduziert. Die Kühlluft strömt in einem in sich geschlossenen Luftleitblech mit nahezu null Leckagen von der Kühlluftöffnung im Stoßfänger zur Kühlerbaugruppe. Dort ist erstmals in Serienfahrzeugen eine Kühlerjalousie zwischen Kühler und Kondensator integriert. Der Kühlluftstrom kann nach Bedarf eingestellt werden, indem diese Jalousie entsprechend geöffnet wird. Diese technische Lösung wird konzernweit für alle MEB-Fahrzeuge eingesetzt und reduziert den Luftwiderstand um ca. 0,010, wodurch sich die Reichweite um ca. 6 km erhöht.
    Kühlluftlösung bestehend aus Luftleitblech und Kühlerjalousie (© Volkswagen)

    Abbildung 2: Kühlluftlösung bestehend aus Luftleitblech und Kühlerjalousie (© Volkswagen)


    In Bezug auf das Unterbodendesign ist das besondere Merkmal der MEB-Plattformlösung, dass eine integrale Lösung entwickelt wurde, die den gesamten Bereich abdeckt, keine Stufen aufweist und gleichzeitig modular aufgebaut ist. Wie in Abbildung 3 gezeigtDie Verkleidung für das vordere und hintere Ende, die in erster Linie die Verpackungsräume unter den Achsen abschirmen soll, zweigt von der Unterbodenverkleidung "Batterie", "Schwelle" und "Mitte" in der Mitte ab. Je nach Batteriegröße und Karosserieform werden diese Plattformteile mit variablen Verbindungselementen zu einem einzigen geschlossenen Unterboden kombiniert. Die Achsschenkel selbst sind mit einer zusätzlichen Verkleidung ausgestattet, die den Luftstrom im Unterboden unabhängig vom Sprung optimal leitet. Aufgrund des relativ ungestörten Unterbodenluftstroms durch den abgeschirmten Unterboden war es außerdem wichtig, den hinteren stromabwärtigen Strom im Unterboden mit einem Diffusor fein abzustimmen, um ihn ideal für die Körperform zu machen. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Unterboden eines Verbrennungsmotors Mit der MEB-Unterbodenverkleidung wurde eine Wertverbesserung von 0,010 bis 0,025 erreicht, was zu einer Reichweitensteigerung von 6 bis 15 km führte.

    Unterbodenansicht von ID.3 mit den Bezeichnungen für die Verkleidungskomponenten (© Volkswagen)

    Unterbodenansicht von ID.3 mit den Bezeichnungen für die Verkleidungskomponenten (© Volkswagen)



    Grundkörper- und Stylingoptimierung

    Aufbauend auf der Plattformentwicklung nahm das Design des Basiskörpers eine wesentliche aerodynamische Rolle ein. In diesem Zusammenhang war die Hauptentscheidung, inwieweit der Luftwiderstand des Fahrzeugs entwickelt werden kann. Das Hauptziel war es, eine Strömungstrennung so weit wie möglich zu vermeiden und ein glattes Luftströmungsmuster zu erzeugen, wie es für ein Strömungsprofil als Idealfall beobachtet werden kann. Die Herausforderung bestand darin, dies trotz der fahrzeugspezifischen Anforderungen an den ID.3 zu erreichen, wie extrem kurze Überhänge und komfortable Innenraumbedingungen für eine kompakte Klasse, die einem VW Golf ebenbürtig wäre. Vor diesem Hintergrund widersprüchlicher aerodynamischer und fahrzeugspezifischer Anforderungen ermöglichte eine konsequente Teamarbeit zwischen Design und Aerodynamik in der frühen Entwicklungsphase zusammen mit der Verwendung zahlreicher CFD-Simulationen.

    Wie Abbildung 4 zeigt, ist insbesondere in der Seitenansicht leicht zu erkennen, wie die aerodynamischen Grundprinzipien umgesetzt wurden. Die Strömung wird entlang der meist runden Form des vorderen Fahrzeugendes über die niedrige Windschutzscheibe bis zum höchsten Dachpunkt geführt. Von dort aus kann es dann der Abwärtskontur des Daches folgen, um schließlich auf eine gezielte Weise zur Trennung gebracht zu werden, die der eines Fastbacks aufgrund der besonders ausgeprägten Dach- und Seitenspoiler am hinteren Ende nahekommt. Der hinter dem Fahrzeug erzeugte Trennbereich ist besonders klein und aufgrund seiner optimalen Feinabstimmung mit dem Unterbodenluftstrom so ausgerichtet, dass der c D Die durch die Hecktrennung verursachte Wertminderung wurde so gering wie möglich gehalten.
    Schematische Darstellung des Optimierungsprozesses in der frühen Projektphase und Konturdiagramm der Strömungsgeschwindigkeit mit Strömungslinien im Y-Querschnitt des endgültigen Fahrzeugs (© Volkswagen)

    Abbildung 4: Schematische Darstellung des Optimierungsprozesses in der frühen Projektphase und Konturdiagramm der Strömungsgeschwindigkeit mit Strömungslinien im Y-Querschnitt des endgültigen Fahrzeugs (© Volkswagen)


    Die positiven Eigenschaften des Grundkörpers wurden durch gezielte Konstruktionsdetails ergänzt, wie die aerodynamisch gestaltete A-Säule in Kombination mit dem damit verbundenen Wasserabweiserstreifen und die systematisch gestaltete seitliche Trennkante am Heck, beginnend an den Seitenspoilern und endend bei die untere Stoßstange.


    Außenspiegel

    Die in Abbildung 5 gezeigten ID.3-Außenspiegel ermöglichten es, den nächsten Schritt in der Spiegelentwicklung abzuschließen. Sie zeichnen sich durch deutlich reduzierte Luftwiderstands- und Geräuschemissionen aus, die im Fahrzeuginnenraum im Vergleich zu früheren Entwicklungen um 2 dBA niedriger sind. Dies macht sie zu den besten Außenspiegeln der Marke Volkswagen, wenn man Aerodynamik und Aeroakustik in Kombination betrachtet. Für die aerodynamische und aeroakustische Gestaltung der Außenspiegel wurden als Ergänzung zu zahlreichen CFD-Simulationen ca. 100 h im Windkanal (Maßstab 1: 1) zur Detailoptimierung verbracht. Neben der Messung der c D. Wert als Optimierungszielvariable und Analyse der lokalen Geräuschemissionen des Spiegels mit einem "akustischen Array". Die Strömung auf der Spiegeloberfläche wurde mit Strömungssimulationen und Visualisierung der Oberflächenölströmung analysiert, um selbst kleinste Abstände zu erkennen.
    Abbildung 5 Strömungstopologie am Außenspiegel und Detail der Wirbelgeneratoren auf der Spiegelbasis und deren akustischer Beitrag (© Volkswagen)

    Abbildung 5 Strömungstopologie am Außenspiegel und Detail der Wirbelgeneratoren auf der Spiegelbasis und deren akustischer Beitrag (© Volkswagen)


    Die geneigte Ausrichtung der Spiegelbasis nach vorne führt zur Trennung von großflächigen Längswirbeln hinter der Spiegelbasis. Diese Wirbel erhöhen den Luftwiderstand und sind als Schallquelle für die Innenakustik unerwünscht. In diesem speziellen Fall beheben auf der Spiegelbasis installierte Wirbelgeneratoren das Problem. Diese Wirbelgeneratoren erzeugen kleine Längswirbel, die die Entwicklung unerwünschter großer Längswirbel hemmen und dementsprechend den Luftwiderstand und die Schallemissionen an der Spiegelbasis verringern. Darüber hinaus ermöglichte die systematische Formoptimierung die Schaffung eines Spiegelgehäuses ohne unerwünschte druckinduzierte Trennbereiche und reduzierte dementsprechend die Widerstands- und Geräuschemissionen des Spiegels.


    Felgendesign

    Gemäß [3] machen die Räder mit 33% einen signifikanten Prozentsatz der gesamten Strömungsverluste aus. Daher lag ein besonderer Schwerpunkt auf dem aerodynamischen Design der ID.3-Felgen. Die wesentliche Herausforderung in diesem Zusammenhang bestand darin, die aerodynamischen Anforderungen hinsichtlich eines größtmöglichen Felgenverschlusses zu erfüllen und das Design so zweidimensional wie möglich zu halten, während gleichzeitig das Bedürfnis nach einem attraktiven und sportlichen Design erfüllt und die Felgen so leicht wie möglich gehalten wurden . Für die aerodynamische Entwicklung der Felgen, die ausschließlich auf CFD basierte, wurde ein vereinfachter Referenzfall verwendet - eine vollständig geschlossene und flache Felgenscheibe. Dieser Fall wurde als Referenz für die aerodynamische Qualität der Felgenoptionen in den Gesprächen mit Design verwendet. Herkömmliche Aluminiumfelgen haben je nach Abmessung einen ∆c D.Wert von ungefähr 0,020. Das Entwicklungsziel für die ID.3 war es, den Einfluss der Felgenkonstruktion auf den c D -Wert im Vergleich zur geschlossenen Scheibenfelge auf weniger als 0,010 zu begrenzen .

    Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse für die ID.3-Felgenoptionen, bestehend aus einer 18-Zoll-Stahlfelge, einer 18-Zoll-Aluminiumfelge, einer 19-Zoll-Aluminiumfelge und einer 20-Zoll-Aluminiumfelge. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Felgen das Entwicklungsziel erfüllen. Im Vergleich zur geschlossenen Felgenscheibe werden ∆c D -Werte von 0,005 bis 0,008 erreicht, wobei dieStahlfelgemit der aerodynamisch optimierten Zierleiste die beste ist und bei der das c D -Delta mit zunehmender Felgenabmessung geringfügig zunimmt. Schließlich ist zu beachten, dass, wie in [4] beschrieben, auch die Reifenkontur einen entscheidenden Einfluss auf den Luftwiderstand hat und dass entsprechende Konstruktionsspezifikationen für die Reifenhersteller erforderlich waren, um ein insgesamt optimiertes Rad zu erhalten .
    Abbildung 6 c D- Deltas für die ID.3-Felgenoptionen relativ zur vollständig geschlossenen Scheibenfelge (© Volkswagen)

    Abbildung 6 c D- Deltas für die ID.3-Felgenoptionen relativ zur vollständig geschlossenen Scheibenfelge (© Volkswagen)


    Fazit

    Der ID.3 ist das erste Modell in einer neuen, umfassenden Modellreihe von Batterie-Elektrofahrzeugen von Volkswagen. Die geräumigen Innenraumbedingungen und die Gestaltungsvoraussetzungen für kurze Überhänge und große Räder waren wichtige Herausforderungen für die aerodynamische Entwicklung des Fahrzeugs. Durch den systematischen Einsatz von Strömungssimulationen bereits in der frühen Entwicklungsphase wurden die Plattform und der Fahrzeuggrundkörper effektiv optimiert. Mit der weiteren detaillierten Optimierung im Windkanal erreicht die ID.3 einen Spitzenwert c D - Wert von 0,26, die zur Erfüllung eines elektrischen Bereich Ziel von bis zu 550 km einen wichtigen Beitrag.




    Verweise

    [1] Eckstein, L.; Schmitt, F.; Hartmann, B.: Leichtbau für Elektrofahrzeuge. In: ATZworldwide 112 (2010), Nr. 11, S. 4-10

    [2] Schütz, T.; et al.: Hucho - Aerodynamik des Automobils, Springer Vieweg Verlag, 2013

    [3] Pfadenhauer, M.; Wickern, G.; Zwicker, K.: Über den Einfluss von Rädern und Reifen auf den Luftwiderstand von Fahrzeugen. Internationale MIRA-Konferenz über Fahrzeugaerodynamik, Oktober 1996

    [4] Wittmeier, F.; Widdecke, N.; Wiedemann, J.: Reifenentwicklung unter aerodynamischen Aspekten. FAT-Schriftreihe Nr. 252. Edition Berlin: VDA, 2013

    • Gast-Avatar
      #2
      Gast kommentierte
      Kommentar bearbeiten
      Cool, dann wird langsam mit den E Autos ????

    • Gast-Avatar
      #3
      Gast kommentierte
      Kommentar bearbeiten
      Welchen Einfluss hat denn die Randgröße auf die Aerodynamik. Fahre ich aerodynamisch günstiger mit einer größeren oder einer kleineren Felge? Denn vor dieser Wahl stehe ich ja als Kunde (und dem Verkäufer traue ich dieses Wissen nicht zu...)

    • Gast-Avatar
      #4
      Gast kommentierte
      Kommentar bearbeiten
      Was spricht eigentlich gegen elektronische Außenspiegel wie es die im Mercedes Actros gibt (zugegeben beim LKW-Spiegel ist die Ersparnis größer)?

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