Aerodynamik: Der effizienteste Weg zur Effizienz

Im GesprÀch: Olympiasieger Jan Frodeno und Leiter Aerodynamik Dr. Teddy Woll.

Sindelfingen – Menschen aus seinem Umfeld beschreiben Ironman Jan Frodeno als Perfektionisten, der jeden noch so kleinen technischen Vorteil sucht, wenn er einen Zeitgewinn verspricht. Und in der komplexen Triathlon-Welt ist die Radstrecke mit Abstand am stĂ€rksten von einer optimalen Technik abhĂ€ngig – insbesondere von der Aerodynamik von Fahrer und Rad. Den Luftwiderstand zu brechen, hat sich auch Dr. Teddy Woll zur zentralen Aufgabe gemacht. Dem Leiter der Aerodynamik bei Mercedes-Benz geht es allerdings nicht zuallererst um Weltrekorde oder Siege, sondern um möglichst effiziente MobilitĂ€t. Ein Treffen im modernen Windkanal von Mercedes-Benz in Sindelfingen.

Welche Bedeutung hat die Aerodynamik fĂŒr Sie?

  • Jan Frodeno: Aerodynamik spielt im zentralen Teil eines Langstrecken-Triathlon, dem 180 km Radfahren, eine ganz wesentliche Rolle. Besonders bei der Weltmeisterschaft auf Hawaii haben wir nicht nur mit dem Luftwiderstand an sich zu kĂ€mpfen, sondern auch mit starken böigen Winden. Das macht das Thema besonders komplex. Und man muss wissen: Nicht die Aerodynamik des Rades ist entscheidend, vielmehr das Zusammenspiel von Rad und Fahrer. Denn der Körper verursacht etwa 80 Prozent der AngriffsflĂ€che fĂŒr den Wind. Die perfekte Sitzposition zu finden, ist schon einige Stunden im Windkanal wert.
  • Teddy Woll: Aerodynamik ist ein intelligenter Weg, den Flottenverbrauch zu senken, und hilft auch, die Schere zwischen zertifiziertem und Realverbrauch zu schließen. Da der Luftwiderstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wĂ€chst, bringt eine cw-Wert-Reduktion vor allem bei höherem Tempo Vorteile. Eine strömungsgĂŒnstige Gestaltung ist auch deshalb so wichtig, weil die StirnflĂ€che der Fahrzeuge in der Tendenz eher noch wĂ€chst: Die Menschen werden grĂ¶ĂŸer, die Batterie von Elektrofahrzeugen braucht Platz und viele Kunden bevorzugen ein SUV. Umso stolzer sind wir, dass wir es bei den neuen Kompaktwagen trotz breiterer RĂ€der und grĂ¶ĂŸerem Platzangebot erstmals geschafft haben, nicht nur nochmal den cw-Wert zu senken, sondern auch die StirnflĂ€che zu verkleinern.

Über welche GrĂ¶ĂŸenordnungen bei der Aerodynamik sprechen wir beim Fahrrad bzw. Automobil?

  • Frodeno: Wer gemĂŒtlich auf einem Tourenrad unterwegs ist, hat einen Luftwiderstandswert von etwa 0,7 mÂČ. Ein Mountainbiker bewegt sich im Bereich von etwa 0,6 mÂČ, ein Rennradfahrer unter 0,5 mÂČ. Bei mir wurde – in Kombination mit Helm, ausgetĂŒftelter Sitzposition und aerodynamisch optimiertem Rad – ein Luftwiderstand von 0,21 mÂČ gemessen. Der Hollandradfahrer muss also den dreifachen Widerstand ĂŒberwinden, und bei doppelter Geschwindigkeit schon den neunfachen!
  • Woll: Unser derzeit Bester ist die A-Klasse Limousine. Sie erreicht mit einem cw-Wert von 0,22 den aktuellen Weltrekord bei Serienfahrzeugen und besitzt eine StirnflĂ€che von rund 2,19 mÂČ. Das ergibt einen Luftwiderstandswert von 0,49 mÂČ. Zwei Personen in einer A-Klasse sind damit deutlich windschnittiger unterwegs als zwei Rennradfahrer – trotz dreifacher StirnflĂ€che.

Kann man den Vorteil einer besseren Aerodynamik in Zahlen fassen?

  • Frodeno: Da sich die Ă€ußeren UmstĂ€nde permanent Ă€ndern, ist eine Quantifizierung in absoluten Werten unheimlich schwierig. Aber klar ist: Je weniger Energie ich brauche, desto schneller kann ich fahren – oder ich kann Kraft sparen fĂŒr den abschließenden Marathonlauf. Wir Radsportler messen die Aerodynamik daher in Watt – die Kraft, die wir aufbringen mĂŒssen, um den Luftwiderstand zu ĂŒberwinden – oder eben, wieviel Watt wir einsparen können bei einer angestrebten Geschwindigkeit von z.B. 45 km/h.
  • Woll: Gelingt es, den cw-Wert um ein Hundertstel zu senken, also beispielsweise von 0,24 auf 0,23, sinkt der Kraftstoffverbrauch im Kundenmittel um ein zehntel Liter, bei Autobahntempo 140 km/h um ca. 0,2 Liter je 100 Kilometer oder 5 Gramm CO2 pro Kilometer. Es gibt heute keine Maßnahme, die so viel Verbrauch reduziert zu so niedrigen Kosten. Um diesen Spareffekt im realen Verkehr durch Leichtbaumaßnahmen zu erzielen, mĂŒsste man die Autos um mindestens 50 Kilogramm abspecken, bei Autobahntempo 140 sogar um rund 200 kg.

Welche Verbesserung haben Sie im Laufe Ihrer Karriere erreicht?

  • Frodeno: Wir haben in den letzten Jahren vor allem mit meinem Radpartner Canyon viel an dem Rad an sich gearbeitet und haben den Lenker und das Cockpit verbessert. ZusĂ€tzlich haben wir auch an meiner Sitzposition getĂŒftelt und auch einen neuen Helm entwickelt. Das hat alles Erfolge gebracht. Man muss aber auch immer die Biomechanik im Auge behalten. Denn man muss auch noch die Kraft aufs Pedal bringen können und vor allem bei einem Ironman die Sitzposition ĂŒber 4 Stunden halten können. Es bringt nichts, wenn man im Windkanal 10 Watt an Windwiderstand einspart, dann aber die Position so „unkomfortabel“ ist, dass man 20 Watt weniger Leistung aufbringt oder danach nicht mehr richtig laufen kann. Diese Balance und den perfekten Punkt zwischen Aerodynamik und Biomechanik zu finden, ist bei uns die grĂ¶ĂŸte Herausforderung.
  • Woll: Einen Zielkonflikt mit anderen Anforderungen haben wir auch beim Auto – deswegen ist nicht immer jedes Modell strömungsgĂŒnstiger als sein VorgĂ€nger. Aber generell haben wir in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Ein spektakulĂ€res Beispiel ist der Sprung bei den SUVs, von der ersten M-Klasse mit cw 0,40 bis zum neuen GLE, der mit 0,29 einen neuen cw-Bestwert im Segment erreicht. Die Limousinen haben in diesem Zeitraum rund 20 Prozent Verbesserung zu verzeichnen. Große Fortschritte haben wir in den letzten Jahren durch die Digitalisierung des Entwicklungsprozesses gemacht, die Berechnung konnte massiv beschleunigt und stark verbessert werden. Digitale Fahrzeugmodelle haben heute ĂŒber 100 Millionen Zellen und liefern uns schon ĂŒber Nacht Resultate mit Genauigkeiten ĂŒber 99 Prozent. Dieselbe Simulation hĂ€tte vor nicht allzu langer Zeit ein halbes Jahr gedauert und wĂ€re noch sehr ungenau gewesen. Hinzu kommt, dass wir heute sehr gut mit den Kollegen aus dem Design zusammenarbeiten und ein hervorragendes VerstĂ€ndnis fĂŒreinander entwickelt haben. Und es macht uns schon stolz, dass wir auf diesem Gebiet den Trend fĂŒr die ganze Autoindustrie setzen.

Und wo finden die Verbesserungen statt?

  • Frodeno: Schauen Sie sich mein aktuelles Rennrad an. Meine Partner von Canyon haben sich wirklich um jedes Detail gekĂŒmmert. Zum Beispiel besitzt mein Speedmax CF SLX ein maßgefertigtes Cockpit: Um die StirnflĂ€che möglichst klein zu halten, frĂ€ste Canyon einen speziellen Aufsatz, der mittig auf dem Vorbau sitzt. Und Continental hat fĂŒr mich einen speziellen Reifen gefertigt, mit dem geringen Rollwiderstand des GrandPrix TT und dem verringerten Luftwiderstand des GrandPrix 4000 S2: Durch das Profil in der LaufflĂ€che löst sich der Wind schneller ab, was gegenĂŒber der glatten LaufflĂ€che des TT ein bis zwei Watt Ersparnis bringt.
  • Woll: Das sind drei Bereiche – die Durchströmung des Motorraums, die Um- und Durchströmung der vorderen RĂ€der und RadhĂ€user sowie der Unterboden. Diese Maßnahmen umfassen beispielsweise die neueste Generation von aktiven KĂŒhlerjalousien, ein komplexes Zusammenspiel von 3D-Radspoilern, geschlitzten Radlaufschalen und Aero-RĂ€dern, vollstĂ€ndig verkleidete Unterböden und bei einigen Fahrzeugen auch die aktive Niveauregulierung. Aber wir schauen uns jede Ecke am Fahrzeug genau an: von der BugschĂŒrze mit all ihren Kanten und Öffnungen bis hin zu den kleinen Abrisskanten im Deckglas der RĂŒckleuchten, um den Strömungsabriss am Heck zu perfektionieren.

Wird die Entwicklung denn weiter gehen, oder ist ein Endpunkt erreicht?

  • Frodeno: Die Entwicklung geht immer weiter, solange „VerrĂŒckte“ wie ich so akribisch hinter jedem Detail her sind. Wer gewinnen will, muss besser als die anderen sein. Und das bedeutet: Wer still steht, fĂ€llt zurĂŒck. Wir mĂŒssen permanent lernen, messen, verstehen, entwickeln – und wieder von vorn.
  • Woll: Genau das ist auch unsere Einstellung. Unser Firmenmotto „ Das Beste oder Nichts“ bringt das auf den gleichen Punkt. NatĂŒrlich kommen wir langsam an eine asymptotische Grenze heran, wenn wir die Autos nicht dramatisch in ihrem Aussehen verĂ€ndern, also zum Beispiel deutlich lĂ€nger und glatter machen und mit schmalen Hecks und schmalen RĂ€dern ausstatten wollen. Zum GlĂŒck finden wir aber – sowohl im Windkanal als auch immer hĂ€ufiger im Computer – immer noch Details, die wir noch optimieren können. Schließlich ist Aerodynamik der effizienteste Weg zu noch mehr Effizienz.

Die GesprÀchsteilnehmer

Jan Frodeno (37) gewann als erster Triathlet sowohl die Goldmedaille bei Olympischen Spielen (Peking 2008) als auch den Titel bei der Ironman Weltmeisterschaft auf Hawaii (2015, 2016). Er ist der erfolgreichste Triathlet Deutschlands und auch weltweit eine Legende. Seit Juli 2016 hÀlt er mit 7:35:39 Stunden auf der Triathlon-Langdistanz die Weltbestzeit, die er bei der Challenge Roth aufstellte.

Dr.-Ing. Teddy Woll (56) studierte Wirtschaftsingenieur-Wissenschaften der Fachrichtung Elektrotechnik an der TU Darmstadt. Er promovierte zum Thema „Messung des Augeninnendrucks bei geschlossenem Augenlid“ und entwickelte nebenher mit der Akasol Solar- und Leicht-Elektrofahrzeuge, die u.a. drei Mal die Tour de Sol gewannen. Nach zwei Jahren bei smart wechselte Woll 1996 in die Vorentwicklung der Daimler AG und leitet seit 1999 die Abteilung Aerodynamik und WindkanĂ€le.

Der Aeroakustik-Windkanal: Messungen bis 265 km/h

Mit dem „Großen Windkanal“ in Stuttgart-UntertĂŒrkheim – vor 75 Jahren fand dort am 5. Februar 1943 die erste dokumentierte Messung statt – verfĂŒgte Mercedes-Benz als erster Automobilhersteller ĂŒber einen Windkanal. Mit dem Aeroakustik-Windkanal im Entwicklungszentrum Sindelfingen, der seinen Betrieb im September 2013 aufnahm, setzte sich das Unternehmen wieder an die Spitze des aerodynamischen Versuchs. Der Windkanal folgt der Göttinger Bauart: Die Luft wird nach der Messstrecke wieder zum GeblĂ€se geleitet und erneut auf bis 265 km/h beschleunigt. Bevor sie dann ĂŒber eine DĂŒsenflĂ€che von 28 mÂČ in die Messstrecke gelangt, muss sie gerichtet und geglĂ€ttet werden, um störende Turbulenzen und Wirbel zu eliminieren. DafĂŒr sorgen Gleichrichter und Siebe. FĂŒr die Nutzung als Akustik-Kanal, in dem die WindgerĂ€usche innen und außen am Versuchsfahrzeug gemessen werden, wurden umfangreiche GerĂ€uschdĂ€mm-Maßnahmen integriert. Noch bei 140 km/h strömt die Luft daher flĂŒsterleise durch die Messstrecke.

KernstĂŒck der 19 Meter langen Messstrecke des Windkanals ist das etwa 90 Tonnen schwere Laufband-Waage-System mit Drehscheibe. FĂŒnf getrennte LaufbĂ€nder simulieren die Straße, deren relative Bewegung zum Fahrzeug die Luftströmung besonders am Unterboden beeinflusst. Das Laufband-Waage-System ist in eine Drehscheibe mit zwölf Meter Durchmesser integriert. So können die zu messenden Fahrzeuge auch unter einem Winkel angeströmt werden, um Seitenwind zu simulieren.

Der Aerodynamik-Weltmeister von Mercedes-Benz: A-Klasse Limousine

Frischer Wind beim Sprit sparen: Seit drei Jahrzehnten setzen die Aerodynamiker von Mercedes-Benz immer wieder Bestmarken. Aktuell belegt die neue A-Klasse Limousine mit einem cw-Wert von 0,22 und einem Luftwiderstand von weniger als 0,49 m2 den Weltrekord bei Serienfahrzeugen. Sie verteidigt damit den ursprĂŒnglichen Weltrekord des CLA CoupĂ©s, dessen neues Modell mit 0,23 cw weiterhin einen herausragend guten Wert erreicht.

Das gute Strömungsverhalten trĂ€gt entscheidend zum niedrigen Kraftstoffverbrauch unter Alltagsbedingungen bei. Durch eine Vielzahl von Berechnungsschleifen, CAE-Simulationen (computer aided engineering, rechnergestĂŒtzte Entwicklung) und Messungen im Windkanal in Sindelfingen wurde die A-Klasse Limousine bis ins kleinste Detail verbessert. Neben der hervorragenden Außenform gibt es viele kleine Maßnahmen, die zu dem neuen Rekord gefĂŒhrt haben: eine ausgeklĂŒgelte StirnflĂ€chenreduktion trotz deutlich besserer Komfortmaße im Innenraum, ein umfangreiches Dichtungskonzept (u.a. mit Abdichtung des Scheinwerferumfelds) sowie die nahezu vollstĂ€ndige Verkleidung des Unterbodens, die u.a. den Motorraum, den Hauptboden, Teile der Hinterachse und den Diffusor umfasst.

Speziell optimiert wurden die Radspoiler vorn und hinten, um die RĂ€der möglichst verlustarm zu umströmen. Auch bei den Felgen und Reifen fand aerodynamischer Feinschliff statt. Auf Wunsch und je nach Markt ist ein zweiteiliges Jalousiesystem hinter der KĂŒhlermaske erhĂ€ltlich, das die Durchströmung des Motorraums minimiert.

Ende 2018 kam die A-Klasse Limousine auf den Markt. Das viertĂŒrige Stufenheckmodell hat den Radstand des SchrĂ€gheckmodells (2.729 Millimeter) und besitzt die Proportionen einer dynamischen und zugleich kompakten Limousine mit kurzen ÜberhĂ€ngen vorne und hinten. Bei der Kopffreiheit im Fond setzt sie sich an die Spitze ihres Segments. DarĂŒber hinaus verfĂŒgt die Limousine ĂŒber die bekannten A-Klasse Tugenden. Dazu zĂ€hlen moderne, effiziente Motoren, das hohe Sicherheitsniveau dank neuester Fahrassistenz-Systeme mit S-Klasse Funktionen und das intuitiv zu bedienende, lernfĂ€hige Infotainment-System MBUX – Mercedes-Benz User Experience.

ĂŒbermittelt durch die Daimler AG

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