Charakterisierung der Radumströmung bei realer Reifendeformation

Abstract

Ein zuverlässiger aerodynamischer Entwicklungsprozess ist essentiell für Steigerungen der Fahrzeugeffizienz. In den frühen Phasen erfolgt die aerodynamische Bewertung überwiegend auf Basis numerischer Strömungssimulationen (englisch: Computational Fluid Dynamics, CFD). Jedoch gibt es in der CFD Unsicherheiten, wodurch aerodynamische Optimierungspotenziale nicht vollständig identifiziert und ausgeschöpft werden. Die Modellierung der Räder und Reifen ist ursächlich für einen Teil dieser Unsicherheiten. In der CFD wird die Reifendeformation, die sich am realen Reifen unter Last und Rotation einstellt, nur selten berücksichtigt. Außerdem müssen Vereinfachungen der Reifengeometrie und der Modellierung der Reifenrotation vorgenommen werden. Diese Abweichungen zur Realität tragen zur Unsicherheit der CFD bei und werden daher gezielt in diesem Forschungsprojekt untersucht. Zur Erfassung der Reifendeformation wurde im Projekt ein Prüfstand entwickelt, mit welchem Reifenkonturen bei realen Abrollbedingungen unter Last und Rotation gemessen werden können. Mit diesem wurden Verformungsanalysen an handelsüblichen Reifen durchgeführt. Diese Reifen wurden ebenfalls am VW-DrivAer Modell im Windkanal untersucht. Es wurden die Auswirkungen der Reifendeformation auf die Umströmung analysiert und dabei gleichzeitig ein umfangreicher Validierungsdatensatz für CFD-Untersuchungen aufgebaut. Bei den Messungen zeigte sich, dass Unterschiede in Radlast, Rotation und Reifendruck einen signifikanten Einfluss auf die Reifenumströmung haben. Folglich müssen Strömungssimulationen für zuverlässige Ergebnisse diese Auswirkungen ebenfalls abbilden können. In der zweiten Phase des Projekts wurden entsprechende CFD-Untersuchungen für eine Auswahl der untersuchten Reifen durchgeführt. Die Reifen wurden digitalisiert und anschließend basierend auf den Reifendeformationsmessungen deformiert. Die CFD-Simulationen wurden in drei in der Fahrzeugaerodynamik weit verbreiteten CFD-Solvern berechnet. Das Ziel bestand darin, die aerodynamischen Unterschiede zwischen hoher und niedriger Radlast abzubilden. Im Ergebnis zeigte sich, dass die Solver im Simulationssetup mit hoher Modellierungsgüte grundsätzlich in der Lage sind, die Unterschiede in der Umströmung aufgrund der Reifendeformation zu erfassen. Sowohl die Abbildung der Reifendeformation als auch ein höherer Detaillierungsgrad der Reifengeometrien führen zu einer besseren Ergebnisgüte. Jedoch zeigte sich ebenfalls, dass kein Solver die Messergebnisse aller getesteten Reifen und Felgen richtig wiedergeben kann. Die Reifendeformation sollte grundsätzlich in der CFD berücksichtigt werden, da gezeigt werden konnte, dass undeformierte Reifengeometrien bereits bei geringer Radlast und somit kleiner Deformation keine gültige Vereinfachung darstellen. Neben der Reifendeformation ist auch die Modellierung der Querrillen wichtig, um Radlastunterschiede erfassen zu können. Wie auch die Reifendeformation beeinflussen die Querrillen die Ablösung an der Reifenschulter und Reifenseitenwand. Die korrekte Abbildung dieser Ablösung ist entscheidend für die Ergebnisgüte und bestimmt damit die Zuverlässigkeit der CFD-Simulationen. Die Forschungsnehmer bedanken sich bei der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e. V. für die Ermöglichung des Forschungsprojekts, sowie beim Arbeitskreis 6 Aerodynamik für das große Interesse an diesem Projekt und die wertvollen Impulse aus den regen Diskussionen. Ein besonderer Dank gilt Dr. Christoph Lietmeyer für den engagierten Vorsitz des AK 6, sowie ihm und Mathias Hähnel für die gute Zusammenarbeit und den kooperativen Austausch zwischen den Arbeitskreissitzungen.