Für mehr Reichweite, Sicherheit, Komfort.

Während im ehemaligen Modellwindkanal in Untertürkheim das Strömungsverhalten in frühen Entwicklungsphasen mithilfe von Modellen optimiert wurde, findet diese Grundlagenarbeit inzwischen ausschließlich mit Simulationen statt. Bereits in einem frühen Stadium wird das dreidimensionale Strömungsfeld, das Fahrzeuge grundsätzlich umgibt, auf Hochleistungssimulations-Clustern mit CFD (Computational Fluid Dynamics/numerischer Strömungsmechanik) berechnet.

Kurz nach Projektstart, in der Phase des Maßkonzepts, werden dabei meist auf Basis des Vorgängers mehrere umfangreiche DOE-Studien (Design of Experiments) mit bis zu 250 Rechnungen pro Studie durchgeführt. Dabei geben die Aerodynamik-Ingenieure den Parameterraum bestimmter Bauteile vor, z.B. für die mögliche Höhe des Kofferraumdeckels.

Eine solche DOE-Untersuchung dauert mehrere Tage und deckt den vorgegebenen Parameterraum komplett ab. Auf Basis dieser Simulationen kann dann ein globales oder lokales Optimum berechnet oder - in dieser Phase viel wichtiger - der Einfluss der einzelnen Parameter und ihre gegenseitigen Abhängigkeiten auf den Luftwiderstand ermittelt werden. Mit Hilfe der DOE-Methode können bereits in dieser sehr frühen Phase sowohl an die Mitarbeiter im Bereich Maßkonzept als auch an das Design konkrete Aerodynamik-Anforderungen zurückgemeldet und diskutiert werden.

In den letzten Jahren haben die Aerodynamik-Experten von Mercedes Benz die automatisierten Berechnungsprozesse inklusive DOE intensiv weiterentwickelt. Der Weg zum Aerodynamik-Weltrekord des EQS erforderte mehrere Tausend Rechenläufe im virtuellen Windkanal mit circa 700 CPU-Cores pro Berechnung.

Bei der aeroakustischen Entwicklung arbeitet Mercedes Benz stets zweigleisig: Zum einen sollen an der Quelle, also bei der Umströmung der Fahrzeugaußenhaut mit allen Anbauteilen, möglichst wenig Geräusche entstehen. Schon in der frühen Entwicklungsphase eines neuen Modells beginnt das Ingenieursteam daher, die dafür relevanten Geometriemaße zum Beispiel an den A-Säulen und den Außenspiegeln entsprechend auszulegen.

Die Vorauslegung erfolgt über eine Computational-Fluid-Dynamics (CFD)-Simulation, mit Detailsimulationen an den besonderes kritischen Fahrzeugbereichen sowie mit Hilfe eigener 1:1-Hartmodelle im Aero-Windkanal. In Kombination mit einem aus 350 Mikrofonen bestehenden Array lassen sich dort lokale Schallquellen an der Fahrzeugaußenhaut dreidimensional sichtbar machen. So können kleinste Details in wichtigen Bereichen frühzeitig entwickelt werden.

Zum anderen trägt die Güte der Abdichtung und der Schalldämmung entscheidend dazu bei, dass unvermeidliche Windgeräusche im Innenraum gar nicht mehr oder nicht als störend wahrnehmbar sind. Grundvoraussetzung für ein niedriges Windgeräuschniveau im Innenraum sind winddicht abschließende Tür- und Fensterdichtungen. Dies gilt besonders für Fahrzeuge mit rahmenlosen Seitenscheiben. Mit Kunstköpfen lassen sich gezielt kleinste Schwachstellen lokalisieren, die dann durch technische Lösungen bestmöglich eliminiert werden.

Manche Autozeitschriften nutzen für Tests ein Schalldruckpegel-Messgerät. Solche Messungen bilden die Realität aber nur unvollständig ab, denn das menschliche Gehör ist ein Meister der Lokalisation von Störgeräuschen. Mercedes Benz untersucht daher gezielt auch die psychoakustisch relevanten Auswirkungen und die Lokalisierbarkeit von Störgeräuschen. Auf Basis von Probandenversuchen haben die Experten des Unternehmens sogar einen eigenen Zielindex definiert. Seine gewichteten Messgrößen decken das gesamte Frequenzspektrum des menschlichen Hörens ab. So werden zum Beispiel folgende Größen und ihre Auswirkungen betrachtet:

• Lautheit [sone]: Abbildung des menschlichen Lautstärkeempfindens;
• Schärfe [acum]: Einordnung der Geräusche von stumpf bis scharf, höherfrequente Anteile beeinflussen die Schärfe maßgeblich;
• Artikulationsindex AI [%]: Sprachverständlichkeit, fokussiert im Besonderen den Bereich des besten menschlichen Hörens. Je höher der Wert ist, desto besser können Gespräche geführt und auch verstanden werden.

Die Messungen erfolgen in der Regel im Windkanal mit sogenannten binauralen Kunstköpfen. Dort sitzen die Mikrofone in nachgebildeten Gehörgängen, was gehörrichtige Aufnahmen erlaubt. Je nach untersuchtem Phänomen sitzen die Kunstköpfe auf der Fahrerposition oder nehmen auf den weiteren Sitzen im Fahrzeug Platz. Die Messergebnisse geben dann realitätsnah Aufschluss, wie laut oder leise, störend oder angenehm die Passagiere die Geräuschkulisse im Innenraum empfinden.

Möglichst saubere Scheiben und Außenspiegelgläser und damit optimale Sicht unter allen Bedingungen zu haben, dient der Aktiven Sicherheit. Deswegen legt Mercedes-Benz seit jeher große Aufmerksamkeit auf die aerodynamische Disziplin der Schmutzfreihaltung. Um die hochempfindliche Messtechnik und die Laufbänder des Aeroakustik-Kanals in Sindelfingen nicht mit Verschmutzungsversuchen zu belasten, werden diese nach wie vor im „Großen Windkanal“ in Untertürkheim durchgeführt.

Verschmutzung kann durch Regen, von vorausfahrenden Fahrzeugen oder durch von den eigenen Rädern aufgewirbelte Tropfen entstehen. Im Windkanal wird diese Verschmutzung mit Hilfe von fluoreszierender Flüssigkeit sichtbar gemacht. Das Ziel der Entwicklungsarbeit ist es, das Wasser so zu leiten, dass idealerweise die relevanten Sichtfelder sauber bleiben. Hierfür optimieren die Aerodynamikerinnen und Aerodynamiker unter anderem die Kontur der A-Säulen mit integrierten Bauteilen sowie die Formgebung der Außenspiegel und Fensterrahmen beziehungsweise der Zierstäbe bei rahmenlosen Türen.

Durch geringe geometrische Änderungen am Spiegelgehäuse und einer Detailoptimierung mit Dichtungen und einer speziellen Wasserfangleiste lässt sich die Verschmutzung auf der Seitenscheibe beispielsweise deutlich reduzieren. Dabei hat Mercedes-Benz die Anforderung, dass im sogenannten Kernsichtbereich der Seitenscheibe und auf dem Außenspiegelglas weitestgehend keine Sichtbeeinträchtigungen durch Sprühnebel, Rinnsale oder einzelne Tropfen auftreten dürfen.

Bei Cabrios und Roadstern legen die Aerodynamiker von Mercedes-Benz besonderes Augenmerk auf den sogenannten Zugfreihaltungskomfort, also auf einen möglichst windstillen und angenehm temperierten Innenraum. So sind beim CLE Cabrio die Kopfraumheizung AIRSCARF® und das elektrische Windschottsystem AIRCAP® serienmäßig an Bord. Beide Systeme gestalten Offenfahren selbst bei kühlen Außentemperaturen angenehm. Der AIRSCARF® umströmt Nacken und Hals der Frontinsassen selbst bei ungünstigen Windverhältnissen angenehm warm.

AIRCAP® kann auf Knopfdruck ausgefahren werden und verringert deutlich die Luftverwirbelungen im Innenraum des Viersitzers. Das System besteht aus zwei Komponenten: einer um mehrere Zentimeter ausfahrbaren Windlamelle mit Netz im Dachrahmen und einem ebenso ausfahrbaren Windschott hinter den beiden Fondsitz-Kopfstützen.

In ausgefahrenem Zustand ist AIRCAP® allerdings eine potenzielle Quelle für Störgeräusche. Im Windkanal haben die Aerodynamiker darum lange an der Gestaltung des Systems und seiner Umgebung gefeilt und so die Geräusche auf ein Minimum reduziert. Optimiert haben die Fachleute unter anderem die Wahl des Netzstoffs, die Geometrie der Lamelle sowie weitere Radien und Formen. Auch wie der Netzstoff durchströmt wird und wie beide AIRCAP® Komponenten interagieren, wurde untersucht und an die Kundenbedürfnisse angepasst.