Aerodynamik.

  • Meilensteine Aerodynamik

  • Aerodynamik.

    Rennfahrer, Ingenieure, Journalisten – alle reden Mitte der 1930er-Jahre von der Stromlinie und sind begeistert, welche Potenziale die Aerodynamik dem modernen Automobilbau eröffnet. Nach Renn- und Rekordwagen überträgt Mercedes-Benz dieses Know-how sukzessive auch auf die Serienmodelle; der 540 K Stromlinienwagen von 1938 markiert einen der Höhepunkte dieser aerodynamischen Evolution.

    Gut im Wind.

    Auf dem Gebiet der Aerodynamik kann man den 540 K Stromlinienwagen zu Recht als Ausnahmeerscheinung bezeichnen. Noch nie zuvor hat man einen 540 K so konsequent nach Erkenntnissen der Strömungsforschung entwickelt. Es ist nicht allein der tropfenförmige Grundriss der Karosserie, der den Luftwiderstand verringert. Ebenso wirksam sind die zahlreichen Detaillösungen, die Hermann Ahrens und sein Team realisieren. Dazu gehören zum Beispiel die tief in die Frontpartie integrierten Scheinwerfer, versenkt angeordnete Türgriffe, das langgezogene, tief abfallende Heck und eine fast vollständige Verkleidung des Unterbodens. Selbst der traditionelle Mercedes-Stern wurde zugunsten der Aerodynamik wie bei den Silberpfeilen auflackiert.

    Diese Maßnahmen führen in der Summe zu einem sensationellen Resultat: Der Luftwiderstandsbeiwert (cW-Wert) des Stromlinienwagens beträgt nur 0,36 und liegt damit um mehr als 35 Prozent unter dem Wert eines serienmäßigen 540 K Coupés der damaligen Zeit. Dieses Ergebnis ist umso beachtlicher, da es sich nicht um ein Rekord- oder Experimentierfahrzeug, sondern um einen autobahntauglichen Luxuswagen handelt – um die perfekte Synthese von Stil und Stromlinie.

    Der Windkanal in Untertürkheim – eine Einrichtung mit Geschichte.

    Die Aerodynamik gewinnt, ausgehend von den Erfahrungen im Flugzeugbau, zu Beginn der 1920er-Jahre des vergangenen Jahrhunderts in der Welt der Technik stark an Bedeutung – auch im Automobilbau: In den nachfolgenden zwei Jahrzehnten erregen zahlreiche im Luftwiderstand optimierte Versuchs- und Rennfahrzeuge in der Öffentlichkeit großes Aufsehen. Ein Paukenschlag ist der „Tropfenwagen“ von Edmund Rumpler, der im September 1921 auf der ersten deutschen Automobilausstellung nach dem Ersten Weltkrieg in Berlin debütiert. Er ist die Initialzündung für die Entwicklung weiterer aerodynamisch optimierter Fahrzeuge. Diese werden beispielsweise von so renommierten Forschern und Ingenieuren wie August Everling, Wunibald Kamm, Reinhard Freiherr von Koenig-Fachsenfeld, Paul Jaray und Karl Schlör gebaut.

    Die Entstehung des Windkanals im Werk Untertürkheim von Mercedes-Benz ist eng mit dieser Entwicklung verbunden. Zurück geht sie auf die Tätigkeit von Wunibald Kamm an der Technischen Hochschule (TH) Stuttgart.

    Der promovierte Ingenieur Dr.-Ing. Wunibald Kamm arbeitet von 1922 bis 1925 in der Fahrzeugentwicklung der Daimler-Motoren-Gesellschaft (DMG). Nach Zwischenstufen bei den Schwäbischen Hüttenwerken (SHW) in Aalen und der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) in Berlin-Adlershof wird er Professor am Lehrstuhl der Technischen Hochschule Stuttgart und gründet am 15. Juli 1930 das „Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Flugmotoren an der Technischen Hochschule Stuttgart“ (FKFS), und zwar als gemeinnützige Stiftung an der TH, an der das Land Württemberg mit dem Württembergischen Kultusministerium und Wirtschaftsministerium, die Stadt Stuttgart, der Verband Württembergischer Metallindustrieller, der Reichsverband der Automobilindustrie sowie folgend das Reichsverkehrs- und das Reichsluftfahrtministerium (RLM) beteiligt sind.

    In der Folgezeit ergeben sich Änderungen in Bezeichnung und Satzung: Hinter der Abkürzung FKFS verbirgt sich jetzt das „Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart“. Der Begriff Flugzeugmotoren ist durch Fahrzeugmotoren ersetzt. Das Institut ist heute eine unabhängige Stiftung öffentlichen Rechts in Stuttgart und mit der Universität Stuttgart über Verträge verbunden; sie erhält keine Grundfinanzierung der öffentlichen Hand.

    Beginn im Jahr 1934 zunächst mit einem kleinen Windkanal

    Das Institutsgelände befindet sich bei seiner Gründung im Jahr 1930 aus Bad Cannstatt kommend vor dem Werk Untertürkheim der damaligen Daimler-Benz AG. Werk und Institut sind damals durch einen Bahndamm getrennt, der heute nicht mehr existiert. Im Geschäftsjahr 1934 wird ein kleiner Windkanal mit einem Düsendurchmesser von 70 Zentimetern für Untersuchungen an Fahrzeugmodellen installiert. Zusätzlich werden ab 1935 Luftwiderstandsuntersuchungen im kleinen Windkanal und durch Auslaufversuche mit Fahrzeugen in natürlicher Größe durchgeführt. Im darauf folgenden Jahr wird für Luftwiderstandsmessungen an Fahrzeugmodellen ein Wasserströmungskanal erstellt.

    Zwischen 1939 und 1943 entsteht ein Windkanal für Fahrzeuge in voller Größe. Kamm hat erkannt, dass mit den Modellwindkanälen die umfangreiche Vielfalt der Fahrzeugaerodynamik nicht erfasst werden kann und man deshalb auf Forschungseinrichtungen für Fahrzeuge in Originalgröße nicht verzichten kann. Der von Kamm konzipierte Windkanal ist eine Anlage nach „Göttinger Bauart“ mit horizontaler Luftführung, geschlossener und einer zu Dreiviertel offenen Messstrecke sowie einer Länge der Kanalachse von 125 Metern. Der Düsenquerschnitt beträgt 32,6 Quadratmeter, die Messstreckenlänge 10 Meter.

    Obwohl das Institut in den Jahren 1944 und 1945 durch Bombardements auf das Werk Untertürkheim stark zerstört wird, bleibt der Windkanal deutlich beschädigt erhalten. Unmittelbar nach der Befreiung durch die Franzosen rettet der neue Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. Paul Riekert den eigentlich zur Demontage vorgesehenen Windkanal, indem er ihn mit Fahrzeugen und Geräten so vollstellt, dass er ihn den Besatzungsbehörden als Lagerhalle des Instituts vorstellen kann.

    Bereits 1950 steht das Versuchsfeld der Technischen Hochschule im Fokus der Überlegungen von Dr. Wilhelm Haspel, Generaldirektor der damaligen Daimler-Benz AG. Während einer Vorstandssitzung am 10. Mai 1950 äußert er die Meinung, dass für eventuelle Grundstückskäufe vorzugsweise das Versuchsfeld der Technischen Hochschule in Betracht gezogen werden solle, weil dort bereits Prüfstände und der Windkanal vorhanden wären.

    Gelände und Windkanal kommen zu Daimler-Benz

    1954 erwirbt das Unternehmen von der Stadt Stuttgart Grundstücke jenseits des Bahndamms, auf dem sich heute der Nutzfahrzeugversuch von Mercedes-Benz befindet, aber auch der Windkanal des FKFS steht. Zur gleichen Zeit ist auch das FKFS nach dem Zweiten Weltkrieg wieder in der Lage, den Windkanal in Betrieb zu nehmen. Zunehmend werden ab 1960 die Kapazitäten dort stärker als zuvor von der Fahrzeugentwicklung bei Mercedes-Benz in Anspruch genommen, steigend bis 1970 auf 40 Prozent der Windkanalkapazität.

    1970 erfolgt dann die Übernahme des Windkanals durch die Daimler-Benz AG. Die Verwaltungshoheit verbleibt bis 1974 noch beim FKFS. Danach leitet das Unternehmen einen 8 Millionen DM teuren Umbau und die Modernisierung der gesamten Anlage ein, was fast zwei Jahre in Anspruch nimmt. Im April 1976 nimmt der Entwicklungsbereich von Mercedes-Benz den Betrieb der Anlage mit vierfach erhöhter Kapazität auf.

    Zur Kapazitätssteigerung werden eine Windkanalwaage, eine Vielstellen-Druckanlage sowie ein Leistungs-Rollenprüfstand installiert. Die in einer drehbaren Bodenplatte eingebaute Windkanalwaage ersetzt die bis dahin verwendete Hängewaage, bei der das Fahrzeug in einem H-förmigen Rahmen an vier Stahlseilen aufgehängt und die vier Stahlseile an den Auftriebswaagen in der Drehbühne aufgehängt wurde. Bei der jetzt eingebauten Unterflurwaage steht das Fahrzeug auf vier Aufstandsplatten, die im Boden der drehbaren Messplatte höhengleich eingebaut sind. Die Aufstandsplatten stehen auf vier einzelnen Auftriebswaagen, mit denen die Auftriebskräfte gemessen werden. Durch die drehbare Messplatte können die Einflüsse von Seitenwind simuliert und gemessen werden.

    Mitte der 1980er-Jahre wird im Hinblick auf beschleunigte Verfahren und präzisere Werte der Windkanal erneut modernisiert. So wird beispielsweise eine Traversieranlage eingebaut, die exakte und schnelle Konturvermessung, Strömungsvermessung und Stirnflächenvermessung ermöglicht. Bei der Konturvermessung, die bis dahin mithilfe von Schablonen, Fotos und Vermessung mit Maßstäben erfolgte, wird die Kontur nun zwecks höherer Genauigkeit durch einen sogenannten Optocator (ein optoelektronischer Diodenlichtlaser-Anzeiger) in Koordinaten erfasst. Die Strömungsvermessung erfolgt anstelle manuell positionierter Sonden jetzt mit Sonden, die automatisch ein Messpunktgitter abfahren. Wurde die Vermessung der Fahrzeugstirnfläche früher durch ein Laserverfahren mit einem Zeitaufwand von vier Stunden durchgeführt, ist jetzt mit Kantentracking lediglich ein Zeitaufwand von einer halben bis einer Stunde erforderlich. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, nun auch Nutzfahrzeuge in voller Größe zu messen.

    Neben Aerodynamikuntersuchungen lässt sich der Windkanal für weitere Arbeiten nutzen, beispielsweise Verschmutzungsmessungen und Messungen der Wischgenauigkeit von Scheibenwischern im Hochgeschwindigkeitsbereich, Temperaturmessungen an Kühler und Bremsen sowie Untersuchungen über die Fahrgastraumbelüftung.

    Messanlagen und technische Daten des Windkanals im Mercedes-Benz Werk Untertürkheim:
    • Windkanalwaage
    • Vielstellen-Druckanlage
    • Leistungs-Rollenprüfstand
    • Traversieranlage
    • Datenerfassungsanlage
    • Länge der Messstrecke: 10 Meter
    • Länge der Kanalachse: 125 Meter
    • Düsenquerschnitt: 32,6 Quadratmeter
    • Maximaler Strömungsquerschnitt: 120 Quadratmeter
    • Maximale Blasgeschwindigkeit: 250 km/h
    • Maximale Antriebsleistung: 5.000 kW
    • Gebläsedurchmesser: 8,5 Meter
    • Drehscheibendurchmesser: 12 Meter
    • Schwenkbereich der Drehscheibe: 180 Grad
    • Maximale Achslast: 10 Tonnen
    • Kontraktionsverhältnis Vorkammer/Düse: 3,6

    Aerodynamik im Automobilbau liegt in den 1930er-Jahren buchstäblich in der Luft.

    Das Thema Aerodynamik beschäftigt die Automobilindustrie und damit auch die Unternehmen Daimler-Motoren-Gesellschaft und Benz & Cie. in den frühen Dekaden des 20. Jahrhunderts stark. Ausgelöst durch Geschwindigkeitsrekorde und den Rennsport hält der Aspekt des Luftwiderstands schon in den 1920er- und besonders intensiv in den 1930er-Jahren Einzug auch in den normalen Personenwagenbau – bei Mercedes-Benz in den Heckmotorwagen 130 (W 23), 150 (W 30) und 170 H (W 28), später auch in anderen Fahrzeugen des umfangreichen Typenprogramms. Die Krönung dieser Entwicklung markiert der 1938 als Stromlinienwagen gebaute Typ 540 K, der aufgrund seiner aerodynamischen Karosserie aus Aluminium für Hochgeschwindigkeitstests geradezu prädestiniert ist und dafür auch vom Reifenhersteller Dunlop eingesetzt wird.

    Benz & Cie. sammelt in den Jahren 1909/1910 die ersten zielgerichteten Aerodynamik-Erfahrungen mit dem 200-PS-Rennwagen, der ab 1911 „Blitzen- Benz“ genannt wird und mehrere Weltrekorde einfährt. Anfang der 1920er-Jahre folgt der aufgrund seiner charakteristischen Form so genannte „Tropfenwagen“, zugleich der erste Mittelmotor-Rennwagen der Welt.

    Die Daimler-Motoren-Gesellschaft führt zu Beginn der 1920er-Jahre an Rennwagen für einen Einsatz in Indianapolis Aerodynamikstudien durch. Großes Aufsehen erregt Reinhard von Koenig-Fachsenfeld im Jahr 1932 mit einer Stromlinienkarosserie für den Mercedes-Benz SSKL, mit dem Manfred von Brauchitsch prompt das Avus-Rennen vor Rudolf Caracciola gewinnt.

    In dieser Zeit kommt es zu wegweisenden Konstruktionen von mehreren Aerodynamikpionieren wie zum Beispiel Edmund Rumpler, Paul Jaray, Wunibald Kamm, Freiherr Reinhard von Koenig-Fachsenfeld, Karl Schlör von Westhofen-Dirmstein, die sich vor allem mit Personenwagen beschäftigen. Jaray lässt 1934 auf einen Mercedes-Benz 200 (W 21) eine Stromlinienkarosserie aufbauen, die seinerzeit für großes Aufsehen sorgt. Von Kamm ist ein 170 V (W 136) mit aerodynamisch geformter Spezialkarosserie bekannt, von Schlör ein 170 H (W 28).

    Bei Daimler-Benz sind die Bemühungen zur Reduzierung des Luftwiderstands an mehreren Fahrzeugen zu sehen. So ist die Gestaltung der Heckmotortypen 130, 150 und 170 H durch die Aerodynamik beeinflusst. Ganz besonders deutlich zeigt das die Form der Sport-Limousine des Typs 150, die beim Langstreckenwettbewerb „2000 km durch Deutschland“ im Juli 1934 für Erfolg und Aufsehen sorgt. Bei der gleichen Veranstaltung zeugt ein Coupé des Typs 500 K von den Bemühungen, einen niedrigen Luftwiderstand auch im Luxuswagensegment zu verwirklichen. Mit seiner gebogenen Windschutzscheibe und dem sanft abfallenden Heck erinnert das im Sindelfinger Sonderwagenbau unter Hermann Ahrens aufgebaute Einzelstück stilistisch stark an den 500 K „Autobahn-Kurierwagen“, der im März 1934 auf der Internationalen Auto- und Motorrad-Ausstellung (IAMA) in Berlin debütiert hatte. Dieses zweitürige Coupé setzt zu einem frühen Zeitpunkt ein Zeichen fortschrittlichen und innovativen Designs. Weitere daran angelehnte Fahrzeuge entstehen im Sonderwagenbau.

    In den Jahren 1935 und 1936 folgen ähnlich gestaltete viertürige Versionen auf Basis der Großserienmodelle 200 (W 21), 290 (W 18) und 320 (W 142). Alle zeichnet aus, dass bei konventioneller Vorderwagengestaltung eine in sanftem Bogen nach hinten abfallende Dachlinie übergangslos in das Heck übergeht. Außerdem sind die hinteren Radausschnitte voll verkleidet.

    Im Zuge des rasch fortschreitenden Ausbaus des Autobahnnetzes ergeben sich neue Herausforderungen an die Fahrzeughersteller und die mit ihr verbundene Zubehörindustrie. Ein besonders wichtiger Part fällt bei der Lösung des Problems, auf den neuen Autobahnen hohe Dauergeschwindigkeiten einzuhalten, der Reifenindustrie zu. Es gilt Reifen zu entwickeln für die mitunter bis zu drei Tonnen wiegenden Hochleistungsfahrzeuge. Aus diesem Grund sieht sich die Reifenindustrie zunehmend nach Erprobungsträgern um, die sich für diese Entwicklungsaufgabe eignen. In Deutschland ist der Mercedes-Benz 540 K eines der wenigen Fahrzeuge, das in der Lage ist, diese Forderung zu erfüllen. Ausgestattet mit der 1938 aufgebauten Stromlinienkarosserie, die den cW-Wert von 0,57 für ein klassisches Coupé drastisch auf vorzügliche 0,36 reduziert, sind Dauergeschwindigkeiten von 165 bis 170 km/h und mit Kompressorunterstützung eine Spitzengeschwindigkeit von 185 km/h erreichbar – damals auf öffentlichen Straßen höchst außergewöhnliche Werte.

    Auf ihrer Suche nach einer günstigen Aerodynamik erkennen die Ingenieure auch, dass das Markenzeichen des hoch bauenden Mercedes-Benz Kühlers eine Herausforderung darstellt. Eine mögliche Lösung deutet ein 500 K Stromlinienwagen an, der 1935 für einen Kunden aus Niederländisch-Indien (ab 1949 Indonesien) im Sonderwagenbau von Hermann Ahrens gestaltet wird.

    Konsequent wird der Gedanke eines verkleideten Mercedes-Benz Spitzkühlers und die Integration der bisher frei stehenden Scheinwerfer in die Kotflügel bei dem 540 K Stromlinienwagen umgesetzt, welchen die Dunlop-Werke ab 1938 als Versuchswagen für Reifenversuche einsetzen. Der Sonderwagenbau konstruiert für dieses Fahrzeug und seinen Einsatz im Hochgeschwindigkeitsbereich eine nach den jüngsten Erkenntnissen der Aerodynamik gebaute Stromlinienkarosserie aus Aluminiumblech.

    Auf dem Gebrauchswagensektor gewinnen Stromlinienkarosserien immer mehr Anhänger, so dass bis 1942 an solchen Karosserien auf der Basis des geplanten Nachfolgers für den 170 V gearbeitet wird. Diese Arbeiten werden aufgrund des Kriegsverlaufs abgebrochen.

    Bei Fahrzeugen für Langstreckenfahrten, wie die „2000 km durch Deutschland“ im Jahr 1934 oder die geplante Fernfahrt Berlin–Rom, zunächst für 1938 angesetzt, spielt der Gedanke an Stromlinienkarosserien eine ebenso wichtige Rolle. Immerhin geht es hier um höchste Geschwindigkeit und möglichst geringen Treibstoffverbrauch, also der Verbesserung der Gesamteffizienz. Allerdings wird im April 1938 in einer Vorstandssitzung festgestellt, dass der vorgesehene Stromlinienwagen bis zum geplanten Einsatztermin nicht in jedem Detail den gewünschten Reifegrad aufweisen wird, sodass drei herkömmlich gestaltete 5,4-Liter-Kompressor-Wagen eingesetzt werden sollen. Doch dann wird Berlin–Rom auf 1939 verschoben und schließlich wegen des Beginns des Zweiten Weltkriegs abgesagt.

    Was bleibt, ist ein beeindruckendes Automobil mit wegweisender Technik – ein Meilenstein der Automobilentwicklung.

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