Aerodynamik von Hochleistungsfahrzeugen.

Vorlesung:
Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
Dr.-Ing. R.Demuth
WS10/11, Folie 1.1
Aerodynamik von
Hochleistungsfahrzeugen.
Dr.-Ing. Rainer Demuth
BMW Group
am
Lehrstuhl für Aerodynamik
TU München
Vorlesung:
Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
Dr.-Ing. R.Demuth
WS10/11, Folie 1.2
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
Aerodynamik von Hochleistungsfahrzeugen.
Gliederung.
Einführung (Typen, Rennserien)
Aerodynamische Grundlagen
Aerodynamik und Fahrleistung
Entwicklung im Windkanal
Entwicklung mit CFD
6.  Flügelelemente
7.  Fahrzeugfront / -heck,
Unterboden und Diffusor
8.  Motorfrischluft / -kühlung,
Bremsenkühlung
9.  Leitbleche, Rad-/Radhaus
10.  Rekord-/ und Serienfahrzeuge
http://www.aer.mw.tum.de/lehre/hochleistungsfzg/index.de.php
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HochleistungsFahrzeugen
Dr.-Ing. R.Demuth
WS10/11, Folie 1.3
Einführung.
Einteilung der Hochleistungsfahrzeuge.
Einteilung der Hochleistungsfahrzeuge
•  Rennfahrzeuge
➔ Fahrzeuge, die im Renneinsatz (Wettbewerb) entsprechend einem sportlichen und
einem technischem Reglement eingesetzt werden.
•  Sportwagen
➔ Fahrzeuge, die im Straßenverkehr zugelassen sind und hohe Fahrleistungen und
eine hohe Fahrdynamik bieten.
•  Rekordfahrzeuge
➔ Fahrzeuge, die (oft nur einmalig) eingesetzt werden, um einen Rekord aufzustellen
oder einzustellen.
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Einführung.
Querbeschleunigung von F1 Fahrzeugen.
ab 1965 Einsatz vom Flügeln
ab 1970 Nutzung des Bodeneffekts
1983 Einführung „skid plate“ in der
Formel 1 (kein profilierter
Unterboden)
1989 Ende der „Turbo-Era“
1995 Einführung des „stepped
floor“
2001 Verbot des vierten
Heckflügelelementes
in der Formel 1
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Einführung.
Aerodynamik von Rennfahrzeugen.
Anforderungen an die Aerodynamik von Rennfahrzeugen:
•  Optimale Aerodynamik für Sieg nach sportlichem/technischem Reglement:
•  u.a. schnelle Rundenzeit bei notwendiger Zuverlässigkeit
➔ Zusätzlicher Abtrieb bei hoher aerodynamischer Effizienz.
•  Anpassung an Rennstrecken unterschiedlicher Charakteristik.
•  Optimale Aerodynamik in allen Betriebspunkten (Bremsen, Beschleunigen,
Kurvenfahrt, Gerade, Windschatten).
•  Hohe Anforderungen an Motor- und Bremsenkühlluft, die oft im Widerspruch zur
aerodynamischen Effizienz stehen.
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Einführung.
Bauarten von Rennfahrzeugen.
1.  Fahrzeuge mit freistehenden Rädern („Formelfahrzeuge“)
BMW-Sauber F1.09
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Einführung.
Bauarten von Rennfahrzeugen.
2.  Prototypen
Porsche RS Spyder
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Einführung.
Bauarten von Rennfahrzeugen.
3.  Seriennahe Fahrzeuge
BMW M3 GT2
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Einführung.
Rennfahrzeuge und Rennserien (Beispiele).
Formel-Rennen:
•  Formel 1
•  GP2
•  Formel 3
•  Indy Car
http://www.formula1.com/
http://www.gp2series.com
http://www.f3euroseries.com/
http://www.formel3.com/
http://www.indycar.com/
Tourenwagen-Rennen:
•  DTM
http://www.dtm.com/
•  WTCC
http://www.fiawtcc.com/
•  GT1,GT2,GT3 Cups/Championships
•  Marken Cups: Porsche Carrera Cup, VW Polo Cup, Mini Challenge, usw.
Langstrecken-Rennen:
•  Le Mans Series
•  American Le Mans Series (ALMS)
http://www.lemans-series.com
http://www.americanlemans.com
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Einführung.
Übersicht Leistung/Gewicht.
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Einführung.
Übersicht Längs- / Querbeschleunigung.
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Einführung.
Übersicht aerodyn. Abtrieb und Widerstand.
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Einführung.
Formel 1 Chassis und Motor.
Chassis:
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Single-seater, open cockpit, open wheel
Breite (über alles): 1800mm
Breite (Bodywork): 1400mm
Breite (nach hinterer Radachse): 1000mm
Höhe: max. 950mm
Gewicht: min. 605 kg (incl. Fahrer)
Hohe Crashtest Anforderungen
Motor:
• 
• 
• 
• 
V8, 90° Zylinderwinkel
2400ccm Hubraum, <18000rpm
KERS: Max 60kW und 400kJ pro Runde (2009)
Haltbarkeit: 8 Motoren pro Saison und Fahrzeug
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Einführung.
Formel 1 Aerodynamik.
•  Unterboden mit „skid block“.
•  Flacher Unterboden: 330mm hinter Vorderrädern und 330mm vor Hinterrädern
müssen alle von unten sichtbaren Komponenten in der „reference plane“ oder der
dazu parallel 50mm höherliegenden „step plane“ liegen.
Werte:
Stand 2000
•  Keine beweglichen aerodynamischen Komponenten (außer Frontflügel-Flap).
•  Bodywork in bestimmten Regionen (Boxen) erlaubt bzw. verboten, wodurch
Position und Abmessungen der Flügel festgelegt ist.
•  Flexibilität der Bauteile genau definiert.
•  Keine Winkanaltests mit Modellen größer 60% und nicht schneller als 50m/s.
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Einführung.
Formel 1 Aerodynamik.
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Einführung.
Formel 1 Aerodynamik.
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Einführung.
Formel 1 Aerodynamik.
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Einführung.
Formel 1 Aerodynamik.
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Einführung.
Indy Car Series: Chassis und Motor.
Chassis Typ:
„Open-wheel“, „single-seat“, „open-cockpit“
„ground-effect“ Unterboden, sowie Front- und Heckflügel
•  Gewicht:
1,565 pounds minimum Oval Kurse
1,640 pounds minimum für Straßenkurs, inclusive Fahrer
•  Hersteller:
Dallara Automobili, Italy
•  Länge:
192 inches minimum
•  Breite:
78.5 inches maximum, 77.5 inches minimum
(gemessen außen von Felge zu Felge)
•  Höhe:
ca. 38 inches
•  Radstand:
120 inches, ±2 inches (118 inches to 122 inches)
Motor Type:
3.5-liter V-8, Saugmotor
•  Models:
Honda Racing HI9R Indy V-8
•  Hersteller:
American Honda Motor Co., Inc.
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Einführung.
Indy Car Series: Aerodynamik.
Aerodynamik:
•  Ein elementiger Flügel:
Indy 500 (Indianapolis Motor Speedway)
Anstellwinkel beliebig
•  Zwei Element Flügel:
Speedways:
Homestead-Miami Speedway, Twin Ring Motegi,
Texas Motor Speedway, Kansas Speedway,
Nashville Superspeedway, Kentucky Speedway und
Chicagoland Speedway
Anstellwinkel Hauptelement vorgegeben: -2,5°
•  Drei Elemente Flügel:
Straßenkurse:
Milwaukee Mile, Iowa Speedway und
Richmond International Raceway
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Einführung.
Indy Car Series.
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WS10/11, Folie 1.22
Einführung.
DTM: Chassis und Motoren.
Chassis:
•  Torenwagen Prototypen:
Einheitsbauteile wie Getriebe, Bremsen, Heckflügelprofil und Kardanwelle und
ein Verbot von kostspieligen Materialien und elektronischen Fahrhilfen.
•  Gewicht:
Mindestgewicht eines DTM-Fahrzeugs inklusive Fahrer, Anzug und Helm
bei 2009er-Autos 1.050 Kilogramm.
2008er-Fahrzeuge dürfen 1.030 Kilogramm,
2007er 1.010 Kilogramm wiegen,
Regelmacher behalten sich eine Anpassung nach den ersten Rennen vor.
Motoren:
•  V8-Motoren mit einem Zylinderbankwinkel von 90 Grad,
maximal vier Liter Hubraum und maximal vier Ventilen pro Zylinder.
Ansaugsystem mit zwei Luftbegrenzern mit maximal je 28 mm Durchmesser
Leistung ca. 470 PS.
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WS10/11, Folie 1.23
Einführung.
DTM: Aerodynamik.
Aerodynamische Elemente im Reglement:
•  Heckflügel („Einheits-Heckflügel“)
•  Haupt- und Unterflügelprofil nicht veränderlich.
•  Flap und Trimmkante („gurney“) einstellbar.
•  Profile müssen in def. Boxen untergebracht sein.
• 
• 
• 
• 
• 
Heck-Diffusor.
Vordere aerodynamische Vorrichtungen.
Seitliche aerodynamische Vorrichtungen.
Untere aerodynamische Vorrichtungen.
Vordere und hintere Kotflügel.
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Einführung.
DTM.
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WS10/11, Folie 1.25
Einführung.
Formel 3.
Motor und Chassis frei wählbar
Chassis:
•  Gesamtbreite: 185 cm
•  Breite vor den Vorderrädern: 130 cm
•  Breite zwischen Vorder- und Hinterrädern: 130 cm
•  Breite des Heckspoilers: 90 cm
•  Höhe ohne Überrollbügel: 90 cm
•  Mindestradstand: 200 cm
•  Mindestspurweite: 120 cm
•  Mindestgewicht: 550 kg inklusive Fahrer
•  Formel-3-Euroserie ausschließlich Dallara-Chassis
•  ATS Formel-3-Cup auch andere Marken wie Lola (England) oder Mygalle
(Frankreich)
Motor:
•  Hubraum: max. 2000 cm³Zylinder: max. 4, keine Aufladung
•  Airrestriktor (Luftmengenbegrenzer) 26 mm Durchmesser
•  Mercedes, Mugen-Honda, Opel, OPC-Challenge, Renault oder Volkswagen
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WS10/11, Folie 1.26
Einführung.
Formel 3.
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WS10/11, Folie 1.27
Einführung.
GP2.
Einheitschassis von Dallara
•  Länge:
4867 mm
•  Breite:
1805 mm (Anbauteile 1500 mm)
•  Höhe:
1047 mm
•  Radstand: 3120 mm
•  Gewicht:
688 kg (incl. Fahrer)
Motor:
•  Designed by Renault – Assembled, maintained and rebuilt by Mecachrome
•  V8 – 4 Liter Saugmotor – 600 HP @ 10.000 rpm.
•  Beschleunigung:
0 - 100 km/h: 2.90 sec.
0 – 200 km/h: 6.60 sec
•  Höchstgeschwindigkeit:
328 km/h (Monza aero configuration)
•  Max. Bremsverzögerung: -3.5 G
•  Max. Querbeschleunigung: +/- 3.6 G
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WS10/11, Folie 1.28
Einführung.
GP2.
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WS10/11, Folie 1.29
Einführung.
WTCC.
Gruppe N und Super 2000 Reglement:
•  Rennwagen müssen dem FIA-Reglement der Gruppe N entsprechen und mit einem
Zusatz-Kit Super 2000 ausgestattet sein.
•  Das Serienfahrzeug muss mindestens 2500 mal in identischen Einheiten produziert worden
sein.
•  Mindestgewicht für frontangetriebene Fahrzeuge: 1140 kg; für Hecktriebler :1170 kg.
•  Allradantrieb sowie elektronische Fahrhilfen wie ABS und ESP sind nicht zugelassen.
•  2000-cm³-Saugmotor mit Drehzahlbegrenzung: Vierzylinder mit maximal 8500 Umdrehungen
in der Minute, Fünfzylinder mit 8750 und Sechszylinder mit höchstens 9000 U/min
•  Alternativ gilt auch das Reglement FIA Super 2000D, das einen 2000-cm³-Turbodieselmotor
erlaubt.
•  Ein Motor muss mindestens vier Rennwochenenden in Folge halten und darf während dieser
Zeit nicht getauscht werden.
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WS10/11, Folie 1.30
Einführung.
WTCC.
Vorlesung:
Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
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WS10/11, Folie 1.31
Einführung.
Le Mans Prototypen 1.
LMP1 Le Mans Prototypen 1
• 
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• 
Sportwagen mit größerem Hubraum, aber höherem Mindestgewicht
Offene oder geschlossene Sportprototypen mit Platz für 2 Sitze
6 ltr. Saugmotor oder 4 ltr. Turbo oder 5.5 ltr. Diesel
4.65 m Länge, 2.00 m Breite, 1.03 m Höhe
900 kg Mindestgewicht
90 ltr. Tankinhalt (81 Liter bei Diesel)
Scheinwerfer mit weißem Licht, Startnr. 1-24 (rot)
16" Räder
2009 erstmalig auch Hybrid-Antrieb erlaubt:
•  Min. 400m mit 60 km/h rein elektrisch (Boxengasse)
•  Treibstoffkappazität -10 ltr.
•  Beispiele:
Peugeot 908 HDi FAPs, Pescarolos Judd, Courage Oreca, Lola Coupé, Audi R15
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HochleistungsFahrzeugen
Dr.-Ing. R.Demuth
WS10/11, Folie 1.32
Einführung.
Le Mans Prototypen 2.
LMP2 Le Mans Prototypen 2
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• 
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• 
Sportwagen mit kleinem Hubraum, jedoch geringerem Mindestgewicht
Offene oder geschlossene Sportprototypen mit Platz für 2 Sitze
3.4 ltr. Saugmotor max. 8 Zyl oder 2 ltr. Turbo max. 6 Zyl.
4.65 m Länge, 2.00 m Breite, 1.03 m Höhe
825 kg Mindestgewicht
80 ltr. Tankinhalt
Scheinwerfer mit weißem Licht, Startnr. 25-49 (blau)
14“ Räder
•  Beispiele:
Pescarolo Judds, Lolas, Pilbeams, Radical SR9, Porsche RS-Spyder
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Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
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WS10/11, Folie 1.33
Einführung.
GT1 Grand Turismo 1.
GT1 Grand Turismo 1
•  Serienbasierende Sportwagen mit größeren Hubraum und weniger restriktiven
aerodynamischen Einschränkungen
•  Mindestgewicht ist abhängig vom Hubraum
•  5.00 m Länge, 2.00 m Breite
•  8 ltr. Saugmotor oder 4 ltr. Turbo
•  90 ltr. Tankinhalt
•  Scheinwerfer mit gelbem Licht, Startnr. 50-74 (grün)
•  14" Räder
•  Karbonbremsscheiben
•  Beispiele:
Maserati (MC12), Lamborghini (Murciélago), Chevrolet (Corvette C5R,
Corvette C6R), Aston Martin (Aston Martin DBR9), Ferrari (550 Maranello,
575M Maranello), Saleen (S7R), Chrysler (GTS R)
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Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
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WS10/11, Folie 1.34
Einführung.
GT2 Grand Turismo 2.
GT2 Grand Turismo 2
•  Serienbasierende Sportwagen mit kleineren Hubraum und stärker restriktiven
aerodynamischen Einschränkungen
•  Nur bewegliche Teile der Karosserie dürfen gegen Leichtere ausgetauscht werden
•  4.80 m Länge, 2.00 m Breite
•  Mindestgewicht ist abhängig vom Hubraum (höher als in der LMGT1 Klasse)
•  8 ltr. Saugmotor oder 4 ltr. Turbo
•  90 ltr. Tankinhalt
•  Scheinwerfer mit gelbem Licht, Startnr. 75-99 (gelb)
•  14" Räder
•  Stahlbremsscheiben
•  Keine Telemetrie
•  Beispiele: Ferrari (430 GTC), Porsche (997 GT3 RSR), BMW M3 GT2
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Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
Dr.-Ing. R.Demuth
WS10/11, Folie 1.35
Einführung.
Sportwagen.
Anforderungen an die Aerodynamik von Sportwagen:
•  Sichtbar sportlich aerodynamische Auslegung zur Erreichung sportlicher Fahrleistung
bzw. Fahrdynamik:
•  Fahrzeugabtriebe sehr gering
•  Besondere Anforderungen an Motor- und Bremsenkühlung
•  Straßenzulassung
•  Alltagstauglichkeit
•  Sportliches Design
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Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
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WS10/11, Folie 1.36
Einführung.
Sportwagen.
BMW M5
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Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
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WS10/11, Folie 1.37
Einführung.
Rekordfahrzeuge.
Anforderungen an die Aerodynamik von Rekordfahrzeugen:
•  Spezielle aerodynamische Auslegung zur Erreichung der Rekord-Fahrleistung
Beispiele:
•  Höchstgeschwindigkeit:
•  Geringer Luftwiderstand evtl. im Bereich Trans- / Überschallaerodynamik
•  Richtungsstabilität
•  Verbrauch:
•  Minimaler Luftwiderstand
•  Reichweite:
•  Minimaler Luftwiderstand unter Randbedingungen wie z.B. unkonventionelles
Antriebskonzept oder Solarzellenfläche
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Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
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WS10/11, Folie 1.38
Einführung.
Rekordfahrzeuge.
BMW H2R
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Aerodynamik von
HochleistungsFahrzeugen
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WS10/11, Folie 1.39
Einführung.
Rekordfahrzeuge.
JCB Dieselmax
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HochleistungsFahrzeugen
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WS10/11, Folie 1.40
Einführung.
Rekordfahrzeuge.
Thrust SSC