Daimler Design - Fahrzeugkostenreduzierung durch Gestaltung

Neben der Schönheit der Fahrzeuge verantworten die Designer auch deren Sparsamkeit – wie groß der Hebel der Aerodynamik für Flotten ist, erklärte Daimler anh

Daimler Design
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Gregor Soller
Mobilität

Wenn Designer ihre Arbeit erklären, kann das für Nicht-Gestalter schnell wie selbstverliebte Schwafelei klingen. Doch meist kommen die Kreativen dann erst richtig in Fahrt und können leidenschaftlich über Mittel diskutieren, wie ein Auto breiter, leichter oder kräftiger wirkt – oder besser durch den Wind gleitet.

Und da wird es für Flotten interessant. Denn die Aerodynamik ist nach wie vor einer der größten Hebel, mit dem sich bei höheren Geschwindigkeiten sehr einfach und effektiv große Wirkungen erzielen lassen. So erklärt Teddy Woll, Leiter Aerodynamik, Aeroakustik und Windkanalzentrum bei Mercedes-Benz, dass eine Verbesserung des cW-Wertes um ein Tausendstel bei 140 km/h auf der Autobahn immerhin etwa 0,2 Liter Sprit pro 100 Kilometer oder 5 Gramm CO2 pro Kilometer spart. Selbst unter ungünstigen Umständen bleiben laut Woll davon im langjährigen Schnitt beim Kunden etwa 0,1 Liter pro 100 Kilometer hängen. Nachdem der cW-Wert seit rund 30 Jahren um den Faktor von 0,3 verharrte, optimierten die Hersteller die Aerodynamik in den letzten Jahren wieder stärker. Grund dafür ist nicht zuletzt das Thema Flottenverbräuche.

Das Ganze auf die Spitze treiben darf die „Advanced-Abteilung“ unter Steffen Köhl. Sie entwickelt eher realitätsferne Studien, die auf Messen gezeigt werden und ein einzelnes Thema fokussieren, unter anderem das Concept IAA (Intelligent Aerodynamic Automobile) zur IAA 2015, das einen cW-Wert von 0,19 aufwies. Dabei schreckten die Designer nicht vor einer aufwändigen Transformation der Karosserie zurück: Ab einer Geschwindigkeit von 80 km/h schaltet die Studie automatisch vom „Design-“ in den „Aerodynamik“-Modus und verändert durch aktive Aerodynamik-Maßnahmen ihre Gestalt. Das verbessert den cW-Wert von 0,25 auf 0,19 bei einer nicht ganz kleinen Stirnfläche A von 2,16 Quadratmetern. Immerhin parkt die Studie größenmäßig ziemlich genau im Dienstwagensegment zwischen E- und S-Klasse.

An aktiven Maßnahmen scheuten die Designer keine Mühen. Beginnen wir bei den Frontflaps im vorderen Stoßfänger vor den Radkästen: Die fahren 25 Millimeter

nach außen und 20 nach hinten bis zur Hinterkante der Radsichel. Das verbessert die Anströmung der Räder und die Überströmung der vorderen Radhäuser erheblich. Die Lamelle im vorderen Stoßfänger wandert 60 Millimeter nach hinten und verbessert das Einströmen in den Unterboden.

Aber auch die Räder selbst verändern sich: Die Fliehkraft ändert deren „Schüsselung“, also ihre Vertiefung in der Mitte von 55 auf 0 Millimeter, womit die sportliche Fünf-Speichen-Felge zum vollflächigen Scheibenrad wird.

Einen Riesenaufwand bedeutete die um bis zu 390 Millimeter ausfahrbare Heckverlängerung, die zusammen mit dem Diffusor dafür sorgt, dass die Strömung viel später abreißt und sich hinter dem Fahrzeugheck ein wesentlich kleineres Nachlaufgebiet bildet. Diese Heckverlängerung aus Kohlefaser optisch ansprechend und dann auch noch fehlerfrei funktionierend hinzubekommen, war laut Advanced-Chef Köhl eine „extreme Herausforderung“: Sie besteht aus acht Segmenten, die geschlossen einen Ring ergeben. Mit angeschalteten Rückleuchten ergibt das eine Optik, die an den Nachbrenner eines Jettriebwerkes erinnert. Eine Assoziation, welche die Gestalter übrigens im Interieur bei den Lüftungsdüsen des aktuellen E-Klasse Coupés ebenfalls aufnahmen.

Etwas profaner sind die außenbündigen Scheiben, der Verzicht auf Türöffner sowie die tiefer gelegte Karosserie. Die Bodenfreiheit beträgt gerade einmal zehn Zentimeter. Klar, dass der Unterboden voll verkleidet ist. Die Teilabdeckung des Kardantunnels wurde für die Kühlung der Abgasanlage perforiert, die Hinterachse komplett verkleidet. Bei den Pkw-Modellen wie der E-Klasse bereits in Serie umgesetzt ist die regelbare Kühlermaskenjalousie. Bei niedrigem Kühlbedarf schließen die konzentrischen Lamellen im Kühlergrill. Denn fast nichts wiegt in der Aerodynamik

schwerer als Öffnungen, hinter denen der Luftstrom dann hart und unkontrolliert „aufprallt“. Die Grundbelüftung erfolgt dann maßgeblich über den Mercedes-Stern und die Kühlluftöffnung im Stoßfänger.

Entwickelt wurde das „Concept IAA“ zunächst mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation. In rund einer Million Stunden simulierten die Aerodynamik-Experten den Strömungsverlauf und rechneten dabei rund 300 Varianten durch. Dieser Aufwand entspricht in etwa der Entwicklung eines Serienmodells. Anschließend erfolgte der Feinschliff im Windkanal in Sindelfingen – auch das ist eine Parallele zur Serienentwicklung.

Während man im Pkw-Segment langsam an Grenzen der aerodynamischen Entwicklung stößt, ist der Hebel beim  Nutzfahrzeug aktuell noch viel größer. Hier kann man durch gezielte Optimierungen schnell in Bereiche vordringen, in denen sich noch ganze Liter sparen lassen. Was im Nutzfahrzeugsegment umso wichtiger ist, als die innermotorische Entwicklung zur Kraftstoffeinsparung bereits weit ausgereizt wurde. Auch die Reibungsverluste im Antriebsstrang wurden weiter reduziert: So weisen die neuen schweren Lkw-Getriebe mittlerweile einen Wirkungsgrad von rund 99 Prozent auf!

Der Vorteil von Mercedes-Benz ist, dass man Erkenntnisse aus dem Pkw-Bereich direkt auf den Lkw übertragen kann oder umgekehrt aerodynamisches Lkw-Know-how auf den Pkw übertragen kann.

Die Kunst der Designer besteht jetzt darin, das Ganze optisch geschmackvoll aufzubereiten, was im Exterieur schwieriger werden dürfte als im Interieur: Denn hier, so prophezeit der Chef des Interieur-Designs, Hartmut Sinkwitz, wird sich „aufgrund der Digitalisierung in den nächsten 15 Jahren mehr tun als in den vergangenen fünf Jahrzehnten“. Solange die Kunden und Fuhrparks mit den neuen Gestaltungen Nerven und Sprit sparen, dürften sie neues Design freudig begrüßen – ohne die Kniffe der Gestalter im Detail zu kennen. Hauptsache, es sieht gut aus und man kann durch Schönheit sparen!

Interview mit Teddy Woll - Leiter Aerodynamik, Aeroakustik und Windkanalzentrum:

Nachdem der cW-Wert sich nach der großen Optimierung der 80er-Jahre immer nur marginal verbesserte, haben vor allem die letzten Generationen der C- und E-Klasse riesige Optimierungen gezeigt. Woher kommen diese großen Verbesserungen?

Der Hub der letzten Generation, den inzwischen alle unsere Limousinen gemacht haben (CLA: cW-Wert: 0,22; S- und E-Klasse: 0,23; C-Klasse: 0,24), ist einerseits auf eine enge und sehr konstruktive Zusammenarbeit zwischen Design und Aerodynamik, andererseits auf den breiten Einsatz von Aerotechnikmaßnahmen zurückzuführen. Diese Maßnahmen umfassen beispielsweise die neueste Generation von aktiven Kühlerjalousien, ein komplexes Zusammenspiel von 3D-Radspoilern, geschlitzten Radlaufschalen und Aero-Rädern, vollständig verkleidete Unterböden und bei einigen Fahrzeugen auch die aktive Niveauregulierung.

Gibt es seitens Daimler Berechnungen, wie viel Sprit oder Energie bei einer Verbesserung des cW-Wertes um 0,01 (z.B. von 0,26 auf 0,25) gespart werden kann?
Da der Luftwiderstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst, bringt eine cW-Wert-Reduktion vor allem auf der Autobahn Vorteile: Eine Verbesserung um zehn Punkte, wobei ein Tausendstel mit einem Punkt gleichgesetzt wird, bringt bei 140 km/h auf der Autobahn immerhin ca. 0,2 Liter pro 100 Kilometer oder 5 Gramm CO2 pro Kilometer. Im langjährigen Kundenmittel sind es etwa 0,1 Liter pro 100 Kilometer. Schauen wir uns zum Beispiel die aktuelle B-Klasse an, deren cW-Wert sich gegenüber dem Vorgängermodell um grob 50 Punkte – von 0,30 auf 0,25 – verbessert hatte: Dadurch sparen unsere Kunden allein über die verbesserte Aerodynamik rund einen halben Liter Sprit auf 100 Kilometer. Auf ein Mercedes-Autoleben gerechnet reden wir hier über einen kleinen Haustank voll Kraftstoff oder fast eine Tonne CO2.

Erwarten Sie, dass bei den Serienfahrzeugen eines Tages die Marke von cW 0,20 fallen könnte?

Sie wird eines Tages fallen, soviel ist sicher. Mit dem CLA 180 BlueEfficiency sind wir im Jahr 2013 ja schon bis auf zehn Prozent an diese magische Grenze herangekommen – und die Wettbewerber folgen.

Welchen Aufwand müsste man dazu betreiben?

Die Marke von cW 0,20 ist eine „harte Nuss“. Diese zu knacken, erfordert zum einen den vollen Einsatz heute verfügbarer Technikmaßnahmen und zum anderen Kompromisse bei Maßkonzept und Design. Wenn Sie auf bereits realisierte Konzeptfahrzeuge mit cW-Werten < 0,20 schauen, dann sehen Sie stets eine sehr runde, glatte Front, ein sehr ebenes, nach hinten stark verjüngtes Greenhouse, eine auch im unteren Bereich eingezogene Karosserie mit reduzierter hinterer Spurweite und auch entsprechend lange Überhänge.

Die Studie „Concept IAA“ arbeitet mit zahlreichen verstellbaren Luftleitkörpern. Inwieweit könnten diese eines Tages in Serie gehen?

Im Concept IAA gibt es in Summe sechs verschiedene aktive Systeme, die dazu dienen, die oben genannten Kompromisse so klein wie möglich zu halten: einen Frontspoiler, eine Kühlerjalousie in der vordersten Ebene, Frontflaps in beiden Kotflügeln. Dazu eine aktive Niveauregulierung, aktive Aero-Räder und die Heckverlängerung, die sowohl den hinteren Überhang bei höheren Geschwindigkeiten um 400 Millimeter ausdehnt, als auch die Abrissfläche und damit das bremsende Unterdruckgebiet am Heck massiv verkleinert.

Zwei dieser Maßnahmen, die aktiven Kühlerjalousien und die aktive Niveauregulierung, sind schon länger bei Mercedes-Benz in Serie, zwei weitere Maßnahmen können wir uns in näherer Zukunft am Fahrzeug vorstellen.  

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