Ein Windkanal? Davon hast du bestimmt schon einmal gehört. Nicht jeder denkt dabei aber sofort an Autos. Dabei ist es äußerst wichtig, die Strömungseigenschaften eines Fahrzeugs zu überprüfen. In unserem Blogbeitrag erklären wir dir, was Windkanäle sind, wozu man sie braucht und warum sie für Autohersteller so wichtig sind.

Windkanal – was genau ist das?

Bevor ein neues Automodell wirklich auf der Straße gefahren werden darf, muss es der Hersteller in einem Windkanal auf aerodynamische und aeroakustische Eigenschaften testen. Was diese komischen Begriffe bedeuten? Ganz einfach: Bei der Aerodynamik misst man die Luftströmung und den Luftwiderstand eines Autos. Mehr Luftwiderstand bedeutet unter anderem einen höheren Spritverbrauch und bremst das Auto bei hoher Geschwindigkeit aus. Mit der Aeroakustik untersucht man die Geräusche, die der Fahrtwind an verschiedenen Autoteilen verursacht.
In einem Windkanal kann außerdem getestet werden, wie sich unterschiedliches Klima auf ein Auto auswirkt oder ob die Anbauteile bei hohem Fahrtwind stabil bleiben. Kennst du schon unser Kinderreporter-Video mit Emma und Nick im Klimakanal? Da haben die beiden innerhalb von kürzester Zeit heiße Sommertemperaturen sowie klirrende Kälte erlebt. Schau mal rein!

Wie funktioniert ein Windkanal?

Windkanäle können verschieden aufgebaut sein. Man entscheidet vor allem zwischen dem offenen und dem geschlossenen Windkanal. Bei einem offenen saugt eine Düse die Luft von  draußen in das Gebäude, bläst sie über das Auto und anschließend wieder aus dem Windkanal hinaus. Bei einem geschlossenen Windkanal wird die Luft im Kanal behalten und wie in einem Kreislauf immer wieder über das Auto geblasen.
Damit die Ingenieure erkennen, wie die Luft um das Auto fließt, wird Rauch oder Nebel in den Luftstrom gemischt. Außerdem kann Ruß oder Farbe dabei helfen, die Luftströmung sichtbar zu machen.

Welche Arten von Windkanälen gibt es?

Neben dem Aerodynamik- und Aeroakustik-Windkanal gibt es noch weitere Windkanäle: In einem Klimawindkanal kann man überprüfen, wie ein Auto auf extreme Kälte oder Hitze reagiert. Schließlich sollte so ein Fahrzeug überall auf der Welt einsatzfähig sein. Die aerodynamischen Eigenschaften von Raketen oder Düsenjets testet man in Überschall- beziehungsweise Hyperschall-Windkanälen. Dort werden Strömungen mit extremer Geschwindigkeit erzeugt.
Wie du gelernt hast, muss ein neues Automodell vor dem Verkauf einige Tests bestehen. Der Windkanal gehört dabei mit zu den wichtigsten, schließlich möchte kein Autofahrer ein Fahrzeug besitzen mit unnötig hohem Spritverbrauch. Und laute Geräusche bei hohem Fahrtwind nerven bestimmt nicht nur deine Eltern, wenn sie das Auto fahren, sondern auch dich auf dem Rücksitz.

Ein Auto wird in einem Klimawindkanal getestet
Ein Auto wurde gerade in einem Klimawindkanal auf extrem kalte Temperaturen getestet. Bild: Daimler AG

 

Beitragsfoto: Daimler AG

Wie es sich anhört, wenn die Reifen über den Asphalt rollen, wenn ihr schnell über die Autobahn fahrt oder wenn du dich nicht angeschnallt hast – all das, was du während der Autofahrt hörst, gehört zur sogenannten Fahrzeugakustik. Doch was bedeutet das Wort „Akustik“ eigentlich?

Die Lehre vom Schall

Was ist Fahrzeugakustik?
Du kannst hören, weil Schallwellen dein Trommelfell zum Schwingen bringen; Bild: www.shutterstock.com / F8 studio

Die Akustik untersucht, wie Schall entsteht und sich ausbreitet, wie er beeinflusst wird und wie er erzeugt werden kann. Schall wird durch ein Geräusch oder einen Ton ausgelöst und besteht aus sogenannten akustischen Wellen oder Schwingungen. Sie heißen so, weil sie den Druck der Luft verringern und wieder erhöhen, sodass unsichtbare Wellen entstehen, die durch die Luft „schwingen“. Mit circa 340 Meter pro Sekunde können sich die Schallwellen durch die Luft ausbreiten und bis an dein Ohr gelangen, wo sie dein Trommelfell ebenfalls in Schwingungen versetzen. So kannst du ein Geräusch oder einen Ton hören. Die Schallwellen können außerdem unterschiedlich schnell schwingen: je schneller die Schwingung, desto höher nimmst du einen Ton war. Je stärker der Druck schwankt, desto lauter ist ein Geräusch. Die Lautstärke von Geräuschen wird mit der Einheit „Dezibel“ gemessen. Wenn du zum Beispiel flüsterst, sind das circa 30 Dezibel, wenn du normal sprichst, sind es ungefähr 55 Dezibel.

Ein Auto macht nicht nur „Brumm“

Was ist Fahrzeugakustik?
Eine Schwingung oder Vibration der Karosserie während der Autofahrt kann laut sein; Bild: Daimler AG

Im Gegensatz zur Akustik beschäftigt sich die Fahrzeugakustik nicht nur mit dem generellen Thema „Schall“. Sie analysiert, prüft und verbessert die Geräusche von Fahrzeugen. Im Stadtverkehr bei niedrigen Geschwindigkeiten ist zum Beispiel der Motor meist sehr laut, wenn man anfährt und beschleunigt. Auch das Abrollen der Reifen auf der Fahrbahn, die sogenannten „Reifen-Fahrbahn-Geräusche“, kann man hören. Auf der Autobahn bei sehr hohen Geschwindigkeiten ist die Luftumströmung, also die Aerodynamik, besonders laut. Theoretisch kann aber jedes Einzelteil am Auto Geräusche erzeugen. Besonders, wenn es sich während der Fahrt bewegt, schwingt oder vibriert. Du kannst dir das vorstellen wie nach einem Einkauf: Wie Glasflaschen oder Dosen in der Einkaufstasche, so können auch im Kofferraum Bauteile klappern, knarzen oder quietschen. Die Karosserie, der Fahrzeugrahmen des Autos, kann außerdem Antriebs-, Roll- und Windgeräusche weiterleiten und sie damit noch lauter und störender machen.

Lärm, Lärm und nochmal Lärm

So extrem wie hier dargestellt, hast du das aber bei der Autofahrt nicht wahrgenommen, oder? Das liegt daran, dass sich bereits beim Bau eures Autos Fahrzeugakustiker um diese sogenannten Störgeräusche kümmern und sie entfernen. Bei großen Autobauern wie der Daimler AG testen die Ingenieure die Einzelteile des Autos schon auf ihre Akustik, bevor sie zusammengebaut werden und das Auto fertig ist. Sie passen die Lautstärke des Antriebs und der Reifen den gesetzlichen Vorgaben an. Besonders an großen Straßen, wo viele Autos fahren, ist es manchmal sehr laut. Um Anwohner vor der Lautstärke zu schützen, sind von der Europäischen Union Grenzwerte für die Lautstärke von Autos in Dezibel festlegt. An diese Grenzwerte müssen sich alle Autobauer halten.

Was ist Fahrzeugakustik?
Viele Autos in Großstädten können eine Lärmbelastung sein

Geräusche für die Sicherheit

Doch nicht nur laute Geräusche müssen entfernt werden. Versuch mal Zuhause mit verschiedenen Gegenständen leise Geräusche zu machen. Du wirst merken: Auch hier kann manches sehr unangenehm und störend sein. Wenn Fahrzeugakustiker aber auch leise Geräusche entfernen – warum hört man dann bei der Autofahrt überhaupt noch etwas? Darauf gibt es eine ganz einfache Antwort: Weil es für Autofahrer und Fußgänger sicherer ist. Wenn du die Straße überqueren willst, achtest du meist nicht nur mit den Augen, sondern auch mit den Ohren darauf, ob ein Auto kommt. Müssten sich alle nur noch auf ihre Augen verlassen, gäbe es vermutlich viel mehr Unfälle. Doch auch für den Autofahrer sind akustische Signale wichtig. Einige werden deshalb von den Akustikern künstlich hergestellt oder verstärkt. Wenn der Autofahrer zum Beispiel das Gaspedal drückt, ist das Gasgeräusch für ihn die akustische Rückmeldung, dass das Pedal funktioniert und das Auto nun beschleunigt. Hat er vergessen, sich anzuschnallen, ist es wichtig, dass das Auto sich mit einem Geräusch meldet. Drückt der Autofahrer auf den Knopf auf seinem Schlüssel, sagt ihm ein schnappendes Geräusch, dass das Auto nun abgeschlossen ist.

Was ist Fahrzeugakustik?
Akustikingenieure testen die Geräusche der Fahrzeuge und können Bauteile so verbessern, Bild: Daimler AG

Testcenter mit drei Prüfständen

Die Akustikingenieure der Daimler AG testen die Fahrzeugakustik im Technologiezentrum für Akustik und Schwingungen in Sindelfingen. Erst vor kurzem wurde dieses Zentrum eröffnet. An drei Prüfständen mit Mikrofonen können Geräusche in verschiedenen Verkehrssituationen getestet werden.

Mit dem sogenannten Allrad-Außengeräusch-Prüfstand können die Akustikingenieure Außen- und Innengeräusche unabhängig vom Wetter prüfen. Der „Regengeräusch-Prüfstand“ testet, welche Geräusche zum Beispiel Dach und Scheiben bei unterschiedlich starkem Regen machen. Der „Akustik- und Schwingungskomfort-Prüfstand“ testet die Abrollgeräusche der Reifen und wie sich Straßenunebenheiten anhören. Sogar unterschiedliche Straßentypen können die Fahrzeugakustiker zum Test nachahmen: Kopfsteinpflaster in kleinen Städten hört sich zum Beispiel anders an, als der Asphalt auf großen Autobahnen.

Die Tests helfen letztlich bei der Entwicklung von Bauteilen: Zum Beispiel können die Autobauer Rückspiegel so gestalten, dass schnell vorbeiströmender Wind keine unangenehmen Geräusche macht.

Wenn du deine Hand erst senkrecht und dann waagrecht unter einen Wasserstrahl hältst, verstehst du, was Aerodynamik ist. Das Wasser fließt um deine Hand jedes Mal auf eine andere Art und Weise. Und jetzt stell dir vor, das Wasser wäre Luft. Das „Umfließen“ deiner Hand wird als Aerodynamik bezeichnet. In der Aerodynamik geht es nämlich hauptsächlich um das Umströmen von Körpern durch Luft. Je nachdem, wie groß der Körper ist, welche Form er hat oder wie die Oberfläche beschaffen ist, kann die Aerodynamik anders sein. Das zu untersuchen, kann hilfreich sein, wenn es um Schnelligkeit bei der Fortbewegung eines Körpers geht.

Aerodynamik ist spritsparend

Um spritsparende Autos zu bauen, ist die Aerodynamik für Automobilhersteller sehr wichtig. Im besten Fall haben Fahrzeuge eine liegende Regentropfenform. Kannst du dir das vorstellen? So könnten die Autos nämlich am effizientesten genutzt werden und würden am wenigsten CO2 ausstoßen. Dass so ein Auto nicht gerade praktisch wäre, kannst du dir vielleicht denken. Der Kofferraum wäre nämlich ganz spitz.

Die Aufgabe der Konstrukteure bei Daimler ist es, einen Kompromiss zwischen der Effektivität, dem Design und der Nutzbarkeit der Autos zu finden. Dafür ist eine Menge Forschung notwendig.

Hier geht’s stürmisch zu

Daimler testet die Aerodynamik seiner Autos in sogenannten Windkanälen. Dort kann der Luftwiderstand und der Strömungsverlauf optimal dargestellt werden. Zwischen einer leichten Brise und einem richtigen Orkan liegen im Daimler Windkanal nur wenige Augenblicke und Knopfdrücke. Cool, oder?

Das hat seine Vorteile: Ingenieure können neue Fahrzeuge mithilfe des Windkanals bereits in der Entwicklungsphase testen und optimieren. Hier wird schon früh geprüft, welche Kräfte auf den umströmten Körper wirken. Außerdem wird getestet, wie man die Kräfte durch kleine Änderungen an der Oberfläche der Autos optimieren kann.

Klassiker auf dem Prüfstand

Daimler testet in seinem Windkanal vor allem Autos, die noch entwickelt werden. Das macht auch Sinn, denn so kann auf die Entwicklung noch Einfluss genommen werden.

Messung im Windkanal.
Windkanalmessungen von Mercedes-Benz Klassikern

Historische Automobile sind eher seltene Gäste in Daimlers Klima-Windkanal, denn ihre Entwicklung ist schon lange abgeschlossen. Daimler hat interessehalber dennoch zwei alte Modelle im werkseigenen Kanal in Stuttgart Untertürkheim testen lassen. Die Aerodynamik von zwei Sportwagen aus dem Jahr 1952 und 1954 wurde verglichen mit der des sportlich-luxuriösen Reisewagen 300 S aus dem Jahr 1951. Die Testergebnisse zeigen, dass sich Ingenieure bereits vor über 70 Jahren Gedanken um Aerodynamik gemacht haben. Schon damals bemühten sie sich die sportlichen Autos möglichst windschnittig zu konstruieren.

Windschnittig ist cool

Viele Ingenieure haben sich in den vergangenen Jahren den Kopf darüber zerbrochen, wie Autos möglichst spritsparend gebaut werden können. Dabei gilt es stets drei wesentliche Punkte zu optimieren: Das Gewicht – denn je leichter das Fahrzeug, desto energiesparender und emissionsfreier fährt es. Der Rollwiderstand. Und der Luftwiderstand. Nachdem sich die Autobauer vor allem auf die ersten beiden Aspekte konzentriert haben, rückt nun die Aerodynamik wieder mehr in den Vordergrund.

Der Mercedes-Benz C250 AMG.
Ein besonders windschnittiges Auto von Daimler: Der C250 AMG

Gut für die Umwelt

Dass man sich überhaupt immer wieder bemüht den Luftwiderstand am Fahrzeug zu verringern, hat seine Gründe: Je windschnittiger das Auto, desto weniger Kraft muss der Motor zum Fahren aufbringen und desto geringer ist der Verbrauch und die CO2-Emission des Autos. Die Umwelt bedankt sich!

Bilder: Daimler AG