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Die Aerodynamische Entwicklung des Ford Kuga

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  • Die Aerodynamische Entwicklung des Ford Kuga

    Die Bedeutung der Fahrzeugaerodynamik nimmt aufgrund ihres positiven Beitrags zum Kraftstoffverbrauch der Flotte und der hohen Reichweite im elektrischen Fahrmodus ständig zu. Die aerodynamische Entwicklung des Ford Kuga ist ein gutes Beispiel dafür, wie moderne Prozesse und Technologien hohe Erwartungen erfüllen können. Die c D -Werte der gesamten Produktpalette waren im Vergleich zum Vorgänger deutlich reduziert.


    Zielsetzung für die Produktentwicklung

    Schon zu Beginn des Projekts war klar, dass eine optimierte Aerodynamik eine wichtige Rolle bei der Erzielung der gewünschten Produktqualitäten spielen würde. Gute c D -Werte sollten nicht nur für eine spezielle Version, den sogenannten Aero Leader, reserviert werden, sondern von allen Varianten erreicht werden. Abbildung 1 zeigt das Prinzip der Zielsetzung in den frühen Projektphasen. Die Daten zeigen die fortschreitende zeitliche Entwicklung des c D.Werte von SUVs und Geländefahrzeugen globaler Hersteller. Das Diagramm zeigt auch eine Trendlinie für Fahrzeuge mit Kuga-ähnlichen Silhouetten und ähnlichen aerodynamisch relevanten Inhalten. Die Werte für die Vorgänger und die wichtigsten Wettbewerber sind abgegrenzt. Im Allgemeinen nehmen sowohl der Trend als auch die Varianz mit der Zeit ab. Gute Aerodynamik hat mich auch aufgrund des starken Anstiegs der Ölpreise im Jahr 2000 als auch weltweit strengere Emissionsstandards von etwa 2010 bei AC ankommen Ausgang hoch geschätzt worden DDas Ziel, der beabsichtigte Kraftstoffverbrauch und die beabsichtigte Leistung, die Anforderungen des Paketteams in Bezug auf beispielsweise Innenraummessungen und die durch die Trendlinie angegebenen Verbesserungen des technologischen Niveaus wurden gegen einen Punkt abgewogen. Am Ende des Prozesses wurde für die Mehrheit der globalen Kuga-Flotte ein Widerstandskoeffizientenziel von c D <0,33 festgelegt. Spezifische Varianten mit speziellen Offroad-Anforderungen (erhöhte Fahrhöhe, spezieller Unterbodenschutz, Offroad-Reifen) durften einen Maximalwert von c D = 0,35 erreichen.

    Abbildung 1 Branchentrend des c D -Wertes für SUVs (EU und USA) und Zieldefinition vor Projektstart 2015 (© Ford)

    Abbildung 1
    Branchentrend des c D -Wertes für SUVs (EU und USA) und Zieldefinition vor Projektstart 2015 (© Ford)

    Die zur Erreichung des aerodynamischen Ziels erforderlichen Komponenten, beispielsweise das Kühlluftstrommanagement mittels eines aktiven Grillverschlusses, Unterbodenverkleidungen und Radspoiler, sowie die damit verbundenen finanziellen Auswirkungen wurden definiert und festgelegt.



    Entwicklungsprozess

    Die in Abbildung 2 gezeigten Grundprinzipien des aerodynamischen Entwicklungsprozesses sind gut bekannt [1]. Das wichtigste ist ein eng integrierter Entwicklungsprozess, an dem Konstrukteure, Karosserietechniker und Aerodynamiker beteiligt sind, um ein attraktives und aerodynamisches Produkt zu erhalten. Die ständig wachsende Anzahl von Variationen und kürzeren Entwicklungszeiten erfordern jedoch, dass Prozesse kontinuierlich weiterentwickelt werden, um schnellere Rückkopplungsschleifen zu erhalten. Moderne digitale Tools unterstützen die verschiedenen Teams bei der agilen Designentwicklung, dem effizienten Datenaustausch und der Nutzung virtueller Räume, in denen sich Teams unabhängig von ihrem physischen Standort treffen können.
    Abbildung 2 - Aerodynamischer Entwicklungsprozess (© Ford)

    Abbildung 2 - Aerodynamischer Entwicklungsprozess (© Ford)


    Damit globale Trends und Kundenwünsche in das Design des neuen Kuga einfließen können, fand ein Designwettbewerb statt, an dem alle Ford Design Studios weltweit teilnahmen. Das Aerodynamik-Team konzentrierte sich auf die Bewertung des Konzepts und lieferte Vorschläge zur Optimierung. In der ersten Entwicklungsphase lag der Schwerpunkt auf der Nutzung des virtuellen Windkanals, um die effizientesten Proportionen zu finden. In der zweiten Jahreshälfte verlagerte sich die Optimierung der technischen Details. Mit Hilfe von Prototypen oder Vorproduktionsfahrzeugen wurde die endgültige Optimierung und Zulassung für die Serienproduktion sowie die Zertifizierung für die Homologation in einem WLTP-zertifizierten Windkanal durchgeführt.


    Entwicklung der Grundform

    Luftströme können hauptsächlich in angehängte und abgetrennte Strömungen eingeteilt werden [2]. Für den Luftstrom von Straßenfahrzeugen sind die stark dissipativen Wirbel in den getrennten Bereichen und die zugehörigen Scherschichten für den Großteil der Druckunterschiede und mehr als 80% des Luftwiderstands verantwortlich. Die Reduzierung dieser Wirbelableitung steht daher im Mittelpunkt der Entwicklung der Grundform. SUVs und Crossover-Fahrzeuge stellen besondere Anforderungen an Aerodynamiker. Im Vergleich zu niedrigeren Limousinen und Sportfahrzeugen wirken sie "stumpf" und haben größere Räder und eine größere Bodenfreiheit.

    Abbildung 3 zeigt diezeitlicheEntwicklung des c D -Wertes vom ersten Kuga-Proportionsmodell bis zum endgültigen Homologationstest mit einem Vorproduktionsfahrzeug. In der ersten Phase nutzen die Designer und Aerodynamiker einen höheren Freiheitsgrad, um die äußere Form ohne zusätzliche Kosten zu optimieren. Die aerodynamischen Eigenschaften werden nur unter Verwendung von CFD berechnet, bis ein Design ausgewählt wurde. Modelle im Maßstab 1: 2,5, wie sie in der Vergangenheit verwendet wurden, sind nicht mehr Teil des Ford-Entwicklungsprozesses.
    Abbildung 3 - Chronologische Entwicklung des c D -Wertes (© Ford)

    Abbildung 3 - Chronologische Entwicklung des c D -Wertes (© Ford)

    Die ersten Designstudien bei c D = 0,36 bis 0,393 lagen bis zu 20% über dem Ziel von c D <0,33. Die Entwicklung des c D -Wertes zeigt den Hand-in-Hand-Fortschritt des Entwurfs und der aerodynamischen Optimierungsprozesse. Zu dem Zeitpunkt, als das endgültige Design ausgewählt wurde, waren ungefähr 50% der Lücke im c D.Wert war bereits geschlossen worden. Folgende Maßnahmen wurden vom Team umgesetzt: Zunächst wurde der um 20 mm vergrößerte Radstand zur Optimierung der Silhouette verwendet. Weitere wichtige Design- und aerodynamische Elemente waren eine niedrig gedehnte Motorhaube, ein reduzierter Windschutzscheibenwinkel und eine optimierte A-Säule, um die induzierten Wirbel zu minimieren. Die Dachlinie wurde niedrig gehalten und nach hinten nach unten gebogen. Um den Abstand im Heck so gering wie möglich zu halten, wurden die Karosserien und D-Säulen hinten eingezogen. Die Form der D-Säulen wurde auch im Hinblick auf die wichtigen Verpackungsanforderungen hinsichtlich Breite und Höhe des Ablagefachs optimiert.



    Feinabstimmung und detaillierte Optimierung

    Sobald die Proportionen festgelegt und das Designthema festgelegt waren, konnte die Feinabstimmung und detaillierte Optimierung im aerodynamischen Windkanal erfolgen. Für den Kuga wurde ein klassisches 1: 1-Tonmodell mit einem repräsentativen Unterboden-, Motor- und Kühlluftstrom gebaut. Parallel durchgeführte CFD-Analysen unterstützten die detaillierte Analyse kritischer Bereiche. Dies half, Windkanalstudien effizient zu planen. Darüber hinaus konnten Ideen aus CAE-Studien mittels Rapid Prototyping als physikalische Testteile umgesetzt werden. Durch einen einfachen Austausch von Teilen konnten die vorhergesagten Auswirkungen im Windkanal schnell überprüft werden. Ein Beispiel für die Verwendung von Prototypenteilen war die Entwicklung der vorderen Stoßstange. Ziel war es, den beabsichtigten Gestaltungselementen (Oberflächen, scharfe Kanten, aerodynamisch neutrale Wirkung) zu verleihen. Position und Form der Nebelscheinwerfer) und erzeugen so viel wie möglich einen parallelen Beginnfluss zu den Vorderrädern. Durch diese Designoptimierungen konnte das Team dem Ziel um etwa DC näher kommen D = 0,005.

    Die Aerodynamiker und Aeroakustiker arbeiteten im Windkanal zusammen, um die Außenspiegel zu optimieren. Das Spiegelgehäuse wurde so konzipiert, dass es im Voraus aerodynamisch geformt und dann am Tonmodell optimiert wurde. Um Wechselwirkungen mit dem Körper zu minimieren, wird der Spiegel mit abgeflachten Armen am Fensterdreieck befestigt. Das Spiegelgehäuse an der Seite der A-Säule ist wie ein Diffusor geformt, der den Luftstrom steuert und verlangsamt. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse über visualisierte Schnitte des Luftstroms. Die zeitlich gemittelten Ergebnisse zeigen, dass das Nachlaufen des Spiegels und damit auch die Geräuschentwicklung von den Seitenfenstern und dem Innenraum ferngehalten wird. Der Spiegel trägt weniger als 4% zum Luftwiderstand des gesamten Fahrzeugs bei.
    Abbildung 4 - Berechnete Geschwindigkeitsverteilungen in visualisierten Schichten für die ST-Line-Variante (© Ford)

    Abbildung 4 - Berechnete Geschwindigkeitsverteilungen in visualisierten Schichten für die ST-Line-Variante (© Ford)


    Die Änderungen am Heck des Fahrzeugs hatten zum Ziel, den Ort der Strömungstrennung zu definieren und aerodynamisch zu optimieren. Der in Länge und Winkel optimierte Spoiler diente dazu, die Dachlinie elegant zu verlängern; seine Ecken wurden dann als Seitenspoiler nach unten verlängert. Die Form des Spoilers musste zusammen mit den Trennkanten der Rücklichter und der Heckstoßstange mit integriertem Diffusor optimiert werden. Dank der daraus resultierenden Verringerung der Wirbelstruktur und der Erhöhung des sogenannten Basisdrucks am Heck des Fahrzeugs konnte eine Verbesserung von ca. Dc D = 0,013 erreicht werden.

    Zum Zeitpunkt des Entwurfsgefrierens war das Ziel von c D = 0,33 erreicht worden. Die folgenden Aufgaben konzentrierten sich auf die Optimierung der nicht sichtbaren Komponenten hinsichtlich aerodynamischer und wirtschaftlicher Effizienz.

    Der flache und bis zu 80% geschlossene Unterboden ist ein wichtiger Bestandteil des aerodynamischen Konzepts des Kuga. Das Layout unterstützt auch das Energiemanagement des Antriebsstrangs und der Bremsen. Der Unterboden des Ford Kuga wurde für jede Motor- und Getriebekombination einzeln optimiert. "Bestehende" Teile wie der Heckschalldämpfer oder die leere Batterie des Kuga PHEV wurden in das System integriert und aerodynamisch vorteilhaft ausgelegt. Abbildung 5zeigt als Beispiel den Unterboden für einen Benzinmotor mit Frontantrieb. Dargestellt sind die Motorraumabdeckung, die Antriebsstrangabdeckung mit integriertem Wärmeschutz zur Steuerung des Luftraums im Motorraum, der mittlere Abweiser an der Hinterachse und die hintere Hitzeschild. Alle Abdeckungen sind für eine bündige Verbindung mit den Stoßfängern und Seitenschwellern ausgelegt. Die in den frühen Entwicklungsphasen konstruierten Abdeckungen der Hinterachsschwingen haben sich für den Kuga als nicht kosteneffektiv erwiesen und wurden für die Serienproduktion nicht berücksichtigt. Die Feinabstimmung des Unterbodens ergab eine weitere Reduzierung von Dc D = 0,005. Wenn alle aerodynamischen Unterbodenteile entfernt würden, würde sich der Luftwiderstandsbeiwert um mehr als 10% erhöhen.
    Abbildung 5 Unterbodenabschirmung mit Darstellung der Stromlinien (© Ford)

    Abbildung 5
    Unterbodenabschirmung mit Darstellung der Stromlinien (© Ford)





    Ergebnisse

    In Windkanaltests mit Vorserienfahrzeugen konnte ein Luftwiderstandsbeiwert von c D = 0,323 nachgewiesen werden. Die Mehrzahl der anderen Varianten erfüllt ebenfalls das Ziel von c D <0,33. Höhere Werte werden durch Sonderausstattungen wie größere Räder angetrieben. Dieses sehr gute Gesamtergebnis ist ein Beweis für den erfolgreichen Optimierungsprozess für alle Varianten.

    Abbildung 6 und Abbildung 7 zeigen , wie die verschiedenen Teile und Räder den berechneten Luftstrom um einen Kuga mit Frontantrieb und Automatikgetriebe beeinflussen. Die Titanium-Version verfügt über 17-Zoll-Stahlräder mit Radkappen, das ST-Line-Modell über offene 19-Zoll-Räder und einen sportlichen Heckspoiler.
    Abbildung 6 Vergleich der Strömungstopologien (Querschnitte) für die Varianten Titan (links) und ST-Line (rechts) (© Ford)

    Abbildung 6
    Vergleich der Strömungstopologien (Querschnitte) für die Varianten Titan (links) und ST-Line (rechts) (© Ford)

    Abbildung 7 Vergleich der Strömungstopologien (Mittelteil) für die Varianten Titan (oben) und ST-Line (unten) (© Ford)

    Abbildung 7 Vergleich der Strömungstopologien (Mittelteil) für die Varianten Titan (oben) und ST-Line (unten) (© Ford)

    Abbildung 7
    Vergleich der Strömungstopologien (Mittelteil) für die Varianten Titan (oben) und ST-Line (unten) (© Ford)


    Abbildung 6 zeigt Schnitte durch die Luftstromtopologie. Entlang der unteren Karosserie und in Bodennähe durch die Kuga ST-Line wird mehr Luft zur Seite gedrückt. Eine weitere Analyse der Daten zeigt, dass die vordere Stoßstange der ST-Line mehr Luft unter das Fahrzeug leitet und gleichzeitig das 19-Zoll-Rad mehr Luft aus den Radkästen und dem Motorraum zur Seite entlüftet Heben Sie die Vorderachse an, wobei die ST-Line nur einen Wert von cLF = -0,003 liefert. Gleichzeitig ist der Luftstrom auf die Vorderräder etwas stärker abgewinkelt als auf dem 17-Zoll-Rad der Basisversion. Die CFD-Daten zeigen, dassin der ST-Line-Konfiguration mit 19-Zoll-Rädernein höherer c D -Wert zu erwarten ist ( Abbildung 8) .

    Abbildung 8 Aerodynamisch relevante Varianten und Sonderausstattung (© Ford)

    Abbildung 8
    Aerodynamisch relevante Varianten und Sonderausstattung (© Ford)

    Die Mittelabschnitte, Abbildung 7 , zeigen zwei Phänomene. Im unteren Teil des Fahrzeugs zeigt die ST-Linie ab der B-Säule niedrigere Geschwindigkeiten. Dies wird hauptsächlich durch die zuvor erwähnte seitliche Bewegung der Luft verursacht. Im Heck ist zu erkennen, dass der Heckspoiler und der Diffusor die Luft wie gewünscht zu den Scherschichten zurückführen und sich der Luftstrom nicht vorzeitig trennt. Der niedrigere Luftströmungswinkel am Diffusor ist bei der ST-Line im Vergleich zum Titan stärker nach oben geneigt. Dies ist ein Hinweis darauf, dass der Hub an der Hinterachse der ST-Line niedriger ist. Der Windkanal bestätigt den Verdacht. Die ST-Line hat einen Heckhubkoeffizienten cLR = -0,049 im Vergleich zum Titan bei cLR = 0,017. Dieser leichte Abtrieb beim Ford Kuga ST-Line unterstreicht das dynamische Design dieser Variante.


    Variantenmanagement und Homologation

    Die parallele Optimierung aller Varianten und die zeitaufwändige Homologation nach WLTP sind für Aerodynamiker besonders herausfordernd. Die Unterschiede zwischen den Varianten müssen hinsichtlich ihrer aerodynamischen Relevanz aussortiert und jede Variante aerodynamisch optimiert werden. Die erste Sensitivitätsanalyse erfolgt hauptsächlich mittels CFD-Simulation. Ausgewählte Varianten und Spezialeffekte werden im Vollwindkanal verifiziert. Rapid Prototyping bietet eine effiziente Nutzung der Windkanalzeit, insbesondere bei der Herstellung und dem Austausch verschiedener Unterboden- und Zusatzteile.

    Abbildung 8 zeigt den Einfluss von Varianten und Sonderausstattungen auf den c D -Wert in Prozent. Es stellte sich heraus, dass die Abweichungen zwischen den Antriebssträngen sehr gering waren und die Empfindlichkeit von den Hauptfaktoren des Motor- und Getriebetyps abhängt. Es gab effektiv drei Gruppen von Antriebssträngen:
    • Gruppe 1 (Dieselmotor mit Automatikgetriebe)
    • Gruppe 2 (Dieselmotor mit Schaltgetriebe und Benzinmotor mit Automatikgetriebe)
    • Gruppe 3 (Benzinmotor mit Schaltgetriebe und PHEV).
    Der Unterschied im c D -Wert zwischen den Gruppen betrug nur 0,5%. Diese minimale Abweichung ist das Ergebnis einer ähnlichen Kühlkonfiguration und der Optimierung des Unterbodens für jede spezifische Variante.

    Das Kuga Titanium hat den vorteilhaftesten c D -Wert. Der Kuga ST-Line ist trotz seines Heckhubreduzierenden Spoilers (DcLR = -0,040) nur etwa 0,8% höher (Dc D.= 0,003). Die Räder haben den größten Einfluss auf die Aerodynamik. Der Bereich liegt zwischen 0% für das 17-Zoll-Referenzrad aus Stahl und 3,3% für das 19-Zoll-Aluminiumrad im 5 × 2-Speichen-Design. Bei den 17-, 18- und 19-Zoll-Reifen mit ihrer gemeinsamen Abmessung von 225 / ** R ** (* = Platzhalter) besteht der Hauptunterschied im Trend zu einem höheren Widerstand aufgrund des vergrößerten Felgendurchmessers und des offeneren Felgendesigns Nicht verallgemeinerbar ist das 20-Zoll-Rad mit seinem breiteren 245/45 R20-Reifen, der normalerweise den Luftwiderstand erhöht [3]. Das 20 "-Rad ist jedoch nur 0,7% schlechter als das Referenzrad. Das 20" -Rad hat ein geschlosseneres Design als die Aluminiumräder mit höheren c D -Werten. Die 245/45 Niederquerschnittsreifen haben eine geringere Ausbuchtung in Form der Seitenwand als die 225 / ** Reifen.

    Für die Homologation im NEFZ reichte es aus, ein Basismodell zu testen, um die Typgenehmigung zu erhalten. Die Einführung von WLTP (2018) hat dies geändert. Für die Zertifizierung müssen die aerodynamischen Eigenschaften jeder Variante und jeder Option nachgewiesen werden. Gemäß Tabelle 1 gibt es 871 baubare Kombinationen von Kuga. Es ist weder sinnvoll noch zeitnah oder wirtschaftlich möglich, alle 871-Varianten zu testen. Durch die Identifizierung signifikanter Faktoren konnte die Anzahl der Kombinationen auf 291 reduziert werden. Mithilfe virtueller Methoden, effizienter Planung und Windkanaltests konnten somit die erforderlichen Nachweise rechtzeitig erbracht werden.



    Tabelle 1
    Aerodynamisch relevante Varianten und Sonderausstattung (© Ford)
    Schnittlänge 4 3
    Heckspoiler 2 2
    Motor-Getriebe-Kombination 10 3
    Räder 9 9
    Aktiver Grillverschluss 1 1
    Suspension 2 2
    Anhängerkupplung 2 2
    Permutation 2880 648
    Baubare Kombinationen 871 291





    Zusammenfassung und Ausblick

    Die aerodynamische Entwicklung des Ford Kuga zeigt, wie durch die konsequente Anwendung eines kontinuierlich verbesserten Entwicklungsprozesses immer anspruchsvollere Anforderungen erfüllt werden können. Die aerodynamischen Ziele wurden erreicht. Jede Variante trägt mit ihrem optimierten c D -Wert zur effizienten Reduzierung der CO 2 -Emissionen bei. Die Homologation gemäß den WLTP-Anforderungen des Aerodynamikers erfordert ein tieferes Verständnis der Gesetzgebung und verstärkte Tests am Ende des Entwicklungsprojekts.

    Immer strengere Emissionsgrenzwerte für die Flotte und hohe Kundenerwartungen für eine große Reichweite im elektrischen Fahrmodus werden in Zukunft zu weiteren Verbesserungen des Luftwiderstands führen. Jeder Teil des Fahrzeugs trägt dazu bei, ein optimales Ergebnis zu erzielen [4]. Ein Beispiel ist die Radaerodynamik. Elektrofahrzeuge setzen die Aerodynamik zusätzlich unter Druck. Der Luftwiderstand spielt eine größere Rolle als bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor [5]. Bodenplattformen für Elektrofahrzeuge ermöglichen auch neue Proportionen, die von den Konstrukteuren genutzt werden und aerodynamisch optimiert werden müssen. Aerodynamiker sind begeistert von der Zukunft und den Vorteilen elektrischer Plattformen, da beispielsweise flache, zentral positionierte Batterien den holprigen Unterboden durch heiße Abgassysteme ersetzen - ein guter Ausgangspunkt für eine aerodynamisch perfekte Unterbodenstruktur.

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