Detektivarbeit im Windkanal

Dr. Kentaro Zens, verantwortlicher Entwicklungsingenieur für die Aerodynamik und Aeroakustik des Audi RS e-tron GT: „Auf der Strasse bewegt sich das Fahrzeug durch die Luft. Hier im Windkanal ist es genau umgekehrt: Das Fahrzeug steht, und wir bewegen die Luft möglichst gleichmässig darum herum. Wir betreiben grossen Aufwand. Nur wenn die Strömung präzise am Fahrzeug ankommt, ermitteln wir exakte Messergebnisse, denen wir vertrauen können.“

Zens sitzt an seinem Arbeitsplatz neben dem Steuerpult, an dem die Operatoren den Windkanal regeln. An Bildschirmen kann er alle relevanten Daten ablesen: Wie ist der cW-Wert, wie hoch der Vorderachsauftrieb, wie der Hinterachsauftrieb, bei welcher Wind- und welcher Laufbandgeschwindigkeit? Neben ihm steht Thomas Redenbach, Leiter Entwicklung Aerodynamik/Aeroakustik Fahrzeugprojekte: „Als das Windkanal-Zentrum in Betrieb genommen wurde, war dies der erste Pkw-Windkanal weltweit, der die Bodensimulation der realen Bedingungen der Strasse für die Aerodynamik mit einer so extrem leisen Aeroakustik-Funktionalität kombinierte.“

Heute läuft der Windkanal sechs Tage pro Woche im Zweischichtbetrieb von 7 bis 22.30 Uhr. Als die Zulassung nach WLTP-Vorgabe gesetzlich eingeführt wurde, war sogar Volllast angesagt. Moni Islam: „Die Komplexität dieses Windkanals erforderte den vollen Einsatz und die technische Expertise unserer Schwesterabteilung, die Tag für Tag seit vielen Jahren den Windkanal für uns betreibt. Unsere Kolleg_innen vom Windkanalbetrieb stellten uns Entwickler_innen damals 23 Stunden Messzeit am Tag zur Verfügung. Denn die WLTP-Werte müssen wir dem Gesetzgeber mit zertifizierten Windkanal-Messungen nachweisen.“

Dennoch spielen auch in der Aerodynamikentwicklung Computersimulationen eine immer grössere Rolle. Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics, deutsch: Numerische Strömungsmechanik) bildet Strömung rechnerisch nach und ermöglicht Analyse und Visualisierung der Strömungsverläufe. Warum also noch die aufwendige und teure Arbeit im Windkanal? Thomas Redenbach: „Der Windkanal ist unser alltägliches Werkzeug, auch um die Ergebnisse aus der Simulation abzusichern. Wir wollen die Simulationen immer weiter entwickeln. Um sie valide und repräsentativ zu machen, müssen wir die Berechnungen überprüfen.“

Doch die Simulationen am Computer werden immer besser und immer wichtiger. Kentaro Zens: „Beim Audi RS e-tron GT haben wir ungewöhnlich viel simuliert, über neun Millionen CPU-Stunden. Im Windkanal war ich mit dem Fahrzeug 150 Stunden. Das ist sehr wenig.” Zum Vergleich: Beim Audi R8 waren es 600 Stunden. Das zeigt nicht nur die Güte der Form, die das Design des Audi RS e-tron GT mit sich bringt. Sondern auch, dass der Entwicklungsprozess stark verkürzt war – ein Weg, den Audi bei zukünftigen Modellen auch anstrebt.

Moni Islam fügt hinzu: „Windkanal und CFD sind zwei sich ergänzende Werkzeuge der Aerodynamik. Der Windkanal ist sehr genau und schnell und ermöglicht uns daher ein sehr effizientes Arbeiten im dynamischen Entwicklungsprozess. Die Simulation liefert uns eine unglaubliche Fülle an Informationen, jedoch erfordert sie Aufwand in der Vorbereitung und Ergebnisanalyse. Mit nur einem dieser beiden Werkzeuge wäre moderne Aerodynamik-Entwicklung nicht möglich.“

Bei Elektrofahrzeugen wie dem Audi RS e-tron GT ist das Gesamt-Package für die Aerodynamik zwar förderlich (schon aufgrund des geschlossenen Unterbodens). Aber die Herausforderungen an die 31 Mitarbeitenden der aerodynamischen Fahrzeugentwicklung in der Abteilung von Moni Islam steigen. „Wir heben mit jedem Tausendstel Verbesserung des cW-Werts Potenziale bei der Reichweite“, definiert Moni Islam den Anspruch.

Potenziale am Fahrzeug erkennen die Aerodynamiker_innen mit Simulationsergebnissen, die Sensitivitäten darstellen: Wenn ich die Geometrie an der Stelle X der Form geringfügig verändere, wie stark beeinflusst das die Strömung? Und dann beginnt das, was Islam folgendermassen beschreibt: „Aerodynamik ist auch akribische Detektivarbeit, denn man sieht die Luft ja nicht. Man muss versuchen, anhand der Werte, die die Waage im Windkanal angibt, das Problem über eine analytische Vorgehensweise einzugrenzen.“

Dazu arbeiten die Ingenieur_innen auch mit unterschiedlichen Anbauteilen im Rapid-Prototyping-Verfahren. Zuerst werden CAD-Konstruktionen erstellt, um die Geometrien der Bauteile, zum Beispiel eines Lufteinlasses an der Frontschürze, zu definieren. Dann setzen die Kolleg_innen vom Modellmanagement die gewünschten Varianten, es können drei, vier, fünf sein, mithilfe dieser fortschrittlichen Technik in ein Versuchsbauteil um. Anschliessend werden die unterschiedlichen Varianten der Bauteile am Fahrzeugmodell der Reihe nach durchgetestet. Die Messungen geben dann cW- und Auftriebswerte wieder. Diese Ergebnisse werden punktuell auch mit den CFD-Simulationen der exakt gleichen Konfiguration verglichen, um schliesslich zu reproduzierbaren Simulationsergebnissen zu führen.

„Für 80 Prozent der Aerodynamik eines Fahrzeugs braucht es 20 Prozent der Zeit. Aber für die letzten 20 Prozent – an vielen, vielen kleinen Stellen die Tausendstel der Optimierungen herausarbeiten – investieren wir enorm viel Zeit“, schildert auch Thomas Redenbach die Detektivarbeit im Windkanal. „Nur durch diesen hohen Einsatz mit viel Liebe zum Detail können wir Spitzenergebnisse produzieren.“

Was war für den aerodynamisch Verantwortlichen des Audi RS e-tron GT von der Strömung gesehen das schwierigste Detail bei diesem Gran Turismo? Kentaro Zens überlegt eine Weile. „Die Frontschürze mit vier ineinandergreifenden Bauteilen. Denn die Luft strömt in die Einlässe hinein, die Jalousie im Inneren schliesst – aber dann entsteht auch das Problem. Die Luft fliesst irgendwohin. Und das will man nicht. Hier die Kontrolle über die Luftführung zu behalten und diese präzise abzustimmen, ist die entscheidende Feinarbeit. Eine enorme Teamleistung, denn die Kolleg_innen aus Fahrzeugsicherheit, Konstruktion, Produktion und Montage müssen mit mir an einem Strang ziehen.“

Besonders hinweisen möchte Zens noch auf die Gestaltung der sogenannten Air Curtains im Zusammenspiel mit dem Radhaus: „Die enge Abstimmung mit den Audi Designer_innen im wöchentlichen Rhythmus hat dazu geführt, dass der Übergang von der Frontpartie zur Seite um den Air Curtain nicht nur aerodynamisch optimal ist, sondern auch als ein stimmiges Thema in der Gesamtgestaltung aufgeht. Alles am Audi RS e-tron GT hat eine Funktion und einen Sinn. Das ist authentische Funktionalität, die mir an dem Fahrzeug unheimlich gefällt.“