Aerodynamik Bitte keinen Widerstand

Batteriegröße und Motorleistung sind neben dem Wetter nicht die einzigen Faktoren, die die Reichweite eines Autos beeinflussen. Einen großen Anteil hat auch die Aerodynamik. Sie kann besonders bei hohen Geschwindigkeiten den Verbrauch stark steigern oder verringern.

Damit Elektroautos eine möglichst große Reichweite haben, brauchen sie eine Antriebsbatterie mit großer Kapazität und einen effizienten Antriebsstrang für einen niedrigen Verbrauch – soweit so logisch. Doch einen erheblichen Anteil am Verbrauch und damit an der möglichen Reichweite hat auch die Aerodynamik der Autos. Das gilt nicht erst, seitdem Elektromaschinen den Antrieb übernommen haben. Auch bei Autos mit Benzinern oder Dieselmotoren sorgt eine gute Aerodynamik für Verbrauchsvorteile.

Bei so mancher SUV-Karosserie kann man zwar den Eindruck bekommen, dass die Entwickler diesen einfachen Zusammenhang vergessen haben. Doch nicht jede Karosserie, die auf den ersten Blick nur wenig aerodynamisch wirkt, muss zwangsläufig auch einen hohen Luftwiderstand bieten.

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Es ist nämlich das Zusammenspiel von vielen Elementen, das letztlich bestimmt, wie viel Widerstand eine Karosserie im Fahrtwind erzeugt. Der BMW iX zum Beispiel, der auf den ersten Blick wie eine fahrende Schrankwand wirkt, hat immerhin einen Luftwiderstandsbeiwert (c_w-Wert) von lediglich 0,25. Zum Vergleich: Der aktuelle Porsche 911 hat in dieser Disziplin mit 0,35 einen deutlich schlechteren Wert. Allerdings ist der oft beworbene c_w-Wert nicht das einzige Kriterium, das man für einen niedrigen Luftwiderstand berücksichtigen muss. Was also zeichnet eine gute Aerodynamik aus?

• 1. Der schon erwähnte c_w-Wert. Dieser Luftwiderstandsbeiwert ist ein Maß dafür, wie windschlüpfrig eine Karosserie ist. Vereinfacht gesagt: Je kleiner er ist, desto weniger Kraft (Energie) braucht der Antrieb, um – bei gleicher Stirnfläche – gegen den Luftwiderstand anzukommen.

• 2. Die Stirnfläche des Autos. Damit ist die Querschnittsfläche der Karosserie gemeint, die sichtbar ist, wenn man frontal vor dem Auto steht.

Der Gesamt-Luftwiderstand ergibt sich aus einer Formel, in der der c_w-Wert des Fahrzeugs mit der Stirnfläche multipliziert wird. Hat ein Auto wie der BMW iX eine große Stirnfläche (2,82 m²), braucht es also einen sehr kleinen c_w-Wert, damit der Windwiderstand möglichst klein bleibt. Sportwagen haben zum Beispiel dann einen schlechten c_w-Wert, wenn Spoiler für einen höheren Anpressdruck auf der Straße sorgen. Durch die kleine Stirnfläche bleibt der Gesamtwiderstand trotzdem akzeptabel. Beim Porsche 911 ist die Stirnfläche laut Werksangaben 2,05 m² groß. Damit hat der BMW (c_w x A = 0,705 m²) einen leicht geringeren Gesamtluftwiderstand als der Porsche (c_w x A = 0,718 m²).

Bei strömungsgünstig gestalteten Autos sorgen die Spoiler und Leitbleche dagegen nicht für einen besseren Anpressdruck. Sie sollen hier dafür sorgen, dass der Wind so an der Karosserie vorbeigeführt wird, dass Verwirbelungen keinen Sog erzeugen, der zu einer Bremswirkung führt – und damit den Luftwiderstand vergrößert. Zusammen mit einer kleinen Stirnfläche sind das ideale Bedingungen für einen besonders effizienten Antrieb.

Allerdings kommt leider noch ein dritter Faktor hinzu, der den gesamten Luftwiderstand eines Autos beeinflusst: die Geschwindigkeit. Diese hat sogar einen sehr großen Einfluss, denn sie geht quadratisch in die Formel zur Berechnung des Luftwiderstandes ein. Bei verdoppelter Geschwindigkeit vervierfacht sich also der Luftwiderstand. Darum ist nach Angaben des TÜV Nord der Luftwiderstand ab etwa 70 km/h der größte aller Fahrwiderstände.

Vorbild Natur

Um einen niedrigen Luftwiderstand zu erreichen, schauen sich Entwickler immer wieder in der Natur um. Wäre eine gute Aerodynamik das einzige Kriterium bei der Gestaltung einer Fahrzeugkarosserie, hätte sie die Form eines Wassertropfens oder eines Pinguins. Ein Wassertropfen, dessen Form sich beim Fallen durch den Luftstrom ja automatisch bildet, hat nach Angaben von Porsche einen c_w-Wert von lediglich 0,05. Laut Mercedes kann ein Pinguin diesen fast schon idealen Wert mit 0,03 sogar noch unterbieten.

Praktisch lässt sich das aus verschiedenen Gründen aber nicht so einfach umsetzen. Zum Beispiel hätten die Entwickler bei einer aerodynamisch idealen Form Schwierigkeiten, ausreichend Platz für den Antrieb, die Passagiere und den Gepäckraum zu finden. Statt auf Rädern zu rollen, müsste ein solches Gefährt zudem auf einem Luftpolster oder Magnetfeld schweben. Denn Räder verwirbeln die Luft und sorgen für energiefressende Strömungen. Auch, dass sich ein Auto nahe am Boden bewegt, verschlechtert die Aerodynamik: Das verhindert eine perfekte symmetrische Umströmung der Außenhülle wie beim Wassertropfen.

Um dennoch aerodynamisch vorteilhafte Formen zu erreichen, bieten sich den Autoherstellern gerade bei batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) vielfältige Möglichkeiten. Bei denen fehlt beispielsweise die Abgasanlage unter dem Fahrzeugboden. Dadurch können die Hersteller hier einen besonders glatten und geschlossenen Unterboden verwirklichen, der kaum Angriffsfläche für die Luft bietet.

Da die Antriebe und die Bremsen in BEV zudem nur wenig Kühlbedarf haben, können die Hersteller mit Kühlerjalousien arbeiten, die nur bei Bedarf geöffnet werden. Und sie können einen Großteil der Luft um die Räder herumführen, da die Bremsen durch die Rekuperation weniger belastet sind als bei Verbrennerautos.

Karosserieform entscheidend

Laut Volkswagen hängen bei Limousinen wie dem neuen ID.7 etwa 50 Prozent des c_w-Wertes von der Karosserieform ab. Räder und Reifen beeinflussen den Wert zu rund 30 Prozent und jeweils 10 Prozent entfallen auf den Unterboden und die Funktionsöffnungen, durch die etwa Luft zu den Kühlern im Vorderwagen strömt.

VW hat den Wagen von Anfang an auf gute Aerodynamik ausgelegt. Die tiefe Front, ein fließender Übergang in die Haube, eine flache Frontscheibe sowie die coupéhafte Dachform und das sich verjüngende Heck zeigen das deutlich. Denn je dichter die Abrisskanten der Luftströme beieinander liegen, die über und unter dem Fahrzeug entlangströmen, desto geringer ist der Luftwiderstand. Dann entstehen nämlich weniger Verwirbelungen. Das ist auch der Grund, warum eine Fließheck-Karosserie aerodynamischer ist als ein Kombi – auch wenn beide die gleiche Stirnfläche haben. Mit einem c_w-Wert von 0,23 und einer Stirnfläche von 2,46 m² hat der Wagen einen deutlich geringeren Gesamtluftwiderstand (c_w x A = 0,566 m²) als der oben erwähnte Porsche und der BMW iX.

Maßnahmen, die dazu geführt haben, sind nach Angaben von VW unter anderem:

• Ein nahezu geschlossener Unterboden, den Radspoiler an den Vorderrädern ergänzen. Sie leiten die Luft mit wenig Verwirbelungen unter dem Fahrzeug an den Rädern entlang.

• Seitliche Luftführungen (Air Curtains) am Front-Stoßfänger helfen laut VW zudem, die Luft effizienter um den Vorderwagen strömen zu lassen.

• Ausgestellte Seitenschweller verhindern darüber hinaus, dass Luft in den Unterboden einströmt und schirmen die Hinterreifen von der Anströmung ab.

• Zusätzlich hat der Wagen geschlossene und damit besonders strömungsgünstige Felgen.

• Auch die Funktionsöffnungen in der Front, durch die etwa Luft zu den Kühlern im Vorderwagen strömt, haben die Entwickler berücksichtigt. Im ID.7 wird die Strömung per Kühlerrollo aktiv gesteuert, um den Luftwiderstand zu senken. Das elektrisch betätigte Rollo öffnet sich erst, wenn eine gezielte Kühlung von Aggregaten und Batterie benötigt wird.

• Im Heckbereich sind es zudem die Heckklappe, die Gestaltung des Diffusors sowie die seitlichen Abrisskanten, die für mehr aerodynamische Effizienz sorgen.

Was schon kleine Maßnahmen bringen können, zeigen zum Beispiel auch die elektrischen Rückspiegel beim Audi Q8 E-Tron. Laut Herstellerangaben erreicht der Wagen mit konventionellen Außenspiegeln einen Luftwiderstandsbeiwert von 0,28, mit den optionalen virtuellen Außenspiegeln dagegen 0,27. Allein dieser kleine Unterschied beim Luftwiderstand verlängert die Reichweite des Elektroautos um etwa zweieinhalb Kilometer.

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