DE3605603C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 5. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind als in­ terner Stand der Technik bekannt. Anstatt maßstäblich verkleinerter Aggregate sind einfach Gittergewebe in die Fahrzeugmodelle eingesetzt.

Bei der Neu- und Weiterentwicklung von Fahrzeugen, z. B. auch Personen­ kraftfahrzeugen, geht das Bemühen unter anderem stets dahin, diese un­ ter Berücksichtigung auch anderer Kriterien soweit als möglich strö­ mungsgünstig zu gestalten, da ab einer gewissen Fahrgeschwindigkeit der Luftwiderstand die den Kraftstoffverbrauch bestimmende Verlustgröße darstellt. Eine Optimierung des Luftwiderstandbeiwertes (c _w -Wert) er­ gibt sich sowohl aus einer strömungsgünstigen Umströmung der Fahrzeug­ karosserie als auch aus einer entsprechend günstigen zumindest teilwei­ sen Durchströmung verschiedener Fahrzeugaggregate, insbesondere im Mo­ torraum, wo die Luft vorwiegend der Kühlung, d. h. der Abfuhr von Pro­ zeßwärme dient.

Ein diesbezüglich wesentliches Aggregat innerhalb des Motorraumes ist beispielsweise bei wassergekühlten Kraftfahrzeugen der vom Fahrtwind angeströmte bzw. durchströmte Kühler mit seinen Lamellen.

Eine optimale Meßwerteinstellung bei der aerodynamischen Untersuchung solcher Kraftfahrzeuge ist möglich, wenn diese im Maßstab 1 : 1 in einem Windkanal erprobt und untersucht werden. Andererseits hat es sich aber bei der Neuentwicklung und für verschiedene Anwendungsfälle als sehr sinnvoll erwiesen, die Fahrzeuge als im Maßstab wesentlich redu­ zierte Modelle in einem entsprechend dimensionierten Windkanal zu te­ sten. Diese labormäßige Untersuchung ist wesentlich kostengünstiger und erlaubt zum anderen eine flexiblere Arbeitsweise, insbesondere ist es dabei auf besonders einfache Weise möglich, Gestaltungsänderungen zu verwirklichen.

Es hat sich in der Praxis als sinnvoll herausgestellt, für Windkanal­ untersuchungen Personenkraftfahrzeugmodelle z. B. im Maßstab 1 : 4 zu verwenden.
(vgl. ATZ-Automobiltechnische Zeitschrift 74 [1972] 5, Seiten 173-177). Dabei werden alle die Umströmung beeinflussenden Teile maßstabsgetreu nachgebildet. Eine maßstäbliche Verkleinerung von im Fahrzeug inte­ grierten Aggregaten ist nicht vorgesehen. Ursache hierfür mögen u. a. auch die nachstehend angegebenen Zusammenhänge sein.

Grundsätzlich birgt die Überraschung der ermittelten Meßwerte auf die Betriebsbedienungen für die Personenkraftfahrzeuge in Originalgröße ge­ wisse Schwierigkeiten, d. h. Meßunsicherheiten in sich. Der oben be­ reits genannte c _w -Wert ist insbesondere bei entsprechend geformten Kör­ pern wie beispielsweise eine Fahrzeugkarosserie abhängig von der Rey­ noldszahl (Re).

Gemäß dem Reynolds'schen Ähnlichkeitsgesetz sind Strömungen um zwei geometrisch ähnliche Körper physikalisch nur dann ähnlich, wenn in bei­ den Fällen der Wert

gleich ist, wobei V eine kennzeichnende Geschwindigkeit, beispielsweise die Ausströmgeschwindigkeit im Windkanal, L eine typische Körperabmes­ sung (z. B. die Fahrzeuglänge) und ν die kinematische Zähigkeit des Me­ diums (Luft) darstellt. Nun ist es aber bei einem im Maßstab um das vierfache reduzierte Modell nicht ohne weiteres möglich, die Windka­ nalgeschwindigkeit um diesen Faktor zu erhöhen. Es ergeben sich deshalb Reynoldszahlen in der Größenordnung von Re = 2,5 × 10⁶ (Modell) bis Re = 10⁷ (Original). Es hat sich aber diesbezüglich als günstig erwiesen, daß gerade in diesem Bereich bei umströmten Körpern nur eine geringe, in der Regel vernachlässigbare Abhängigkeit des c _w -Wertes von der Rey­ noldszahl gegeben ist.

Anders dagegen verhält es sich bei durchströmten Körpern, deren Innen­ strömung einer Rohrströmung vergleichbar ist, wie dem eingangs erwähn­ ten Kühler innerhalb des Motorraumes. Dort sind diese Abhängigkeiten sehr wohl gegeben, so daß bei einfacher Maßstabreduzierung solcher teilweise durchströmter Bauteile eine Meßwertverfälschung aufgrund von unterschiedlichen Strömungstypen (laminar bzw. turbulent) die Folge wäre. Eine Folge wäre auch, daß eine ebenfalls von o. g. Sachverhalten sich ableitende Optimierung hinsichtlich der Abmessungen des für ein bestimmtes Fahrzeug vorgesehenen Kühlers oder der Luftaustrittsfläche aus dem Motorraum nicht erreichbar wäre. Der Gesamt-Druckverlust der Kühlerdurchströmung wird üblicherweise in dimensionsloser Form als Druckverlustbeiwert z _K dargestellt:

Diese Kennzahl ist im Bereich Re = 2,5 × 10⁶ bis Re = 10⁷ in starkem Maße abhängig von der Reynoldszahl. Der Druckverlustbeiwert ζ _K läßt sich bei einem Kühler in Originalgröße leicht ermitteln und wird übli­ cherweise vom Lieferanten dieses Aggregates angegeben und zwar in Ab­ hängigkeit von der Reynoldszahl. Danach läßt sich auch der zugehörige Luftwiderstandsbeiwert ( Δ c _w ) des Kühlers bestimmen. In o. g. Beziehung ist Δ P _G der Gesamt-Druckverlust der Luft, ζ ist ihre Dichte und V _K ihre theoretische Durchtrittsgeschwindigkeit durch den Kühler. Näheres zur Aerodynamik, zur Auslegung und Dimensionierung von Kraftfahr­ zeug-Kühleranlagen kann der Literatur entnommen werden (Aerodynamik des Automobils, W.-H. Hucho, Hrsg., Würzburg 1981, S. 311-314, 318-322).

Es ist nun die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und von einem Simulationsmodell gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5, das Verfahren und das Simulationsmodell so weiterzubilden, daß es möglich ist, das aerodynamische Zusammenwirken meßtechnisch exakt zu erfassen, hierfür mit geringem Aufwand aerodynamisch wirklichkeitsgetreue Voraus­ setzungen zu schaffen, um demzufolge die Bauteile sowie ihre Anordnung zueinander optimal gestalten zu können.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorgehensweise gelöst, wie sie den Merkma­ len des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruchs 5 entnommen werden kann. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

An sich ist aus der VDI-Richtlinie 2044 (Okt. 1966) ein kanal­ förmiges Gebilde (Ventilatorprüfstand) mit einer Querschnittsverengung im Zusammenhang mit einer strömungstechnischen Aufgabe bekannt gewor­ den, wobei auch dort im Bereich der Querschnittsverengung Differenz­ druckentnahmestellen sowie weiterhin zu beiden Seiten der Querschnitts­ verengung Diffusoren vorgesehen sind. Eine Anregung für die Gestaltung eines Simulationsmodells nach der vorliegenden Erfindung ist diesem Stand der Technik aber nicht entnehmbar.

Die Verwendung des universell einsetzbaren Simulationsmodelles bietet neben der Lösung der gestellten Aufgabe den weiteren Vorteil, daß es ohne weiteres möglich ist, dieses auch für andere Fahrzeuge zu verwen­ den, auch wenn die dort zum Einsatz kommenden Kühler anders dimensio­ niert sein sollten.

Mit dem Simulationsmodell nach Patentanspruch 5 kann auf besonders ein­ fache Weise und mit wenigen Handgriffen der für eine interessierende Anström-Reynoldszahl vorliegende Druckverlustbeiwert des in dem betref­ fenden Kraftfahrzeug zum Einsatz kommenden Kühlers eingestellt werden. Weitere Vorteile leiten sich aus den Unteransprüchen sowie der nach­ stehenden Figurenbeschreibung ab.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles be­ schrieben und in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt im einzelnen in

Fig. 1 den vorderen Bereich eines Personenkraftfahrzeuges mit einem schematisiert eingezeichneten Kühler, einer Luftführung mit Kühlluftaustrittsfläche und den maßgeblichen Kenngrößen,

Fig. 2 ein Diagramm, das die auf ein bestimmtes Flächenverhältnis reduzierte Beziehung zwischen dem Δ c _w -Wert und dem erweiter­ ten Druckverlustbeiwert

durch den Kühler wiedergibt und

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäß einge­ setzten Simulationsmodelles.

Fig. 1 zeigt den vorderen Bereich beispielsweise eines Personenkraft­ fahrzeuges (1) mit einem in dessen Motorraum (2) eingesetztem Kühler (3). In einem Windkanal werden insofern verschiedene Fahrtgeschwindig­ keiten simuliert, als ein mittels eines Gebläses (22) erzeugter Luft- Volumenstrom (4) mit einer entsprechenden Anströmgeschwindigkeit auf das Personenkraftfahrzeug (1) gerichtet wird. Die wesentlichen Kennda­ ten am Eingang (5) des Kühlers (3) sind dessen Luft-Eintrittsfläche (A _K ) die dort herrschende Anströmgeschwindigkeit (V _K ) des Fahrtwindes sowie der innerhalb des Kühlers (3) sich ergebende Druckverlust der durch eine dimensionslose Kennzahl, den Druckverlustbeiwert ζ _K gekenn­ zeichnet ist, wie sich aus der bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnten Beziehung ergibt.

Die wesentlichen Kenndaten am stilisiert dargestellten Luftaustritt (23) aus dem Motorraum des Kraftfahrzeuges sind die dort herrschende Kühlluftaustrittsgeschwindigkeit (V _A ) sowie die zur Verfügung stehende Luftaustrittsfläche A _A an der Karosserie oder am Unterboden. Die Spant­ fläche (A _X ), d. h. die Fläche, die das projizierte Schattenprofil des Personenkraftfahrzeuges (1) in Fahrtrichtung ergibt, ist eine weitere Kenngröße zur Ermittlung des aufgrund nachstehender Beziehungen sich ergebenden Einstellwerten ζ _KM für den Druckverlustbeiwert bei einem gemäß der Erfindung anstelle des eigentlichen Kühlers (3) einzusetzenden Si­ mulationsmodell (7).

Eine Beziehung zwischen dem Luftwiderstandsbeiwert Δ c _w des Kühlers (3) und dem Druckverlustbeiwert ζ _K ergibt sich unter Berücksichtigung der Parameter A _K und A _A , wie dies aus Fig. 2 entnommen werden kann. Der auf die Beziehung

reduzierte Δ c _w -Wert ist bei gegebener Fahrzeuggeometrie eine allgemei­ ne Funktion des auf die Beziehung

erweiterten Druckverlustbeiwertes z _K . Da diese Abhängigkeit jedoch insbesondere bei komplizierten Kühlluftführungen nicht von vorneherein bekannt ist, kann bei gegebenem ζ _K ein besonders günstiger Wert

(A _A /A _K ) _opt

experimentell ermittelt werden. Sowohl hierfür, als auch für weiterrei­ chende, z. T. eingangs bereits erwähnte Versuchs- und Optimierungs­ zweck dient das erfindungsgemäß eingesetzte Simulationsmodell (7).

In Fig. 3 schließlich ist schematisiert ein solches Simulationsmodell (7) dargestellt, welches anstatt des im Maßstab verkleinerten eigentli­ chen Kühlers (3) in das Personenkraftfahrzeugmodell eingesetzt wird. Das Simulationsmodell (7) ist ein kanalförmiges Gebilde, beispielsweise mit rechteckigem Querschnitt und ähnelt in seinem grundsätzlichen Auf­ bau sehr den Einrichtungen zur Ermittlung eines Volumenstromes mit Hil­ fe des Wirkdruckverfahrens. Mit dem Ziel, damit einen definierten Druckverlustbeiwert zu erzeugen, wird eine Querschnittverengung in Form eines Schiebers (8) eingebaut, der manuell oder motorisch betätigt durch eine Öffnung (9) des Simulationsmodelles (7) mehr oder weniger in dessen Inneres hineinbewegt werden kann, wobei der Schieber (8) durch Führungen (12) geführt ist. Beidseitig des Schiebers (8) erweitert sich der Querschnitt des Simulationsmodelles (7) düsen- bzw. diffusorförmig (11, 13) um die Strömungsverhältnisse zu verbessern. Die Einströmseite (Pfeil 14) weist eine entsprechende Eingangsquerschnittsfläche (A _S ) auf. Unmittelbar hinter der Einströmöffnung erstreckt sich ein Gleich­ richter (15), der vorzugsweise als Wabengleichrichter ausgeführt ist, über die gesamte Fläche. Ihm kommt in erster Linie die Aufgabe zu, den einfallenden Luft-Volumenstrom in der Weise zu beeinflussen, daß even­ tuell vorhandene Drallströmungen oder sonstige Luftströmungen mit an­ dersartig gerichteten Richtungskomponenten gleichgerichtet werden. Ein danach eventuell noch vorhandenes Ungleichgewicht, d. h. Störungen des Geschwindigkeitsprofiles (16) werden durch nachgeschaltete, gleichmäßig über den Querschnitt des Simulationsmodelles (7) verteilt angeordnete Strömungswiderstände in Form von engmaschigen Sieben (17) beseitigt. Zur Bestimmung der Druckdifferenz an dem als Schieber (8) ausgeführten Drosselorgan ist ein Differenzdruckmesser (nicht dargestellt) vorzuse­ hen, der den herrschenden Luftdruck im Innern des Simulationsmodelles (7) an den gekennzeichneten Meßstellen (18, 19) entnimmt. Der dem Schie­ ber (8) nachgeschaltete, in der Querschnittsfläche (A _S ) der Einström­ seite (14) entsprechende Auslaß ist, wie bereits erwähnt, als Diffusor (13) ausgebildet und weist letztendlich einen weiteren Gleichrichter (20) sowie diesem nachgeschaltete engmaschige Siebe (21) auf.

Es muß dabei eine Kalibrierung in der Weise erfolgen, daß mittels wei­ terer Druckmeßstellen (24, 25) und einem geeigneten Druckmeßgerät (nicht dargestellt) der Gesamtdruckverlust Δ P _G als Funktion des mit einer hier ebenfalls nicht dargestellten Meßeinrichtung zu bestimmenden Volu­ menstromes ermittelt wird.

So kann jeder Stellung des Schiebers (8) genau ein Wert des Simulator- Druckverlustbeiwertes ζ _KM zugeordnet werden. Außerdem erhält man aus der Kalibrierung den Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz Δ P _G an den Meßstellen (18, 19) und dem Volumenstrom.

Besonders hervorzuheben ist dabei, daß aufgrund der Maßnahmen zur Strö­ mungsgleichrichtung (15, 17, 20, 21) die Druckmessung an den Meßstellen (18, 19) unabhängig von den Zuström- und somit von den Einbauverhältnis­ sen des Simulationsmodelles (7) ist und daher genau wie unter den Ka­ librierungsbedingungen erfolgen kann.

Das vorbeschriebene Simulationsmodell (7) kann mittels entsprechender Halterungen (nicht dargestellt) in das Personenkraftfahrzeugmodell (1) eingesetzt werden und dann mit Hilfe des Schiebers (8) der den tatsäch­ lichen Druckverlust charakterisierende dimensionslose Druckverlustbei­ wert ζ _K des ersetzten, dem Maßstab des Personenkraftfahrzeugmodelles (1) angepaßten Kühlers (3) eingestellt werden.

Dabei sollten sinnvollerweise die in der Größe gleichen Ein- bzw. Aus­ trittsquerschnittsflächen (A _S ) des Simulationsmodelles (7) der maßstäb­ lich reduzierten Kühlerfläche (A _K ) sowie die Luftaustrittsfläche am Personenkraftfahrzeugmodell (A _AM ) maßstäblich reduziert der Kühlluft­ austrittsfläche des Originals (A _AO ) entsprechen.

Sollte aber insbesondere die Querschnittsfläche (A _S ) des Simulationsmo­ delles (7) nicht der entsprechenden Fläche (A _K ) eines Maßstab reduzier­ ten Kühlers (3) entsprechen, so ist aufgrund der universellen Abhängig­ keit nach Fig. 2 eine Berücksichtigung der Größenunterschiede bei der Einstellung von ζ _KM für die Modellgröße des Kühlers (3) nach folgender Beziehung auf einfache Weise möglich.

Aus Fig. 2 ergibt sich die Forderung:

wenn nach wie vor gilt:

d. h. die Luftaustrittsflächen (die größenmäßig nicht bekannt sein müssen) zu den Spantflächen bei Modell und Original im selben Verhält­ nis zueinander stehen (geometrische Ähnlichkeiten), dann ist

Damit ist sichergestellt, daß am Simulationsmodell unter Berücksichti­ gung der Größenunterschiede zwischen diesem und der jeweils geforderten maßstablich reduzierten Kühlergröße der richtige Druckverlustbeiwert eingestellt wird.

Nachstehend folgt eine zusammenfassende Definition der bisher verwen­ deten Kenndaten:

z _K = Druckverlustbeiwert eines Kühlers ζ _KM = Druckverlustbeiwert des Kühler-Simulators beim Modell z _KO = Druckverlustbeiwert des Original-Kühlers A _A = Kühlluftaustrittsfläche A _AM = Kühlluftaustrittsfläche beim Modell (maßstäblich redu­ ziert) A _AO = Kühlluftaustrittsfläche bei Originalgröße A _K = Kühlerfläche A _KO = Kühlerfläche bei Originalgröße A _S = Ein- bzw. Austrittsfläche des Simulationsmodells A _X = Spantfläche des Personenkraftfahrzeuges A _XO = Spantfläche des Personenkraftfahrzeuges bei Originalgröße A _XM  =Spantfläche des Personenkraftfahrzeuges bei Modellgröße V _K = Luftdurchtrittsgeschwindigkeit v. Kühler (V _KO = . . . beim Original, V _KM = . . . beim Modell) V _A = mittlere Kühlluftaustrittsgeschwindigkeit ρ = Dichte der Luft c _w = Luftwiderstandsbeiwert Δ c _w = Zusatz-Luftwiderstandbeiwert aufgrund d. Kühlerdurchströmung Δ P _G = Gesamtdruckverlust
   (Δ P _GO = . . . beim Original, Δ P _GM = . . . beim Modell) Re = Reynoldszahl V = Geschwindigkeit (z. B. Windkanalgeschwindigkeit) n = kinematische Zähigkeit (z. B. von Luft) L = Körperabmessung (z. B. Fahrzeuglänge)

Claims (7)

1. Verfahren zur aerodynamischen Untersuchung von als maßstäblich ver­ kleinerte Modelle vorliegenden, umströmten und teilweise durchström­ ten Fahrzeugen mit integrierten Fahrzeugaggregaten in einem Windka­ nal, wobei zwecks Berücksichtigung des Durchströmungsverhaltens eines integrierten Fahrzeugaggregates, dieses durch ein Simulations­ modell ersetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Simulationsmo­ dell (7) der den tatsächlichen Druckverlust charakterisierende di­ mensionslose Druckverlustbeiwert ( ζ _K ) eingestellt wird, der sich als ( Δ P _G = Gesamtdruckverlust, ρ = Dichte der Luft, V _K = Luftdurchtrittsgeschwindigkeit) ergibt, und daß die Anpassung des Druckverlustbeiwertes ζ _KM des Simulationsmodells (7) an den Druckverlustbeiwert ζ _KO des Aggregates in Originalgröße unter Berücksichtigung von Querschnitts- und Maßstabrelationen von zu ersetzendem Aggregat und Simulationsmodell erfolgt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum funktionsgerechten Einsatz des Simulationsmodells (7) dieses einer vorherigen Kalibrierung zugeführt wird, in der Weise, daß dessen Ge­ samtdruckverlust ( Δ P _G ) als Funktion des mit einer Meßrichtung zu bestimmenden Volumenstromes zu ermitteln ist, wobei sich als Pa­ rameter für diesen Zusammenhang für jede Einstellung des Simula­ tionsmodelles (7) ein bestimmter Druckverlustbeiwert ( ζ _KM ) ergibt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei un­ terschiedlichen Querschnittsflächen (A _S , A _K ) von Simulationsmodell (7) und im Maßstab reduziertem Aggregat (3) bei der Einstellung des Druckverlustbeiwertes ( ζ _KM ) eine Anpassung nach folgender Bezie­ hung erfolgt: wobei A _KO die Kühlerfläche bei Originalgröße ist und A _XO bzw. A _XM die Spantflächen des Personenkraftfahrzeuges in Originalgröße bzw. in Modellgröße darstellen.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein im vorderen Bereich eines Personenkraftfahrzeuges (1) im Motorraum an­ geordneter Kühler (3) mit beliebigem Druckverlustbeiwert ζ _KO durch das Simulationsmodell (7) ersetzt wird.

5. Simulationsmodell für ein in ein verkleinertes Fahrzeugmodell inte­ griertes Fahrzeugaggregat zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieses als kanalförmiges Gebilde ausgeführt ist und zur Erzeugung eines Druck­ verlustes ein Drosselorgan (8) zur Erzeugung einer Querschnittsver­ engung zur Anpassung des Druckverlustbeiwertes ( z _KM ) aufweist, wo­ bei zu beiden Seiten der Querschnittsverengung das Simulationsmodell zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse jeweils als Düse bzw. Diffusor (11, 13) ausgebildet ist und im Bereich der Querschnittsver­ engung Meßstellen (18, 19) zum Anschluß eines Differenzdruckmessers vorgesehen sind, mit dem der Gesamtdruckverlust Δ P _GM = ζ _KM × ^ζ /₂ × V _KM ² ( Δ P _GM = Gesamtdruckverlust beim Modell,ζ _KM = Druckverlustbeiwert des Kühler-Simulators beim Modell,ζ= Dichte der Luft,V _KM = Luftdurchtrittsgeschwindigkeit des Kühlers beim Modell)bestimmt werden kann.

6. Simulationsmodell nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Drosselorgan ein in Führung (12) manuell oder motorisch betä­ tigbarer Schieber (8) vorgesehen ist.

7. Simulationsmodell nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein- und Ausströmungsöffnungen jeweils ein vorzugs­ weise als Wabengleichrichter ausgeführter Gleichrichter (15, 20) so­ wie in Strömungsrichtung nachgeschaltete Strömungswiderstände in Form von engmaschigen Sieben (17, 21) über den jeweiligen Querschnitt des Simulationsmodelles (7) reichend zur Dämpfung von Störungen der Zu- und Abströmung vorgesehen sind.