Spoiler - schick oder zweckmäßig ?

Hans-Dietrich Zeuschner, 07/08.03

   Er hat aus  vier Endrohren geröhrt, die überbreiten Puschen in x-förmiger Anordnung haben gequietscht, als der  mit Front- und Heckspoilern sowie  überbreiten Seitenschwellern ausgestattete Cruiser, tiefer gelegt, quasi auf dem Unterboden rutschend, an der Ampel bei Gelb beschleunigte. Kurz danach hat eine Polizeikelle abrupt den Trip unterbrochen. Nach einem Blick eines Beamten in die Fahrzeugpapiere ist  das Fahrzeug sofort still gelegt worden.     

Diese TV-Szene sowie eine Internetstudie haben mich veranlasst, die Problematik für www.kfztech.de näher zu beleuchten. 

In einem Fachbeitrag im Internet heißt es u.a. dass Spoiler „die  aerodynamischen Widerstandsbeiwerte positiv beeinflussen, vor allem den Luftwiderstandswert“ sowie dass „Front- und Heckspoiler, die diesen c_w-Wert absenken, …….. prinzipiell für einen geringen Kraftstoffverbrauch“ sorgen  und „eine höhere Endgeschwindigkeit“ zulassen.

Ein Blick in die AUTO ZEITUNG Nr.16/03 lenkte die Aufmerksamkeit in zwei Richtungen:

- Irmscher Opel Vectra: „DYNAMISCH  Spoiler und vier Endrohre täuschen mehr Kraft vor.“  

- Porsche Cayenne: „Mit Front- und Heckspoilern sowie einer Tieferlegung um 40 mm wertet Strosek den Porsche Cayenne optisch auf. …….. Ein Dachspoiler für 777 Euro soll den Cayenne kraftvoller erscheinen lassen.“

- Mercedes SLR Herbst 2003 „Doppelflügel im vorderen Stoßfänger“

- Porsche TURBO: „HECKSPOILER  Ab Tempo 120 fährt die obere Kante automatisch hoch.“

Demnach haben Spoiler am Pkw zwei Funktionen: Sie dienen der optischen Aufwertung  und / oder der Verbesserung der Fahreigenschaften.

Mein subjektiver Eindruck,  dass  nur in seltenen Fällen Spoiler an Pkw aus technischen Gründen nachträglich angebaut werden, sondern  dass diese Luftleiteinrichtungen überwiegend der Kosmetik  dienen, d.h. um optische  Pluspunkte zu sammeln, wurde von fünf deutschen Automobilherstellern verstärkt, die sich nicht in der Lage sahen, mir  technisches Informationsmaterial, insbesondere von Windkanalversuchen, zur Verfügung zustellen. Diese negativen Reaktionen lassen außerdem auf eine geringe Wertschätzung für Luftleiteinrichtungen seitens der Kfz-Produzenten schließen.

Zur Begriffsklärung "Spoiler":

Die Definition nach TÜV lautet:

• Frontspoiler, Heckspoiler und Dachspoiler und ähnlich wirkende Einrichtungen sind Luftleiteinrichtungen, die entweder ein Teil des Fahrzeugs sein können oder außen am Fahrzeug befestigt werden und die die aerodynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs beeinflussen.

Nicht dazu gehören Windabweiser an Schiebedächern und Seitenscheiben sowie Schmutzfänger an Radabdeckungen, Lufteinlass- oder Luftauslasseinrichtungen, Sonnenblenden etc.

Zu Wirkungen und Gefahren

   Fachwerkstätten und Fachhandel  halten ein umfangreiches Sortiment an (hoffentlich) im Windkanal getesteten, amtlich zugelassenen, typgebundenen  Spoilern bereit. Deshalb sollten Tuningfreaks weder auf die Idee kommen, diese Luftleiteinrichtungen selbst anzufertigen noch kommerziell hergestellte Teile zu verändern, bzw. typfremde  Spoiler an ihren Pkw  anzubauen, weil der optische Effekt sie so stark begeistert. 

All dies ist unzulässig, weil  die konkrete Gefahr bestehen kann, dass

• das  Fahr- und das Bremsverhalten eines Fahrzeugs sich nachteilig   verändert   
• unvorschriftsmäßig  gestaltete Außenkanten und Überstände   andere Verkehrsteilnehmer gefährden
• die Benutzbarkeit des Fahrzeugs , z.B. die Bodenfreiheit oder die Sicht nach hinten unzulässig eingeschränkt  wird
• Fahrzeugteile und –einrichtungen , deren Wirksamkeit  bzw.  Beschaffenheit  vorgeschrieben ist, z.B. Scheibenwischer, lichttechnische oder Abschleppeinrichtungen  in ihrer Funktion beeinträchtigt  werden
• das Geradeausverhalten und die Seitenwindempfindlichkeit des Fahrzeugs   beeinträchtigt wird
• die thermische Belastung des Motors und  der Bremsanlage  unzulässig erhöht wird
• negativer Einfluss auf die Bereifung ausgeübt wird
• eine Reihe von Konstruktionsrichtlinien insbesondere im Hinblick auf die Formgebung, die Materialbeschaffenheit und die Anbringung  nicht eingehalten werden und damit das Energieabsorbtionsvermögen bei Stoßeinwirkung, die  Splittersicherheit und die dauerhafte Befestigung sowie  die Funktionsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer nicht gewährleistet ist.                                                                               

Bild1 Dreiseitenansicht

Zur Rechtslage und zum Prüfwesen

    Die vorstehenden Angaben basieren auf den Prüfvorschriften für Spoiler die im VdTÜV-Merkblatts Kraftfahrwesen 744 festgeschrieben sind. Die vollständige Unterlage ist mir  dankenswerter Weise vom VdTÜV Essen, Herrn Krause,   zur Verfügung gestellt worden. Im Anschreiben heißt es  u.a.  

  Im Internet findet man über metacrawler/spoiler eine Reihe von

„Teilegutachten über die Vorschriftsmäßigkeit eines Fahrzeugs bei bestimmungsgemäßen Ein und Anbau von Teilen gemäß §19 Abs.3 Nr. 4 StVZO“, erstellt von

RWTÜV Fahrzeug GmbH Labor Fahrzeugtechnik, Adlerstr. 7, 45307 Essen. 

Die nachfolgenden Hinweise für den Fahrzeughalter stammen aus dem Gutachten für den Heckspoiler AM 27920 des Herstellers TTE Toyota Motorsport GmbH Toyota-Allee 7 50585 Köln. Sie geben Auskunft über  das  erforderliche Prozedere nach dem Anbau eines Spoilers.  

„0.      Hinweise für den Fahrzeughalter

Unverzügliche Durchführung und Bestätigung der Änderungsabnahme:

Durch die vorgenommene Änderung erlischt die Betriebserlaubnis des Fahrzeuges, wenn nicht unverzüglich die gemäß StVZO § 19 Abs. 3 vorgeschriebene Änderungsabnahme durchgeführt und bestätigt wird oder festgelegte Auflagen nicht eingehalten werden!

Nach der Durchführung der technischen Änderung ist das Fahrzeug unter Vorlage des vorliegenden Teilegutachtens unverzüglich einem amtlich anerkannten Sachverständigen oder Prüfer einer Technischen Prüfstelle oder einem Prüfingenieur einer amtlich anerkannten  Überwachungsorganisation zur Durchführung und Bestätigung der vorgeschriebenen Änderungsabnahme vorzuführen.

Einhaltung von Hinweisen und Auflagen:

Die unter III. und IV. aufgeführten Hinweise und Auflagen sind dabei zu beachten.

Mitführen von Dokumenten:

Nach der durchgeführten Abnahme ist der Nachweis mit der Bestätigung über die Änderungsabnahme mit den Fahrzeugpapieren mitzuführen und zuständigen Personen auf  Verlangen vorzuzeigen; dies entfällt nach erfolgter Berichtigung der Fahrzeugpapiere.

Berichtigung der Fahrzeugpapiere:

Die Berichtigung der Fahrzeugpapiere (Fahrzeugbrief und Fahrzeugschein, Betriebserlaubnis nach § 18 Abs. 5 StVZO oder Anhängerverzeichnis) durch die zuständige Zulassungsbehörde ist durch den Fahrzeughalter entsprechend der Festlegung in der Bestätigung der ordnungsgemäßen Änderung zu beantragen.

Weitere Festlegungen sind der Bestätigung der ordnungsgemäßen Änderung zu entnehmen.“

Die aerodynamische Seite

Der Widerstand

   Während der Fahrt setzt ein Fahrzeug dem Luftstrom einen Widerstand entgegen, den so genannten Strömungswiderstand oder Luftwiderstand. Die einzelnen Luftteilchen bewegen sich auf bestimmten Bahnen, die im Windkanal mittels Rauch sichtbar gemacht werden können, sie werden Stromlinien genannt. Widerstandsflächen und Kanten biegen die Luftteilchen in Kurvenbahnen aus. Nach raschen Querschnittsverminderungen z.B. am Heck des Fahrzeugs bildet sich ein starkes Wirbelfeld, ehe die Stromlinien wieder parallel laufen.

Bild 2  Stromlinienverlauf

Aus dem vorstehend eingezeichneten Stömungsverlauf ist ableitbar, welchen Effekt Spoiler an relativ kurzen Heckteilen haben können, nämlich keinen definierbaren. Das Profil einer Luftleiteinrichtung würde turbulent und nicht laminar umströmt, dadurch lässt sich keine gezielte Wirkung  erreichen.

   Der Strömungswiderstand setzt sich aus dem Reibungswiderstand und dem Druckwiderstand zusammen. Die Größe des Reibungswiderstands wird bestimmt durch die Oberflächenrauhigkeit des Fahrzeugs und der Grenzschichtausbildung der Luft. Grenzschicht wird die Übergangszone zwischen ruhender und ungehindert fließender Luft genannt. Verursacht wird diese Schicht dadurch, dass an der Fahrzeugoberfläche  Strömungsteilchen durch molekulare Kräfte haften bleiben, d.h. dort die Geschwindigkeit Null haben, sie bremsen die darüber liegenden Teilchen ab und diese wiederum bewirken die Verzögerung der nächsten Schicht usw..

In Lehr- und Tabellenbücher des Kfz-Sektors spielt als einzige Größe dieser Kategorie  der  Druckwiderstand eine Rolle. Er ist abhängig von

• der Luftdichte   (ς )
• der Querschnittsfläche  (A)
• dem Quadrat der Geschwindigkeit  (v²)
• dem spezifischen Widerstandsbeiwert (c_W), der wiederum und das wird in  Kfz-Büchern in der Regel nicht erwähnt, vom spezifischen Auftriebsbeiwert c_A, quasi seinem Zwillingsbruder, abhängt

und kann mit der Formel  F _W = ς  ^. A ^. c_W ^. v² berechnet werden,  siehe letztes Kapitel.

Näheres über den c_w-Wert ist in meinem Beitrag „Der c_w-Wert, ein Papiertiger“ zu finden.

Einen Überblick über alle Widerstandsarten gibt mein nachfolgendes Informationsblatt für Flugschüler:

Allgemein

Gleichzeitig mit der Erzeugung des gewünschten Auftriebes, treten Kräfte auf, die in andere Richtungen wirken als der Auftrieb. Alle diese unerwünschten Kräfte nennt man zusammen Widerstände.

Die Widerstände, die als Nebenprodukt bei der Auftriebserzeugung entstehen, nennt man Flügelwiderstand.

Weitere schädliche Kräfte der Luftströmung, die nichts mit der Auftrieberzeugung zu tun haben, aber doch bei jedem Flug auftreten, nennt man Schädlichen Widerstand.

Der Formwiderstand – auch Druckwiderstand genannt 

Der Druckwiderstand wurde  bereits ausführlich besprochen. Im Allgemeinen sind die Widerstandsbei­werte  (bei normaler Wirbelentwicklung am Heckteil des Körpers, z.B. des Tragflügels) gültig, beinhalten also auch den Einfluss des Reibungswiderstandes.

Der Reibungswiderstand – auch Grenzschichtwiderstand genannt

Der Grenzschichtwiderstand oder Reibungswiderstand wurde  bereits ausführlich besprochen, soweit die Strömung laminar oder turbulent an der Körperoberfläche anliegt. Bei größeren Geschwindigkeiten und Druck­anstieg an der Oberfläche löst sich jedoch die Strömung (die Stromlinien) von der Oberfläche ab und es entstehen Wirbel, die den Reibungswiderstand hochschnellen lassen und den Auftrieb vernichten können. Diesen Vorgang nennt man das Ablösen der Strömung.

Der induzierte Widerstand – auch Randwiderstand genannt

Da der Quertrieb (=Auftrieb) immer senkrecht zur tatsächlichen Anströmrichtung wirkt und diese jetzt um den induzierten Anströmwinkel  gegenüber der ungestörten Strömung geneigt ist, erhält der Quertrieb ebenfalls eine Neigung. Dadurch erhält der Auftrieb eine  Widerstandskomponente nach hinten, dieser Widerstand heißt Induzierter Widerstand Auch der Induzierte Widerstand wird durch einen Beiwert aus der Bezugsfläche  und dem Staudruck errechnet.

Der Restwiderstand – auch Nebenwiderstand genannt

Der Widerstand aller Luftfahrzeugteile, die nicht mit zur Auftriebserzeugung  dienen, haben zusammen einen Luftwiderstand, den so genannten  Restwiderstand  oder Nebenwiderstand. Zu diesen Teilen gehören: Rumpf, Leitwerk, Fahrwerk, eventuelle Verstrebungen, äußere Armaturen usw.

Der Interferenzwiderstand  - auch zusätzlicher Widerstand genannt

Es genügt nicht, die Widerstände der einzelnen, im Luftstrom liegenden Teile zu addieren, um den Gesamtwiderstand zu erhalten. Die gegenseitige  Beeinflussung (lnterferenz) muss außerdem berücksichtigt werden. Das Strömungsbild (und damit die Widerstände und der Auftrieb) bei Annäherung oder gar bei Anbau eines weiteren Körpers wird verändert.

Der Auftrieb

   Im vorstehenden Infoblatt ist bereits der Auftrieb an einem Tragflügel angesprochen worden, der im gleichen Moment wie der Widerstand entsteht. Widerstand und Auftrieb hängen direkt voneinander ab. Besser gesagt, die entsprechenden Beiwerte  c_A und c_W . In der Luftfahrttechnik  ist eine große Anzahl von Profilen für Tragflügel untersucht worden. Die Ergebnisse liegen in Form von derartigen Diagrammen vor. Für Spoiler wurden keine entsprechend gewonnenen Schaubilder zur Verfügung gestellt

Bild 3 Auftrieb und Widerstand (Diagramm)

Das was für ein Tragflügelprofil gilt, hat ebenfalls Gültigkeit für ein sich bewegendes Fahrzeug, während der Fahrt entsteht Widerstand und gleichzeitig Auftrieb. Letzterer bewirkt  eine Reduktion  der Achslasten. Um diesem Phänomen entgegen zu wirken, bzw. darüber hinaus, um Einfluss auf die Größe der Traktionskraft sowie der Lenkkräfte  bzw.  auf die Lastverteilung auf die Achsen zu nehmen, kommt im Automobil-Rennsport groß dimensionierten Front- und Heckspoiler zum Einsatz.

Durch Ändern des Anstellwinkels können Widerstand  und  Abtrieb  (=negativer Auftrieb) definiert eingestellt werden. In Bild 3 sind die  eingezeichneten Kräfte: A₁ und A₂ (Abtrieb), W₁ und W₂ (Widerstand) sowie R₁ und  R₂ (Resultante)  nicht  maßstäblich dimensioniert.  

Bild 4 Rennwagen (Parallelogramme)

Zwischenbemerkung

   Wer bis hierhin diesen Beitrag gelesen hat und sich an das eingangs erwähnte Internet-Zitat erinnert, wird feststellen müssen, dass dies mit der vorstehenden Recherche nicht in Einklang zu bringen ist.  Um weiter in die  Materie einzudringen, füge ich ein Mathematik-Kapitel an, dass die quantitative Seite beleuchtet. Ich habe es so aufbereitet, das es im Berufsschulunterricht verwendet werden kann.

Eine Modellrechnung

   Die Bilder 5 und 6 zeigen einen mit Front- und Heckspoiler umgerüsteten Pkw.

Bild 5 Flächenvergrößerung durch Frontspoiler

Zum Frontspoiler,

er hat die in der Skizze benannten Abmaße.

1. Berechnen Sie für die Geschwindigkeiten  60 km/h, 120 km/h den Druckwiderstand  und die zur seiner Überwindung erforderliche Widerstandsleistung ( vgl, Seite 70 (Luftwiderstand), Europa Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik Ausgabe 2000 )

Zum Vergleich die entsprechenden Werte für eine Geschwindigkeit von 160 km/h:              

Bild 6 Seitenansicht

Zum Heckspoiler

            Die Berechnung des Auftriebs bzw. des Abtriebs erfolgt mit der  bereits bekannten Formel   F_A = ς  ^. A ^. c ^. v²  , es werden lediglich die speziellen Werte für den Beiwert und die Bezugsfläche eingesetzt.

Der Heckspoiler hat eine Breite von 1,95m, die Länge der Sehne des Profils (die Breite)  beträgt  0,15 m, der Anstellwinkel 15^o.

Die Beiwerte sind den Diagrammen in Bild 2 zu entnehmen. Da keine speziellen Zahlen speziell für Spoilerprofile  zur Verfügung stehen, wird in dieser Modellrechnung davon ausgegangen, dass das unsymetrische Tragflügelprofil gespiegelt, d.h. mit der Wölbung nach unten, verwendet wird.

2. Berechnen Sie für die beiden oben  angegebenen  Geschwindigkeiten

a) den jeweiligen Widerstand

b) die jeweils erforderliche Leistung zur Überwindung des Widerstands

            c) den jeweiligen Abtrieb

            d) die jeweilige Resultante

Zum Vergleich die entsprechenden Werte für eine Geschwindigkeit von 160 km/h: 

In Bild 6 sind neben den durch die Spoiler wirksamen Kräften ebenfalls drei Längen eingezeichnet. Der Achsabstand l beträgt in diesem Fall 2,7 m, der Hebel an dem der Abtrieb A₂ wirkt  misst 1 m, R wirkt an einer Hebellänge von 1,36 m.

3.  Berechnen Sie die Entlastung der Vorderachse für die beiden Geschwindigkeiten

( vgl. S.74, „Horizontaler Schwerpunktabstand“, Europa Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik, 2000)

4. Berechnen Sie die durch den Heckspoiler verursachte Belastung der                  

Hinterachse

5. Berechnen Sie die durch die vorstehende Zusatzlast   erhöhte    Radumfangskraft.

(vgl. mein Beitrag : Kraftschluss, ein Nobody in Kfz-Lehrbüchern)

Zum Vergleich die entsprechenden Werte für eine Geschwindigkeit von 160km/h:

Die Überschrift lautet  „Spoiler, schick oder zweckmäßig ?“

Beantworten Sie auf Grund des vorstehend Geschriebenen und Ihrer Berechnungen diese Frage !  

Vorsicht vor Interferenzen !                                                                                         

   Der Begriff Interferenz ist oben lediglich bei den Widerstandsarten  aufgetaucht. Es muss abschließend jedoch überdeutlich betont werden, dass bei allen  Tuningmaßnahmen mit einer  gegenseitigen und zwar  unkalkulierbaren Beeinflussung der Auswirkungen gerechnet werden muss. Geprüft und amtlich zugelassen werden lediglich Einzelteile im Zusammenhang mit  An- und Einbaumaßnahmen. Das eingangs erwähnte Showtuning-Paket:   Front- und Heckspoiler + Vergrößerung der Seitenschweller + Spoiler +  Tieferlegen + härtere Stoßdämpfer + breitere Reifen kann durchaus die Fahreigenschaften des Cruisers derart verändert haben, dass das Fahrzeug in Grenzsituationen, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten, dazu, wenn ein unerfahrener „Pilot“ am Steuer sitzt,  nicht mehr beherrschbar ist.