AT528169A1

AT528169A1 - Aerodynamik-Messgitter

Info

Publication number: AT528169A1
Application number: ATA50286/2024A
Authority: AT
Inventors: Karanovic Dipl -Ing Stefan; Brunnhofer Dr Techn Georg; Klug Dipl -Ing Dr Mba Andreas
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-04-04
Filing date: 2024-04-04
Publication date: 2025-10-15
Also published as: WO2025208168A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aerodynamik-Messgitter (14), aufweisend: einen Führungsrahmen (20) mit Längsverstrebungen (34) und Querverstrebungen (36), parallel zueinander oder im Wesentlichen parallel zueinander am Führungsrahmen (20) angeordnete Kielsonden (22) mit einem röhrenförmigen Grundkörper (56) mit einem Fluideinlass (28), einer Lanze (44) mit einem Innenkanal (54), wobei die Lanze (44) in dem röhrenförmigen Grundkörper (56) angeordnet ist und sich zwischen der Lanze (44) und dem röhrenförmigen Grundkörper (56) ein Außenkanal (70) befindet, wobei der Innenkanal (54) einen Innenkanaleinlass (58) und einen Innenkanalauslass (62) und der Außenkanal (70) einen Außenkanaleinlass (67) und einem Außenkanalauslass (68) aufweist, eine Druckmesseinrichtung (32), und Luftdruckleitungen, die jeweils zwischen dem Innenkanalauslass (62) einer der Kielsonden (22) und der Druckmesseinrichtung (32) und zumindest teilweise in den Längsverstrebungen (34) und/oder den Querverstrebungen (36) angeordnet sind.

Description

Aerodynamik-Messgitter

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aerodynamik-Messgitter, ein AerodynamikMesssystem und ein Verfahren zur Durchführung von aerodynamischen Messungen

mit einem solchen Aerodynamik-Messsystem.

Es ist bekannt, dass aerodynamische Messungen an Fahrzeugen eine für die Reduktion des Luftwiderstands notwendige aber in der Durchführung komplexe Aufgabe sind,

die häufig den Einsatz eines Windkanals erfordert.

Die Verfügbarkeit von Windkanälen ist begrenzt und die Kosten für ihre Nutzung sind hoch. Windkanalmessungen sind ferner zeitaufwändig und teuer. Darüber hinaus sind sie nur begrenzt dazu in der Lage, die Bedingungen, denen ein Fahrzeug während der Fahrt ausgesetzt ist, realistisch nachzubilden. Beispielsweise können Kurvenfahrten und andere komplexe Manöver, die häufig in realen Fahrsituationen auftreten, nicht genau simuliert werden. Dies stellt eine erhebliche Hürde für die Durchführung umfas-

sender und genauer aerodynamischer Messungen dar.

Alternativ zu Windkanalmessungen ist bekannt, lokale Messeinrichtungen an Fahrzeugen, wie beispielsweise Kielsonden, die Luftdrücke messen zu verwenden. Bekannte aerodynamische Messeinrichtungen basierend auf Kielsonden haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht standardisiert und damit durchgeführte Messungen fehleranfällig sind. Kielsonden mit bekannten Designs haben nur einen eng begrenzten Anströmwinkel, was dazu führt, dass eine zu messende einströmende Luftströmungsrichtung, die außerhalb des Anströmwinkels liegt, zu ungenauen oder fehlerhaften Messwerten führt. Derartige Abweichungen treten regelmäßig bei Fahrmanövern wie Kurvenfahrten auf, können aber auch dann auftreten, wenn bestimmte Wetterbedingungen vorherrschen, beispielsweise starker Seitenwind. Ferner sind Kielsonden ebenfalls teuer und werden daher nur in Sonderanwendungen wie beispielsweise im Rennsport angewendet. Die genauen Funktionsweisen, Mechaniken und Techniken der RennsportAnwendungen sind jedoch weitgehend unveröffentlichte Einzellösungen und gehören im für eine allgemeine Anwendung notwendigen Detail daher nicht zum allgemeinen

Stand der Technik.

Hierdurch sind aerodynamische Messtechniken nur in begrenztem Rahmen verfügbar, mit hohen Kosten verbunden und bedeuten häufig einen hohen Aufwand zur Durch-

führung.

Dies führt zu einer Lücke in unserem Verständnis der aerodynamischen Eigenschaften

von Fahrzeugen unter realen Bedingungen.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die voranstehend genannten Probleme zu

lösen.

Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messeinrichtung zu schaffen, die in einfacher und günstiger Weise ermöglicht, aerodynamische Messungen in echten Fahrsituationen zuverlässig durchzuführen. Diese Messeinrichtung sollte in der Lage sein, genaue und zuverlässige Messungen unter einer Vielzahl von Bedingungen durchzuführen, einschließlich komplexer Manöver wie Kurvenfahrten. Darüber hinaus sollte sie kostengünstig und einfach zu bedienen sein, um eine breite An-

wendung zu ermöglichen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Vorrichtung zur Durchführung aerodynamischer Messungen an Fahrzeugen

bereitzustellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, aerodynamische Daten von Fahrzeugen in

realen Fahrsituationen genauer zu messen.

Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst, durch ein Aerodynamik-Messgitter mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Aerodynamik-Messsystem gemäß Anspruch 15 und einem Verfahren zur Durchführung einer aerodynamischen Messung mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemä-

ßen Aerodynamiksensor und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu

2

den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bezie-

hungsweise werden kann. Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Aerodynamik-Messgitter.

Es ist vorgesehen, dass das Aerodynamik-Messgitter einen Führungsrahmen mit Längsverstrebungen und Querverstrebungen aufweist. Der Führungsrahmen dient als strukturelle Basis und ermöglicht die Anordnung der verschiedenen Komponenten an diesem. Der Führungsrahmen bildet weiterhin eine stabile und robuste Struktur, die in der Lage ist, den Belastungen und Beanspruchungen während einer Testfahrt standzu-

halten.

Darüber hinaus umfasst das Aerodynamik-Messgitter parallel zueinander oder im Wesentlichen parallel zueinander und am Führungsrahmen angeordnete Kielsonden, die Jeweils einen röhrenförmigen Grundkörper mit einem Fluideinlass und eine Lanze mit einem Innenkanal aufweisen. Die Lanze ist derart in dem röhrenförmigen Grundkörper angeordnet, dass zwischen der Lanze und dem röhrenförmigen Grundkörper ein Außenkanal gebildet ist. Der Innenkanal weist einen Innenkanaleinlass und einen Innenkanalauslass auf. Der Außenkanal weist einen Außenkanaleinlass und einem Au-

Benkanalauslass auf.

Diese Anordnung der Kielsonden ermöglicht eine genaue und zuverlässige Messung

des Luftdrucks an den durch sie definierten Messpositionen.

Weiter umfasst das Aerodynamik-Messgitter eine Druckmesseinrichtung und Luftdruckleitungen, wobei die Luftdruckleitungen jeweils zwischen dem Innenkanalauslass einer der Kielsonden und der Druckmesseinrichtung und zumindest teilweise in den Längsverstrebungen und/oder den Querverstrebungen angeordnet sind. Durch die derart angeordneten Luftdruckleitungen wird der am Innenkanaleinlass anliegende Luftdruck an die Druckmesseinrichtung übertragen. Die Luftdruckleitungen sind insbesondere zumindest teilweise als innerhalb der Längsverstrebungen und/oder der Querverstrebungen 3D-gedruckte Kanäle ausgestaltet. Hierbei führen einzelne Kanäle den Luftdruck von jeder der Kielsonden separat zu einem Kanalauslass, der mit einem

Messeingang der Druckmesseinrichtung verbindbar ist, insbesondere über einen fle-

xiblen Druckschlauch. Längsverstrebungen und Querverstrebungen sind im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet. Längsverstrebungen und Querverstrebungen

sind vorzugsweise in einer geraden Form ausgestaltet, da hierdurch häufig die kürzesten Wege zur Druckübertragung ermöglicht werden, können aber auch zumindest teil-

weise gekrümmt sein.

Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass der röhrenförmige Grundkörper mit Fluideinlass und der Außenkanal mit Außenkanaleinlass und Außenkanalauslass für eine gleichmäßige Umströmung der Lanze mit dem Innenkanal und damit für hohe Messgenauigkeit am Innenkanal führt, auch bei einem großen Anströmwinkel von 50° oder

darüber hinaus.

Der Kerngedanke des erfindungsgemäßen Aerodynamik-Messgitters liegt darin, dass eine aerodynamische Messung durch dieses einfach und mit hoher Genauigkeit auch bei Straßenmessungen durchgeführt werden können, da das Design des AerodynamikMessgitters mittels additiver Fertigung herstellbar ist, dessen Kielsonden einen großen Anströmwinkel aufweisen und das Aerodynamik-Messgitter dadurch universell einsetzbar ist, eine genaue Druckübertragung zwischen Innenkanaleinlass und Druckmesseinrichtung durch die Luftdruckleitungen ermöglicht wird und potenzielle Messfehler durch von der Messeinrichtung selbst erzeugte Turbulenzen aufgrund der Führung der Luftdruckleitungen in den Längsverstrebungen und/oder Querverstrebungen des Füh-

rungsrahmens gegenüber alternativen Designs reduziert sind.

Das Aerodynamik-Messgitter ist eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, an mehreren Stellen ortsaufgelöst das aerodynamische Verhalten von Körpern in Luft oder anderen Gasen durch punktuelle Druckmessungen zu messen. Eine aerodynamische Messung bezieht sich auf die Quantifizierung von Luftverwirbelungen, Kräften und lokalen Drücken, die während der Bewegung eines Körpers durch ein Fluid, insbesondere Luft, auftreten. Ein Fahrzeug ist eine mit Rädern, Kufen oder Tragflächen ausgestattete Konstruktion mit Eigen- oder Fremdantrieb zur Beförderung von Personen und Lasten und kann insbesondere ein Auto, vorzugsweise ein PKW oder ein LKW sein. Der Führungsrahmen ist eine Struktur, die dazu dient, andere Komponenten, insbeson-

dere die Kielsonden, in einer bestimmten Ausrichtung und Position zu halten und die

Luftdruckleitungen zumindest teilweise in seinem Inneren zu führen. Kielsonden sind eine Weiterentwicklung des Pitot-Rohres und dienen der Messung des Totaldrucks in bewegten Strömungen. Sie haben gegenüber dem normalen Pitot-Rohr den Vorteil, dass sie eine geringere Sensitivität bezüglich des Anströmwinkels aufweisen. Der Fluideinlass zur Aufnahme eines Luftdrucks ist eine Öffnung in der Kielsonde, durch die Luft in das Innere der Sonde eintritt, um den Luftdruck zu messen. Nach dem Eintritt der Luft in den Fluideinlass teilen sich die Luftkanäle in einen Innenkanal in der Lanze und einen Außenkanal zwischen der Lanze und dem röhrenförmigen Grundkörper. Die Luft kann nach Eintritt in die Kielsonde über den Fluideinlass somit entweder über den Innenkanaleinlass durch den Innenkanal zum Innenkanalauslass und anschließend über die Luftdruckleitungen zur Druckmesseinrichtung geleitet werden, wo eine Druckmessung erfolgt, oder über den Außenkanaleinlass, den Außenkanal und den Außenkanal-

auslass die Lanze umströmen.

Eine Anordnung der Kielsonden parallel zueinander bedeutet, dass deren Fluideinlässe in die gleiche Richtung zeigen und die Zentralachsen der röhrenförmigen Grundkörper parallel zueinander verlaufen oder nur geringe Winkelabweichungen von bis zu +5° voneinander aufweisen. Eine Anordnung im Wesentlichen parallel zueinander bedeutet, dass die Zentralachsen der röhrenförmigen Grundkörper Winkelabweichungen von einer Zentralachse von bis zu +45°, vorzugsweise von bis zu +22,5°, besonders bevor-

zugt von bis zu +10° voneinander aufweisen können.

Der röhrenförmige Grundkörper kann einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen. Vorzugsweise ist der Querschnitt des röhrenförmigen Grundkörpers rund, womit der röhrenförmige Grundkörper eine Zylinderform aufweist, oder oval; alternativ kann er aber auch die Form eines Polygons aufweisen, insbesondere eines regelmäßigen Po-

lygons, bevorzugt eines regelmäßigen Vierecks, Fünfecks, Sechsecks oder Achtecks.

Die Druckmesseinrichtung ist ein Gerät, das den physikalischen Druck eines flüssigen oder gasförmigen Mediums erfasst. Die Luftdruckleitungen sind insbesondere Kanäle, vorzugsweise gedruckte Kanäle, können aber auch Rohre oder Schläuche sein, die dazu dienen, Luft ohne oder ohne wesentliche Druckänderung von einem Ort zum ande-

ren zu transportieren. Sie sind ausreichend dimensioniert, um einen effizienten Luft-

fluss und/oder eine effiziente Luftdruckübertragung zu gewährleisten. Die Lanze mit einem Innenkanal ist ein langes, schlankes Bauteil, das einen durchgehenden Kanal oder eine Öffnung in seiner Länge hat. Die Lanze kann insbesondere ein Pitot-Rohr

sein oder umfassen.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei dem erfindungsgemäßen AerodynamikMessgitter vorgesehen ist, dass das Aerodynamik-Messgitter selbst und/oder die Kielsonden zumindest teilweise mittels additiver Fertigung hergestellt sind. Additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, ist ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen festen Objekten aus einem digitalen Modell. Bei additiver Fertigung werden Bauteile Schicht für Schicht aufgebaut und nicht durch Abtrag von Material herstellt. Ein Vorteil der additiven Fertigung ist, dass eine schnelle und kostengünstige Produktion ermöglicht wird. Vorzugsweise umfasst die Herstellungsmethode der Additiven Fertigung eines oder mehrere der Verfahren Stereolithografie, selektives Laserschmel-

zen und Fused Deposition Modeling.

Weitere Vorteile werden erreicht, wenn der röhrenförmige Grundkörper am Fluideinlass mensuriert ist. Mensurierung bezeichnet eine Veränderung des Durchmessers des röhrenförmigen Grundkörpers entlang seiner Länge. Mit der Mensurierung ist der Durchmesser des röhrenförmigen Grundkörpers am Fluideinlass im Verhältnis zu einem Außenkanaldurchmesser vergrößert, insbesondere um wenigstens 40%, bevorzugt um wenigstens 50%, besonders bevorzugt um wenigstens 60%. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass Luftströmungen aus einem größeren Winkelbereich mit keinen oder nur geringen Änderungen des Luftdrucks zur Messung aufgenommen und weitergeleitet werden können, ohne relevante Strömungsänderungen zu verursachen. Hierdurch wird eine geringere Sensitivität des Aerodynamiksensors von der Ausrichtung, der Windrichtung und/oder eine Fahrmanövers durchgeführt. Es können auch unterschiedliche Luftströmungen präzise gemessen

werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Druckmesseinrichtung einen MehrkanalDrucksensor umfasst. Ein Mehrkanal-Drucksensor ist in der Lage, Druckmessungen in

mehreren Kanälen gleichzeitig durchzuführen. Ein Vorteil dieser besonderen Ausfüh-

127

rungsform der Erfindung ist, dass eine gleichzeitige Messung an mehreren Punkten mit einer einzelnen Vorrichtung ermöglicht wird und damit Fehler ausschließt oder zumindest reduziert, die durch Fehlfunktionen oder Fehleinstellungen wie Kalibrierfeh-

lern unterschiedlicher Sensoren versursacht sind.

Weitere Vorteile werden erzielt, wenn der Führungsrahmen miteinander verbundene Längsverstrebungen, Querverstrebungen und/oder Diagonalverstrebungen aufweist. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine hohe Stabilität und Festigkeit des Führungsrahmens gewährleistet, was zu zuverlässigeren Messungen führen kann und einige der Luftdruckleitungen kürzer ausgestaltet sein

können, wodurch Druckübertragungsschwankungen reduziert werden.

Insbesondere ist von Vorteil, wenn eine Querschnittsfläche des Außenkanalauslasses wenigstens 50% größer ist als eine Querschnittsfläche des Fluideinlasses. Die Querschnittsfläche des Außenkanalauslasses setzt sich dabei üblicherweise aus den Querschnittsflächen mehrerer einzelner Auslässe, insbesondere Löcher zusammen, die gemeinsam den Außenkanalauslass bilden. Anders formuliert beträgt das Verhältnis der Querschnittsfläche des Außenkanalauslass und der Querschnittsfläche des Fluideinlasses wenigstens 1,5. Mit einem Verhältnis dieser Größe wird die Abhängigkeit der

Messwerte vom Anströmwinkel stark reduziert.

Weitere Vorteile werden erzielt, wenn der Fluideinlass einen Durchmesser von wenigstens 5 mm, insbesondere von wenigstens 7 mm aufweist. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine ausreichende Luftzufuhr für die Messungen gewährleistet und in Kombination mit einem additiven Fertigungsprozess mit besseren relativen Fertigungstoleranzen hergestellt werden kann. Beides

führt zu genaueren Messergebnissen.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Innenkanal einen inneren Durchmesser

von wenigstens 1,2 mm. Vorzugsweise von wenigstens 1,4 mm aufweist. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine präzise Messung des Luftdrucks innerhalb des Kanals ermöglicht, was ebenfalls zu genaueren Messun-

gen führt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Lanze eine Wandstärke von wenigstens 0,8 mm, vorzugsweise von wenigstens 1,0 mm aufweist. Hierdurch wird insbesondere eine additive Fertigung er-

möglicht oder erleichtert.

Weiter vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass ein Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Innenkanals und dem Durchmesser des röhrenförmigen Grundkörpers zwischen 0,25 und 0,5 beträgt. Als Durchmesser wird in diesem Zusammenhang jeweils der Innendurchmesser verstanden. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine optimale Balance zwischen der Größe des Innenkanals und der Stabilität des röhrenförmigen Grundkörpers bietet, was zuverlässigere Messungen

ermöglicht.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn der Innenkanaleinlass der Lanze vom Fluideinlass des röhrenförmigen Grundkörpers um wenigstens 2 mm, vorzugsweise wenigstens 3 mm in Längsrichtung der Kielsonde beabstandet ist. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine genaue Messung des Luftdrucks an einem bestimmten Punkt innerhalb des Kanals ermöglicht, was zu genaueren Mes-

sungen führen kann.

Es kann vorgesehen sein, dass die Kielsonden über ein Schraubgewinde mit dem Führungsrahmen befestigt sind. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine einfache und sichere Befestigung der Kielsonden am Führungsrahmen ermöglicht, was ebenfalls zu zuverlässigeren Messungen führen kann und eine Austauschbarkeit der Kielsonden im Fehlerfall oder für besondere Arten der Messungen ermöglicht, beispielsweise zum Testen unterschiedlicher Kielsonden-

designs.

Es kann vorgesehen sein, dass der Führungsrahmen eine Adaptereinrichtung zur Verbindung des Führungsrahmens mit anderen gleichen oder ähnlichen Führungsrahmen aufweist. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine flexible Anpassung des Messsystems an unterschiedliche Anforderungen ermöglicht, was vielseitigere Messungen ermöglicht und größere Messbereiche abdecken

kann.

Es kann vorgesehen sein, dass der Führungsrahmen und wenigstens eine der Kielson-

den, insbesondere alle Kielsonden mit additiver Fertigung hergestellt sind. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine schnelle und kostengünstige Produktion von Komponenten ermöglicht, insbesondere von komplexen

oder maßgeschneiderten Komponenten.

Es kann vorgesehen sein, dass die Kielsonden ein Messfeld aufspannen und in wenigstens einer Richtung in gleichen Abständen zueinander auf dem Messfeld angeordnet sind. Ein Vorteil dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist, dass sie eine umfassende und gleichmäßige Abdeckung des Messfeldes ermöglicht, was zu einer detaillierteren und genauen Messung der aerodynamischen Eigenschaften führt. Insbesondere können die Kielsonden auch in zwei Richtungen in gleichen Abständen zueinander auf dem Messfeld angeordnet sein. Hierdurch bilden die Kielsonden quadrati-

sche Rechteckgitter.

Gemäß einem zweiten Aspekt liefert die Erfindung ein Aerodynamik-Messsystem, umfassend ein Aerodynamik-Messgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, und eine Windmesseinrichtung zur Messung der Windrichtung und Windstärke unabhängig

vom Aerodynamik-Messgitter.

Das Aerodynamik-Messsystem kann ferner eine Auswerteeinrichtung aufweisen, um

die gemessenen Daten auszuwerten, insbesondere automatisiert.

Gemäß einem dritten Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung einer aerodynamischen Messung an einem Fahrzeug mit einem Aerodynamik-

Messsystem gemäß Anspruch 15.

Das Verfahren umfasst die Schritte: a) Bereitstellen eines Fahrzeugs mit einem Aerodynamik-Messsystem gemäß Anspruch 15, wobei die Windmesseinrichtung an einer Windmessposition am Fahrzeugs angeordnet ist und das Aerodynamik-Messgitter an einer Aerodynamikmessposition am Fahrzeugs angeordnet ist, b) Durchführen eines Fahrmanövers auf einer Fahrbahn, c) Messen von der Windrichtung und der Windstärke relativ zum Fahrzeug mit der Windmesseinrichtung und dem statischen Luftdruck

an den Positionen der Kielsonden mit dem Aerodynamik-Messgitter während des

Fahrmanövers, und d) Berechnen eines Druckbeiwerts an den Positionen der Kielsonden mittels des zugehörigen statischen Luftdrucks, der gemessenen Windrichtung und der Windstärke. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass es eine genaue und zuverlässige Messung der aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs unter realen Fahr-

bedingungen ermöglicht wird.

Bei dem Verfahren kann der Druckbeiwert cp bestimmt werden über

BD — Detat BB — Detat

AN

Da — —

B OÖ. 3 we > Hs Diot 7 Detat

Wobei p der gemessene statische Druck, ps der statische Druck in der freien Anströmung unabhängig von Fahrzeug ist, pıor den Druck am Stagnationspunkt der freien Anströmung beschreibt, p die Dichte des Fluids und Uw die Fluidgeschwindigkeit der freien Anströmung wiedergibt. Hierzu wird der Wert von pıor mit den Kielsonden gemessen. Die Werte von U» und ps werden mit der Windmesseinrichtung, also dem Referenzsensor unabhängig von den Kielsonden gemessen. Der Wert von p wird aus bekannten Umweltbedingungen und/oder aus Daten des Referenzsensors am Testtag über die barometrische Höhenformel berechnet. Hierzu kann ein Referenzsensor auch die Werte der relativen Luftfeuchte, Lufttemperatur, Höhe über dem Meeresspiegel,

und/oder atmosphärischen Druck berechnen.

Es kann vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner den Schritt umfasst: Anpassen eines aerodynamisch relevanten Bauteils des Fahrzeugs auf Grundlage des in Schritt d) gemessenen Druckbeiwerts. Mit diesem zusätzlichen Schritt dient das Verfahren insbesondere zur aerodynamischen Optimierung des Fahrzeugs. Es ist möglich, mit den gewonnenen Daten eine gezielte Optimierung der aerodynamischen Eigenschaften des

Fahrzeugs und/oder eines Bauteils des Fahrzeugs vorzunehmen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausfüh-

rungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

10

Fig. 1 ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Aerodynamiksensor gemäß einer

besonderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Aerodynamik-Messgitters einer besonderen

Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine andere perspektivische Ansicht des Aerodynamik-Messgitters gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere perspektivische Ansicht des Aerodynamik-Messgitters gemäß Fig. 2 und 3,

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Aerodynamik-Messgitters einer anderen besonderen

Ausführungsform der Erfindung, Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Aerodynamik-Messgitters von Fig. 5,

Fig. 7 eine andere perspektivische Ansicht des Aerodynamik-Messgitters von Fig. 6,

und Fig. 8 eine technische Zeichnung einer Kielsonde mit Abmessungen.

Figur 1 zeigt ein Fahrzeug 10 welches dazu eingerichtet ist eine aerodynamischen Messung mit einem Aerodynamik-Messsystem 12 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung durchzuführen. Hierzu ist an dem Fahrzeug 10 ein Aerodynamik-Messgitter 14 an einer Aerodynamik-Messposition hinter dem linken Außenspiegel 16 angeordnet. Die Position hinter dem linken Außenspiegel 16 ist von aerodynamischen Interesse, da der Außenspiegel 16 während der Fahrt Verwirbelungen erzeugt und einen relevanten Beitrag zum Luftwiderstand des Fahrzeugs liefert. Die Art und Größe der Verwirbelungen und damit der Luftwiderstand kann durch das De-

sign des Außenspiegels 16 außerdem stark verändert werden.

Auf dem Dach des Fahrzeugs 10 ist an einer Windmessposition ferner eine Windmesseinrichtung 18 angeordnet. Die Windmesseinrichtung 18 dient dazu, die Windrichtung und Windstärke unabhängig vom Aerodynamik-Messgitter 14 zu messen. Die Wind-

messeinrichtung kann insbesondere auch in einer vom Dach des Fahrzeugs 10 erhöh-

11

ten Windmessposition angeordnet sein. Hierdurch lassen sich die von der Windmesseinrichtung 18 gemessenen Werte weiter unabhängig vom Fahrzeug 10 und dessen erzeugten Turbulenzen messen. Vorzugsweise ist die Windmesseinrichtung 18 dabei wenigstens 50 cm oberhalb des Dach des Fahrzeugs 10 angeordnet, besonders bevor-

zugt wenigstens 100 cm oberhalb des Dachs des Fahrzeugs 10.

Figur 2 zeigt ein Aerodynamik-Messgitter 14 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, welches ein Bestandteil des Aerodynamik-Messsystems 12 ist. Das Aerodynamik-Messgitter 14 weist einen Führungsrahmen 20 mit Längsverstrebungen 34 und Querverstrebungen 36 auf. Auf dem Führungsrahmen 20 sind insgesamt 16 Kielsonden 22 parallel zueinander in einer Rechteckmatrix angeordnet. Jede der Kielsonden weist eine Lanze 44 mit einem Innenkanal in einem röhrenförmigen Grundkörper 56 auf. Der röhrenförmige Grundkörper 56 weist wiederum einen Fluideinlass 28 auf. Weitere Details zur konkreten Ausgestaltung der Kielsonden werden in

Zusammenhang mit Figur 8 erläutert.

Der Führungsrahmen 20 weist neben den Längsverstrebungen 34 und den Querverstrebungen 36 auch Diagonalverstrebungen 38 auf. In jeder der Längsverstrebungen 34, Querverstrebungen 36 und Diagonalverstrebungen 38 sind jeweils Luftdruckleitungen angeordnet, die jeweils einen Innenkanalauslass 62 einer der Kielsonden 22 mit einem Messeingang 40 der Druckmesseinrichtung 32 verbinden. Die Innenkanalauslässe 62 der Kielsonden 22 enden vorzugsweise in den Durchlässen und stehen daher direkt in den Durchlässen mit den Luftdruckleitungen in Fluidverbindung. In den gezeigten Ausführungsformen sind die Luftdruckleitungen als 3D-gedruckte Kanäle aus-

gestaltet, wobei die Innenkanalauslässe 62 direkt in die Kanäle führen.

Figur 3 zeigt das Aerodynamik-Messgitter 14 von Figur 2 aus einer perspektivischen Rückansicht. Hier sind ebenfalls die Kielsonden 22, der Führungsrahmen 20, die Längsverstrebungen 34, Querbestrebungen 36 und Diagonalverstrebungen 38 dargestellt. Zentral im Führungsrahmen ist die Druckmesseinrichtung 32 angeordnet. Aus dieser Perspektive ist insbesondere zu erkennen, dass die Druckmesseinrichtung 32 mehrere Druckmesseingänge 40 aufweist, an denen im Betrieb die Luftdruckleitungen

angeschlossen sind.

12

Ferner wird aus der Perspektive von Figur 3 deutlich, dass die Längsverstrebungen 34 und die Querverstrebungen 36 in Längsrichtung der Kielsonden 22 eine größere Ausdehnung aufweisen als quer zu diesen. Hierdurch wird einerseits genug Raum in den Längsverstrebungen 34, Querverstrebungen 36 und Diagonalverstrebungen 38 des Führungsrahmen 20 geschaffen, die Luftdruckleitungen darin anzuordnen und andererseits die Form des Führungsrahmens 20 so zu gestalten, dass dieser selbst einen ge-

ringen Luftwiderstand aufweist.

An den Längsverstrebungen 34 und den Querverstrebungen 36 des Führungsrahmen 20 sind jeweils Adaptervorrichtungen 42 angeordnet. Mit den Adaptervorrichtungen 42 lässt sich der Führungsrahmen 20 mit anderen gleichen oder ähnlichen Führungsrahmen 20 verbinden. Hierdurch kann die von dem Aerodynamik-Messgitter 14 abge-

deckte Messfläche praktisch beliebig erweitert werden.

In Figur 4 ist das bereits in den Figuren 2 und 3 dargestellte Aerodynamik-Messgitter 14 aus einer dritten Perspektive dargestellt. Diese perspektivische Darstellung zeigt insbesondere die Lanzen 44 der Kielsonden 22 im Innern des röhrenförmigen Grundkörpers 56. der röhrenförmige Grundkörper 56 jeder der Kielsonden 22 ist am Fluidei-

nlass mensuriert.

In Figur 5 ist eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des Aerodynamik-Messgitter 14 dargestellt. In dieser alternativen Ausführungsform des Aerodynamik-Messgitters 14 weist der Führungsrahmen 20 neben den Längsverstrebungen 34, den Querverstrebungen 36 und den Diagonalverstrebungen 38 Zusatzverstrebungen 48 in Längs- und Querrichtung auf. Diese weisen ebenfalls Luftdruckleitungen auf und verbinden innenliegende Kielsonden 22 jeweils mit den Diagonalverstrebungen 38 und verkürzen auf diese Weise die von den Luftdruckleitungen in den Längsverstrebungen 34 und Querverstrebungen 36 zurückzulegenden Entfernungen zwischen Kielsonde 22 und Druckmesseinrichtung 32. Ferner sorgen die Zusatzverstrebungen 48 für eine erhöhte mechanische Stabilität des Führungsrahmens 20 und

damit des Aerodynamik-Messgitters 14.

In den Figuren 6 und 7 ist das in Figur 5 schematisch dargestellte Aerodynamik-

Messgitter 14 in jeweils unterschiedlichen Perspektiven dargestellt. Zusätzlich zu den

13

bereits beschriebenen Merkmalen ist auf der Druckmesseinrichtung 32 ein Messkopf 50 angeordnet, der mit der Druckmesseinrichtung 32 in signaltechnischer Verbindung steht. Vom Messkopf 50 führt ein Datentransferkabel 52 zu einer Auswertungseinrichtung (nicht gezeigt), die dazu eingerichtet ist, die von der Druckmesseinrichtung 32

gemessenen Daten auszuwerten.

In Figur 8 ist eine technische Zeichnung eines Schnitts durch eine Kielsonde 22 dargestellt, in welcher auch wesentliche Abmessungen einzelner Elemente der Kielsonde 22 mit unterbrochenen Linien und Doppelpfeilen angegeben sind. Die Schnittebene befindet sich entlang einer Mittelachse 46 der Kielsonde 22. Alle Abmessungen sind in

mm angegeben.

Die Kielsonde 22 weist einem röhrenförmigen Grundkörper 56 mit einem Fluideinlass 28 und eine Lanze 44 mit einem Innenkanal 54 auf. Der Innenkanal 54 weist einen Innenkanaleinlass 58 und einen Innenkanalauslass 62 auf. Die Lanze 44 ist radialzentriert in dem röhrenförmigen Grundkörper 56 angeordnet ist, so dass zwischen der Lanze 44 und dem röhrenförmigen Grundkörper 56 ein Außenkanal 70 gebildet ist. Der Außenkanal 70 weist einen Außenkanaleinlass 67 und einem Außenkanalauslass

68 auf. Der röhrenförmige Grundkörper 56 bildet die Außenhülle der Kielsonde 22.

Im Betrieb strömt die Luft durch einen Fluideinlass 28 in die Kielsonde 22 und strömt dort teilweise durch den Innenkanaleinlass 58 in den Innenkanal 54 und teilweise über den Außenkanaleinlass 67 in den ringförmigen Außenkanal 70, am Innenkanal 54 vorbei zu dem durch mehrere Löcher 66 gebildeten Außenkanalauslass 68. Die Löcher 66 sind der Schnittansicht von Figur 8 hinzugefügt, um das Design und die Funktionsweise der Kielsonde 22 genauer darzustellen und zu erläutern. Die Kielsonde 22 weist insgesamt 3 umlaufende Reihen von jeweils 8 Löchern 66 auf, die den Außenkanalauslass bilden. Sie dienen dazu, dass keine Stauungen in der Kielsonde 22, innerhalb des röhrenförmigen Grundkörpers 56 erzeugt werden. Der röhrenförmige Grundkörper

56 ist am Fluideinlass 28 mensuriert, bildet also eine trichterförmige Öffnung.

14

Mit den in Figur 8 dargestellten und im Folgenden erläuterten Abmessungen der Kielsonde 22 kann sowohl ein besonders großer Anströmwinkel von bis zu 50° oder mehr erreicht werden als auch die Kielsonde 22 vollständig mittels additiver Fertigung her-

gestellt werden.

Die Kielsonde 22 hat eine Länge von 1k=42,0 mm. Ihr Durchmesser beträgt

dx=7,0 mm. Der Fluideinlass 28 weist eine Länge von 3,5 mm und ebenfalls einen Durchmesser von 7,0 mm auf, bildet also die maximale radiale Ausdehnung der Kielsonde 22. vorzugsweise weist der Fluideinlass 28 einen Durchmesser von wenigstens 5 mm, besonders bevorzugt von wenigstens 6 mm auf. Der Innenkanal 54 weist an seinem Innenkanaleinlass 58 einen Durchmesser von dı:=1,54 mm auf. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Innenkanaleinlasses 58 wenigstens dı=1,2 mm besonders bevorzugt wenigstens dı=1,4 mm. Die Lanze 44 weist in einem Zentralbereich einen Außendurchmesser von diLA=2 mm und einen Innendurchmesser von dı:=0,91 mm und damit eine Wandstärke von 1,09 mm auf. Der Innenkanaleinlass 58 der Lanze 44 ist vom Fluideinlass 28 des röhrenförmigen Grundkörpers 56 um 3,5 mm in Längsrichtung der Kielsonde beabstandet. Hierdurch wird im Betrieb eine Umströmung des Innenkanaleinlasses 58 erzielt, die sich positiv auf die Genauigkeit der Messergebnisse

auswirkt.

Zwischen der Lanze 44 und dem röhrenförmigen Grundkörper 56 ist ein Außenkanal 70 zur Umströmung der Lanze 44 gebildet. Der Außenkanal 70 führt im Betrieb die Luft vom Fluideinlass 28 in Richtung der Löcher 66 zum Außenkanalauslass 68. Der Radius des Außenkanals 70 nimmt in Richtung des Außenkanalauslasses 70 von

4,14 mm auf 5,38 mm zu. Hierdurch werden die Strömungseigenschaften verbessert.

Zu beachten ist, dass die Querschnittsfläche des Fluideinlasses 28 bei einem Durchmesser, der demjenigen von dx=7,0 mm entspricht, etwa 38,48mm? beträgt. Für ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Querschnittsfläche des Fluideinlasses 28 zur Querschnittsfläche des Außenkanalauslasses 68, wobei letztere durch der Summe der Querschnittsflächen der Löcher 66 entspricht, von wenigstens 1,5 muss jedes der insgesamt 24 gleich gestalteten Löcher 66 mit rundem Querschnitt einen Durchmesser

von wenigstens 1,75 mm aufweisen. Im gezeigten Beispiel beträgt der Durchmesser

15

jedes der Löcher 66 1,8 mm. Es ist auch möglich, unterschiedlich große Löcher 66 und/oder Löcher mit unterschiedlich geformten Querschnitten als Außenkanalauslass 68 vorzusehen, solange das Verhältnis zwischen Querschnittsfläche des Fluideinlasses 28 zur Querschnittsfläche des Außenkanalauslasses 68 von wenigstens 1,5 erreicht

wird. Weitere Abmessungen der Kielsonde 22 folgen aus Figur 8.

Mit den in Figur 8 gezeigten und hier beschriebenen Abmessungen der Kielsonde 22 ist eine Herstellung der Kielsonde 22 mittels additiver Fertigung unter Beibehaltung der mechanischen und aerodynamischen Eigenschaften möglich, wobei die der Erfin-

dung zugrunde liegenden Aufgaben erzielt werden.

Die voranstehenden Erläuterungen zu den Ausführungsformen beschreiben die vorlie-

gende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

16

Bezugszeichenliste

10 Fahrzeug

12 Aerodynamik-Messsystem 14 Aerodynamik-Messgitter 16 Außenspiegel

18 Windmesseinrichtung

20 _Führungsrahmen

22 Kielsonde

28 Fluideinlass

30 Fuidauslass

32 Druckmesseinrichtung 34 Längsverstrebung

36 Querverstrebung

38 —Diagonalverstrebung

40 Druckmesseingang

42 Adaptervorrichtung

44 Lanze

46 Mittelachse

48 Zusatzverstrebung

50 Messkopf

52 Datentransferkabel

54 Innenkanal

56 röhrenförmiger Grundkörper 58 Innenkanaleinlass

62 Innenkanalauslass

66 Löcher

67 Außenkanaleinlass

68 Außenkanalauslass

70 Außenkanal

I Länge der Kielsonde dk Durchmesser der Kielsonde dı Durchmesser des Innenkanaleinlasses

dia Außendurchmesser der Lanze dı1 Innendurchmesser der Lanze

17

Claims

Patentansprüche 1 bis 17 1. Aerodynamik-Messgitter (14), aufweisend:

einen Führungsrahmen (20) mit Längsverstrebungen (34) und Querverstrebungen

(36),

parallel zueinander oder im Wesentlichen parallel zueinander am Führungsrahmen (20) angeordnete Kielsonden (22) mit einem röhrenförmigen Grundkörper (56) mit einem Fluideinlass (28), einer Lanze (44) mit einem Innenkanal (54), wobei die Lanze (44) in dem röhrenförmigen Grundkörper (56) angeordnet ist und sich zwischen der Lanze (44) und dem röhrenförmigen Grundkörper (56) ein Außenkanal (70) befindet, wobei

der Innenkanal (54) einen Innenkanaleinlass (58) und einen Innenkanalauslass (62) und der Außenkanal (70) einen Außenkanaleinlass (67) und einem Außenkanalaus-

lass (68) aufweist, eine Druckmesseinrichtung (32), und

Luftdruckleitungen, die jeweils zwischen dem Innenkanalauslass (62) einer der Kielsonden (22) und der Druckmesseinrichtung (32) und zumindest teilweise in den

Längsverstrebungen (34) und/oder den Querverstrebungen (36) angeordnet sind.

2. Aerodynamik-Messgitter (14) nach Anspruch 1, wobei der röhrenförmige Grund-

körper (56) am Fluideinlass (28) mensuriert ist.

3. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

die Druckmesseinrichtung (32) einen Mehrkanal-Drucksensor umfasst.

4. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Führungsrahmen (20) miteinander verbundene Längsverstrebungen (34), Quer-

verstrebungen (36) und/oder Diagonalverstrebungen (38) aufweist.

18

5. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Querschnittsfläche des Außenkanalauslasses (68) wenigstens 50% größer ist

als eine Querschnittsfläche des Fluideinlasseses (28).

6. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fluideinlass (28) einen Durchmesser von wenigstens 5 mm, insbesondere von

wenigstens 7 mm aufweist.

7. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Innenkanal (54) einen inneren Durchmesser (dı1j) von wenigstens 1,2 mm, vor-

zugsweise von wenigstens 1,4 mm aufweist.

8. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lanze (44) eine Wandstärke von wenigstens 0,8 mm, vorzugsweise von wenigs-

tens 1,0 mm aufweist.

9. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis zwischen dem Durchmesser (dı1) des Innenkanals (54) und dem

Durchmesser des röhrenförmigen Grundkörpers (56) zwischen 0,25 und 0,5 beträgt.

10. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Innenkanaleinlass (58) der Lanze (44) vom Fluideinlass (28) des röhrenförmigen Grundkörpers (56) um wenigstens 2 mm, vorzugsweise wenigstens 3 mm in

Längsrichtung der Kielsonde (22) beabstandet ist.

11. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kielsonden (22) über ein Schraubgewinde mit dem Führungsrahmen (20) befestigt sind.

12. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Führungsrahmen (20) eine Adaptereinrichtung zur Verbindung des Führungs-

rahmens (20) mit anderen gleichen oder ähnlichen Führungsrahmen (20) aufweist.

19

13. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Führungsrahmen (20) und wenigstens eine der Kielsonden (22), insbesondere

alle Kielsonden mit additiver Fertigung hergestellt sind.

14. Aerodynamik-Messgitter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kielsonden (22) ein Messfeld aufspannen und in wenigstens einer Richtung in

gleichen Abständen zueinander auf dem Messfeld angeordnet sind.

15. Aerodynamik-Messsystem (12), umfassend ein Aerodynamik-Messgitter (14) nach

einem der vorhergehenden Ansprüche, und

eine Windmesseinrichtung (18) zur Messung der Windrichtung und Windstärke un-

abhängig vom Aerodynamik-Messgitter (14).

16. Verfahren zur Durchführung einer aerodynamischen Messung an einem Fahrzeug (10) mit einem Aerodynamik-Messsystem (12) gemäß Anspruch 15, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Fahrzeugs (10) mit dem Aerodynamik-Messsystem (12) gemäß Anspruch 15, wobei die Windmesseinrichtung (18) an einer Windmessposition am Fahrzeugs (10) angeordnet ist und das Aerodynamik-Messgitter (14) an einer

Aerodynamikmessposition am Fahrzeugs (10) angeordnet ist, b) Durchführen eines Fahrmanövers auf einer Fahrbahn,

c) Messen von der Windrichtung und der Windstärke relativ zum Fahrzeug (10) mit der Windmesseinrichtung (18) und dem statischen Luftdruck an den Positionen der Kielsonden (22) mit dem Aerodynamik-Messgitter (14) während des Fahrmanövers,

und

d) Berechnen eines Druckbeiwerts an den Positionen der Kielsonden (22) mittels des zugehörigen statischen Luftdrucks, der gemessenen Windrichtung und der

Windstärke.

17. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend den Schritt:

20

e) Anpassen eines aerodynamisch relevanten Bauteils des Fahrzeugs (10) auf

Grundlage des in Schritt d) gemessenen Druckbeiwerts.

21