Fahrwiderstände
Der Gesamtwiderstand eines Fahrzeugs setzt sich aus einer Reihe von Einzelwiderständen zusammen: In der Reihenfolge der entstehenden Widerstände ist zuerst der Reibungswiderstand im laufendem Antriebsmotors zu nennen. Hier befinden sich einige drehende und gleitende Bauteile. Der Reibungswiderstand wird durch einen guten Schmierfilm möglichst gering gehalten. Die meisten heute eingesetzten Motorenöle sind sehr effektiv und stehen für bestimmte Außentemperaturen, zum Beispiel Sommer-oder Winterbetrieb zur Verfügung.
Ein sehr schädlicher Material-Verschleiß entsteht beim Starten des Motors, insbesondere bei den ersten Umdrehungen. In diesem Moment hat sich noch kein Schmierfilm an den entsprechenden Stellen aufgebaut, da die Ölpumpe erst mit dem Starten des Motors mit der Ölförderung beginnt. Hier kommt es dann zu einer sogenannten metallischen Reibung. Dabei gleiten ohne einen Schmierfilm Metall direkt auf Metall. Erst nach einigen Umdrehungen des Motors wird der Ölfilm an den entsprechenden Stellen aufgebaut und verhindert so den metallischen Kontakt. Auch der Antrieb von Zusatzaggregaten, wie Lichtmaschine, Bremskraftverstärker, Wasserpumpe und Klimaanlage benötigen Antriebsleistung.
Weiterhin entstehen im anschließenden Getriebe zusätzliche Reibungsverluste durch das sogenannte Abwälzen der einzelnen Zahnräder miteinander und den Reibungswiderstand der Wellenlagerung im Getriebegehäuse.
Darüber hinaus erzeugen die Radlager während der Fahrt auch einen Reibungswiderstand. Er entsteht durch das Abwälzen der Kugellager im Gehäuse des Radlagers. Auch hier ist ein gut funktionierender Schmierfilm unverzichtbar. Die hier angewendete Schmierung ist eine Dauerschmierung, bestehend aus einem zähen Fett, das in der Regel sehr lange einsatzbereit bleibt.
Weiterhin wirkt der sogenannte Roll-Widerstand der Räder, der durch den Abwälzvorgang des Rades während des Rollens auf der Fahrbahn entsteht. Der Rollwiderstand ist maßgeblich von der Fahrbahnbeschaffenheit abhängig. Eine sehr grobe Fahrbahnoberfläche erzeugt dementsprechend auch einen hohen Rollwiderstand. Die im heutigen Straßenbau verwendeten Asphalt-Materialien sind sehr glatt auf der Laufoberfläche ausgeführt. Allerdings muss auch darauf geachtet werden, dass Regenwasser immer noch genügend Freiräume hat in der Oberfläche der Fahrbahn zur Seite hin abzufließen zu können, damit es nicht zu dem gefährlichen Aquaplaning-Effekt kommen kann. In einem solchen Fall geht der Kontakt des Reifens mit der Fahrbahn bei höheren Geschwindigkeiten komplett verloren, weil die zu verdrängenden Wassermassen zu groß geworden sind und das Rad dadurch „aufschwimmt“ Das führt wiederum zum völligen Kontrollverlust des Fahrzeugs. Unterstützend für den Wasserabfluss ist darüber hinaus, dass die Straßen mit einer leichten Neigung von der Mitte aus zur Seite hin gebaut werden. Durch diese Bauweise kann auch hier das Wasser zur Seite abfließen.
Diese oben beschriebenen Reibungswiderstände müssen auch von der Motorenleistung mit überwunden werden. Die meisten dieser Widerstände sind nur geringfügig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig und bleiben relativ konstant. Ausgenommen ist hier der Rollwiderstand auf nasser Fahrbahn. Hier steigt er mit zunehmender Geschwindigkeit doch erheblich an, weil der Reifen die vor ihm liegende Wassermenge verdrängen muss, die mit steigender Geschwindigkeit stark anwächst.
Luftwiderstandsbeiwert cw
Der weitaus größte Widerstand, der im Betrieb des Fahrzeugs entsteht ist allerdings der Luftwiderstand. Ab einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/h steigt er sehr stark an. Er entsteht dadurch, dass ein sich bewegendes Fahrzeug die vor ihm liegende Luftmasse zur Seite hin verdrängen muss. Darüber hinaus gibt es die sogenannte Grenzschicht-Reibung, in der durch Reibung von Luftschichten zueinander auch ein Widerstand entsteht. Die Funktion der Grenzschicht eines Fahrzeugs ist folgend beschrieben:
bei einer anliegenden Luft-Strömung haftet unmittelbar an der Karosserie-Oberfläche eine sehr dünne Luftschicht. Darüber liegt eine weitere Luftschicht die sich bereits etwas bewegt. Darüber liegt die nächste Luftschicht, die sich noch etwas schneller bewegt. So geht es weiter, bis die letzte Luftschicht die Geschwindigkeit der umströmten Luft angenommen hat. Durch diesen Vorgang entstehen Verwirbelungen innerhalb der Grenzschicht die Energie verbrauchen. Die gesamte Dicke der Grenzschicht ist sehr gering, sie liegt bei wenigen Millimetern.
Der entstehende Luftwiderstand bei einem bewegten Fahrzeug ist in hohem Maße von der Form und von der projizierten Fläche des Fahrzeugs abhängig. Die projizierte Fläche, auch Schattenfläche genannt, ist die Fläche, die entsteht, wenn man ein Fahrzeug von vorne anstrahlt und diesen dadurch entstehenden Schatten auf eine hinter dem Fahrzeug befindliche Fläche projiziert. Im Flugzeugbau wird der Luftwiderstand durch eine möglichst schlanke und runde Form des Rumpfes und der Tragflügel niedrig gehalten. Ein geringerer Luftwiderstand hat auch eine Reduzierung der Antriebsleistung zur Folge.
Im Fahrzeugbau wird angestrebt, den Luftwiderstand durch eine schlanke Form und einer möglichst geringen projizierten Fläche zu begrenzen. Allerdings bestimmen die Größe der Fahrgastzelle und die Gesamtlänge des Fahrzeugs hier die Grenzen. Im vorderen Bereich des Fahrzeugs wird durch eine dementsprechende schräge und runde Bauweise der Luftwiderstand sehr positiv beeinflusst.
Für eine widerstandsarme Luftströmung wäre es erforderlich auch hinter dem Fahrzeug eine schräge, nach hinten zulaufende Fahrzeugform zu verwenden, damit die Strömung nicht abreißt sondern allmählich hinter dem Fahrzeug wieder zusammenlaufen kann. Das allerdings würde zu sehr langen Fahrzeugen führen, die für den Alltagsbetrieb untauglich sind. Bei einigen Fahrzeug-Typen ist es hingegen sehr eindrucksvoll gelungen diese Form näherungsweise beizubehalten. Hier zu erwähnen sind unter anderem die Fahrzeuge von Porsche.
Das sogenannte Abreißen einer Strömung entsteht dann, wenn die Luftströmung nicht mehr dem Profil des Fahrzeugs folgen kann und es dadurch zu Verwirbelungen kommt. Diesen Effekt kann man sehr gut beobachten bei der Fahrt eines Lastkraftwagens auf nasser Fahrbahn. Hinter dem Fahrzeug entstehen sehr starke Verwirbelungen, sichtbar gemacht durch feinste Wassertröpfchen. Diese Verwirbelungen verzehren Energie und sorgen für einen erheblichen Anstieg des gesamten Luftwiderstandes.
In einem sogenannten Windkanal lassen sich die Strömungsverhältnisse einer Fahrzeugkarosserie sehr gut darstellen. Ein Windkanal ist eine Konstruktion, die es ermöglicht in einem Strömungskanal ein komplettes Fahrzeug aufzustellen. Durch sehr leistungsfähige Propeller wird nun in diesem Strömungskanal eine gleichmäßige laminare Strömung erzeugt, die einen weiten Geschwindigkeitsbereich abdecken kann. Durch sogenannte Raucherzeuger vor dem Fahrzeug lassen sich Stromlinien erzeugen. Diese treffen im weiteren Verlauf auf das Fahrzeug und machen die Umströmung am Fahrzeug sehr gut sichtbar. Durch die hier gewonnenen Erkenntnisse lassen sich viele Details an der Karosserie strömungstechnisch erkennen und in der Konstruktion dadurch günstig beeinflussen. Folglich wird auch der Gesamtwiderstand des Fahrzeugs dadurch herabgesetzt. Ein überzeugendes Beispiel ist hier die Gestaltung der Außenspiegel. Sie fügen sich in das Gesamtbild einer strömungstechnisch effizient ausgeführten Karosserie sehr gut ein, dies nicht zuletzt durch Erkenntnisse aus dem Windkanal.
Maßgeblich für den gesamten Luftwiderstand eines Fahrzeugs ist der sogenannte Cw –Wert, oder auch Widerstandskoeffizient genannt. Er ist eine Kennzahl für die strömungstechnische Ausbildung eines Körpers in einer Umströmung und wird teilweise im Windkanal ermittelt.
Je strömungsgünstiger eine Fahrzeugform ist, desto geringer ist der Cw-Wert.
Folgend einige Cw-Werte verschiedener Fahrzeugtypen:
Heutiger Mittelklasse-Wagen 0,3
VW- Volkswagen 0,38
Kleiner Lieferwagen in Kastenform 0,52
Lastwagen 0,8
Motorrad 0,9
Quergestellte Scheibe 1,27
Der Cw-Wert geht direkt als Multiplikator in die Formel zur Berechnung des Strömungswiderstandes und die erforderliche Leistung, die aufzubringen ist diesen Widerstand zu überwinden, ein.
Bemerkenswert ist hierbei, dass sich der Luftwiderstand zum Quadrat der Geschwindigkeit erhöht. Das bedeutet: wenn sich die Geschwindigkeit verdoppelt, vervierfacht sich die dabei entstehende Widerstandskraft. Die notwendige Leistung zur Überwindung des Luftwiderstandes wächst sogar zur dritten Potenz der Geschwindigkeit.
Folgend eine kurze rechnerische Betrachtung:
Der in Newton gemessene Luftwiderstand berechnet sich nach folgender Formel:
Fw = Cw x q x A
Cw = Widerstandskoeffizient ( dimensionslos )
q = Staudruck am Fahrzeug ( N/m² )
A = projizierte Schattenfläche ( m² )
Bei der Berechnung der Größe q ( Staudruck ) geht die Geschwindigkeit zum Quadrat ein.
Der Cw-Wert ist eine Angabe, die vielfach auch in den technischen Informationen der Automobil-Hersteller zu finden ist. Durch diese Angabe lassen sich Rückschlüsse auf den zu erwartenden Kraftstoffverbrauch ziehen.
Wie sich bei der Formel zur Berechnung des Widerstandes gut erkennen lässt, spielt die projizierte Schattenfläche eine große Rolle. Durch dementsprechende Konstruktionen versucht man diese möglichst gering zu halten. Es ist aber immer nur ein Kompromiss zwischen der Innenraumfreiheit für die Insassen und den physikalischen Gesetzten des Luftwiderstandes. Zu erwähnen sei hier einmal beispielhaft die Ausbildung der Seitenscheiben-Fläche zum Dach hin. Sie sind bei den meisten Fahrzeugen etwas schräg nach innen geneigt, um die projizierte Schattenfläche möglichst gering zu halten. Gelegentlich auf Kosten der seitlichen Kopffreiheit für die Insassen.
Die Addition der oben aufgeführten Widerstände, die mit wachsender Geschwindigkeit besonders durch den Luftwiderstand zunehmen, begrenzt letztendlich die maximal erreichbare Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Das bedeutet, dass bei Erreichen der maximal möglichen Geschwindigkeit mit der dabei maximal zur Verfügung stehende Antriebsleistung des Motors ein Gleichgewichtszustand mit dem Gesamtwiderstand des Fahrzeugs erreicht ist. Es lässt sich keine weitere Geschwindigkeitssteigerung mehr erzielen.
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