Was ist der cW-Wert bei Autos?

Der cW-Wert, ein kritischer Faktor im Automobildesign, beeinflusst direkt die Performance, Effizienz und sogar die Umweltverträglichkeit eines Fahrzeugs. In diesem Artikel wird beleuchtet, wie dieser scheinbar einfache Koeffizient die Art und Weise bestimmt, wie ein Auto Luft schneidet – von Alltagsfahrzeugen bis hin zu hochleistungsfähigen Supersportwagen.

Definition

Der cW-Wert eines Fahrzeugs ist eine Schlüsselgröße in der Aerodynamik, die maßgeblich beeinflusst, wie effizient ein Auto durch die Luft bewegt werden kann. Er ist eine dimensionslose Kennzahl, die angibt, wie stark ein Körper, in diesem Fall ein Auto, den Luftstrom stört, während er sich durch die Atmosphäre bewegt.

Synonyme für den cW-Wert sind:

• Luftwiderstandsbeiwert
• Strömungswiderstandskoeffizient
• Widerstandsbeiwert

Der cW-Wert wird durch eine Kombination von Faktoren bestimmt, einschließlich der Gesamtform des Fahrzeugs, der Anordnung von Designelementen wie Spoilern und Unterbodenverkleidungen, der Oberflächenrauigkeit und der Kontur von Bauteilen wie Spiegeln und Stoßfängern. Ein niedriger cW-Wert zeigt an, dass das Fahrzeug aerodynamisch effizienter gestaltet ist, was zu höherer Geschwindigkeit, geringerem Kraftstoffverbrauch und reduziertem Emissionsausstoß beitragen kann. Ein höherer cW-Wert bedeutet dagegen mehr Luftwiderstand, was die Leistung reduziert und den Energieverbrauch erhöht.

Es ist wichtig zu beachten, dass der cW-Wert alleine nicht den gesamten Luftwiderstand bestimmt, den ein Fahrzeug erfährt. Die tatsächliche Größe des Luftwiderstands wird auch durch die Frontfläche des Autos beeinflusst; daher wird der Luftwiderstand oft als Produkt des cW-Wertes und der Querschnittsfläche ausgedrückt. Fahrzeuge mit ähnlichen cW-Werten können aufgrund unterschiedlicher Frontflächen unterschiedliche Luftwiderstände aufweisen.

Der cW-Wert ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung neuer Fahrzeuge, da Hersteller ständig bestrebt sind, die Effizienz und Leistung ihrer Modelle zu verbessern. Durch die Optimierung der aerodynamischen Eigenschaften eines Autos über seinen cW-Wert können Hersteller Vorteile in Bezug auf Kraftstoffeffizienz, Leistung, Handling und Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten sowie eine Verringerung von Windgeräuschen für ein ruhigeres Fahrerlebnis erreichen.

Formel und Berechnung

Der cW-Wert, auch als Strömungswiderstandskoeffizient bekannt, wird nicht direkt berechnet, sondern normalerweise durch Experimente unter kontrollierten Bedingungen ermittelt, meist in einem Windkanal. Die Berechnung basiert auf der Messung der Kräfte, die auf ein Fahrzeug wirken, wenn Luft mit bekannter Geschwindigkeit darüber strömt. Hier ist eine vereinfachte Darstellung des Prozesses:

1. Windkanaltests: Das Fahrzeugmodell (manchmal in Originalgröße, oft aber auch als verkleinertes Modell) wird in einen Windkanal gestellt, in dem die Luftgeschwindigkeit genau kontrolliert wird. Sensoren messen die Kraft, die erforderlich ist, um das Fahrzeug an seinem Platz zu halten, während der Luftstrom darauf trifft.
   
2. Messung des Luftwiderstands: Die während des Windkanaltests gemessene Kraft entspricht dem Luftwiderstand, der auf das Fahrzeug wirkt. Diese Kraft wird oft in Newton angegeben.
   
3. Berechnung des cW-Werts: Der Luftwiderstandsbeiwert (cW) wird dann als Verhältnis des gemessenen Luftwiderstands zur dynamischen Druckhälfte (0.5 * Luftdichte * Strömungsgeschwindigkeit^2) und zur Frontfläche des Fahrzeugs (A) berechnet.
   
   Die Formel lautet:
   
   cW = (2 * F) / (ρ * v^2 * A)
   
   • „F“ ist der gemessene Luftwiderstand (in Newton),
   • „ρ“ ist die Luftdichte (in kg/m³),
   • „v“ ist die Strömungsgeschwindigkeit (in m/s),
   • „A“ ist die Frontfläche des Fahrzeugs (in m²).

Es ist wichtig zu beachten, dass der cW-Wert ein dimensionsloser Koeffizient ist. Er ist unabhängig von der Größe des Fahrzeugs und soll die aerodynamischen Eigenschaften der Fahrzeugform darstellen. Verschiedene Fahrzeugformen werden unterschiedliche cW-Werte haben, und diese Werte werden durch experimentelle Tests unter standardisierten Bedingungen ermittelt, um eine faire Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Fahrzeugmodellen zu gewährleisten.

Da die tatsächlichen Bedingungen auf der Straße variieren können, verwenden Automobilhersteller und Ingenieure Windkanaltests und computergestützte Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD), um mögliche Szenarien zu modellieren und Fahrzeuge so zu gestalten, dass sie über ein breites Spektrum von Bedingungen hinweg optimal funktionieren.

Welche Autos haben einen hohen cW Wert?

Ein hoher cW-Wert bedeutet, dass ein Fahrzeug einen relativ hohen Luftwiderstand hat, was oft mit einer weniger aerodynamisch günstigen Form einhergeht. Fahrzeuge mit hohen cW-Werten sind in der Regel solche, die entweder aufgrund ihres Designs oder ihrer beabsichtigten Nutzung nicht für eine stromlinienförmige Bewegung durch die Luft optimiert sind. Hier sind einige Fahrzeugtypen, die tendenziell höhere cW-Werte aufweisen:

1. SUVs und Geländewagen: Diese Fahrzeuge haben oft einen höheren cW-Wert aufgrund ihrer großen Frontfläche und höheren Bodenfreiheit, was zu einem erhöhten Luftwiderstand führt. Ihr Design legt den Schwerpunkt mehr auf Offroad-Fähigkeiten oder Innenraumkapazität als auf Aerodynamik.
   
2. Vans und Kleinbusse: Aufgrund ihrer kastenförmigen Designs, die auf maximales Innenraumvolumen ausgelegt sind, haben diese Fahrzeuge oft einen höheren cW-Wert. Die große, flache Front und die hohe Stirnfläche tragen zum Luftwiderstand bei.
   
3. Klassische Autos und Oldtimer: Ältere Fahrzeuge wurden in einer Zeit hergestellt, in der weniger Wert auf Aerodynamik gelegt wurde, und sie haben oft nicht die stromlinienförmigen Formen, die modernen Fahrzeugen eigen sind. Deshalb neigen sie dazu, höhere cW-Werte zu haben.
   
4. Nutz- und Spezialfahrzeuge: Fahrzeuge wie Lieferwagen, Wohnmobile, und LKWs sind für spezifische Funktionen wie Frachttransport, Wohnen auf der Straße oder spezielle Arbeitsfunktionen ausgelegt und nicht primär für Aerodynamik, was zu einem höheren cW-Wert führt.
   
5. Performance-Autos mit speziellen Spoilern oder Flügeln: Einige Hochleistungsfahrzeuge sind mit großen Spoilern oder Flügeln ausgestattet, um den Abtrieb zu erhöhen und die Haftung bei hohen Geschwindigkeiten zu verbessern. Obwohl dies die Leistung auf der Rennstrecke verbessern kann, kann es auch den cW-Wert erhöhen, da diese Anbauten den Luftwiderstand erhöhen.

Welche Autos haben einen niedrigen cW-Wert?

Fahrzeuge mit niedrigen cW-Werten zeichnen sich in der Regel durch eine stromlinienförmige Bauweise aus, die den Luftwiderstand minimiert, die Effizienz verbessert (insbesondere bei der Kraftstoff- oder Energieverbrauch) und in manchen Fällen auch die Fahrleistungen erhöht. Hier einige Beispiele für Fahrzeugtypen und spezifische Modelle mit niedrigen cW-Werten:

1. Elektroautos: Viele moderne Elektrofahrzeuge sind so konzipiert, dass sie einen möglichst geringen Luftwiderstand aufweisen, um die Effizienz zu maximieren und die Reichweite der Batterie zu verlängern. Beispiele sind der Tesla Model 3 und der Tesla Model S, die beide cW-Werte haben, die zu den niedrigsten in der Automobilindustrie gehören.
   
2. Hybridfahrzeuge: Diese Fahrzeuge kombinieren einen herkömmlichen Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor und sind oft auf Effizienz ausgelegt. Modelle wie der Toyota Prius sind dafür bekannt, sehr gute aerodynamische Eigenschaften zu besitzen.
   
3. Sportwagen und Supersportwagen: Einige Hochleistungsautos sind aerodynamisch optimiert, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen und die Fahrstabilität zu verbessern. Der Mercedes-Benz AMG GT und der Chevrolet Corvette sind Beispiele für Sportwagen mit besonders niedrigen cW-Werten.
   
4. Konzept- und Zukunftsfahrzeuge: Viele Konzeptautos sind so gestaltet, dass sie extrem niedrige cW-Werte haben, da sie innovative und oft experimentelle Designs nutzen, die möglicherweise noch nicht für die Massenproduktion bereit sind. Beispiele sind der Mercedes-Benz Concept IAA und der BMW Vision EfficientDynamics.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zum cW-Wert bei Autos

Warum ist der cW-Wert bei Elektroautos besonders wichtig?

Elektroautos sind auf maximale Effizienz angewiesen, um die Reichweite aus ihren Batterien zu verlängern. Ein niedriger cW-Wert verringert den Luftwiderstand und damit den Energieverbrauch, insbesondere bei Autobahn-Geschwindigkeiten, was direkt zu einer längeren Batterielebensdauer und einer größeren Reichweite pro Ladung beiträgt.

Wie beeinflussen äußere Anbauteile wie Dachgepäckträger oder Anhänger den cW-Wert eines Fahrzeugs?

Externe Anbauteile können den Luftwiderstand erheblich erhöhen, da sie die stromlinienförmige Form eines Fahrzeugs stören und Turbulenzen erhöhen. Dies führt in der Regel zu einem höheren cW-Wert und damit zu einem höheren Kraftstoff- oder Energieverbrauch, besonders bei höheren Geschwindigkeiten.

Ändert sich der cW-Wert eines Fahrzeugs mit der Geschwindigkeit?

Der cW-Wert selbst ändert sich nicht mit der Geschwindigkeit; er ist eine Konstante, die das Verhältnis von Luftwiderstand zu Fahrzeuggröße und -form darstellt. Allerdings erhöht sich der tatsächliche Luftwiderstand, den ein Fahrzeug erfährt, quadratisch mit der Geschwindigkeit, was bedeutet, dass das Fahren bei höheren Geschwindigkeiten einen überproportional höheren Energieaufwand erfordert, um den zusätzlichen Luftwiderstand zu überwinden.

Kann der cW-Wert eines bestehenden Autos verbessert werden?

Ja, allerdings kann dies eine Herausforderung sein, da es grundlegende Änderungen am Fahrzeugdesign erfordern kann. Kleinere Anpassungen, wie das Hinzufügen von Aerodynamik-Kits, das Senken des Fahrzeugs oder das Entfernen unnötiger externer Anbauteile, können jedoch zu Verbesserungen führen. Diese Änderungen müssen allerdings mit Bedacht vorgenommen werden, um nicht andere wichtige Faktoren wie Fahrzeugsicherheit und -stabilität zu beeinträchtigen.

Wie verhält sich der cW-Wert im Vergleich zum Frontflächenwert (A) eines Fahrzeugs?

Der cW-Wert ist nur ein Teil der Gleichung bei der Bestimmung des Luftwiderstands; der andere ist die Frontfläche des Fahrzeugs (A). Selbst ein Auto mit einem sehr niedrigen cW-Wert kann einen hohen Luftwiderstand haben, wenn es eine große Frontfläche hat, und umgekehrt. Daher ist es wichtig, beide Werte in Betracht zu ziehen, wenn man den Gesamtluftwiderstand und die Effizienz eines Fahrzeugs bewertet.

Gibt es einen idealen cW-Wert, den Automobilhersteller anstreben?

Es gibt keinen „einen“ idealen cW-Wert, da die Anforderungen an die Fahrzeugleistung variieren können. Rennwagen, zum Beispiel, benötigen oft einen Kompromiss zwischen Luftwiderstand und Abtrieb, während Straßenfahrzeuge und insbesondere Elektroautos von möglichst niedrigen cW-Werten profitieren. Allerdings streben die meisten Hersteller in der Regel nach einem möglichst niedrigen cW-Wert, der mit den Design-, Leistungs- und Effizienzziele des Fahrzeugs vereinbar ist.

Weiterführende Informationen

Literatur

1. Thomas Schütz, Sven Klußmann, Ralf Neuendorf – ATZ-Automobiltechnische Zeitschrift, Automobile Aerodynamik im Jahr 2020, 2016 – Springer
2. Jürgen Stoffregen – Fahrwiderstände, Leistungsbedarf und Fahrleistungen, Vieweg+Teubner Verlag, Springer, 2012

Online Publikationen

1. FAZ/FAS, 2014 – In der Geheimkammer der Luftikusse