Karosserie... Aerodynamik in ihrer schönsten Form


Das folgenden Kapitel beschreibt die Konstruktion und Entwicklung der Karosserie des Typs 44.

Die Entwicklung des Typs 44 stand Ende der 70er Jahre im Zeichen steigender Rohstoffpreise und weist zahlreiche konstruktive Besonderheiten auf . Neben der Aerodynamik, stand die passive und aktive Sicherheit ganz weit oben im Lastenheft. Um, trotz nochmals grösserer Abmessungen im Vergleich zum Vorgänger, das Gewicht nicht weiter ansteigen zu lassen, griff man bei Audi auf die jahrelangen Erfahrungen im Leichtbau zurück. Zahlreiche Karosserieteile, wie z.B. der vordere Stossfänger und die Fensterrahmen bestehen daher aus Leichtmetall, die vorderen Innenkotflügel und die Reserveradwanne sind aus Kunsstoff gefertigt. Aus Gründen der Karosseriestefigkeit und der Aerodynamik, sind sowohl die Front- und Heckscheibe, als auch die hinteren Seitenscheiben kraft- und formschlüssig mit dem Aufbau verklebt. Ausgeprägte Knautschzonen an Front und Heck mit genau definierten Längsträgern sorgen ebenso für passive Sicherheit, wie z.B. die stabile Motorhaube und die crashgeschützte Lage des Tanks oberhalb der Hinterachse.
Die Karosserie bestand von Anbeginn der Produktion an aus teilverzinkten Blechen und wurde ab Herbst 1985 vollverzinkt. Dies stellte ein weiteres Novum im Bereich des Automobilbaus dar und hat sich bis Heute als ausgezeichnete Korosionsschutzmassnahme bewährt.

 

vollverzinkte Rohkarosse

Karosseriedetails im Überblick:


Aerodynamik:

  • Luftwiederstandsbeiwert cw/A =0,30
  • Seitenscheiben rahmenlos und karosseriebündig
  • Einzüge an Front und Heck
  • glatte Radkästen und Radabdeckungen
  • fehlende Regenleisten am Dach
  • Gummidichtung zwischen Motorhaube und Grill
  • Heck mit Abrisskante und Spoiler am Abschlussblech
  • Aussenspiegel aerodynamisch verkleidet
  • Frontspoiler
  • stark geneigte Frontscheibe
  • ausgeprägte Keilform
  • wagenbündige Klapptürgriffe (ab MJ 1988)

Sicherheit:

  • Knautschzonen an Front und Heck
  • Lenksäule mit Ausklinkelement
  • Tank aufprallgeschützt
  • Front- und Heckscheibe karosseriebündig verklebt
  • Armaturentafel gepolstert
  • Stossfänger kunststoffummantelt
  • 3 Punkt Sicherheitsgurte vo/hi
  • Seitenschutzleisten
  • Seitenaufprallschutz (optional ab MJ 1987)
  • Sicherheitsfahrgastzelle
  • ProconTen (optional ab MJ 1987)
  • Fahrerairbag (optional ab MJ 1988)
  • Batterie aufprallgeschützt

Leichtbau:

  • Reserveradwanne aus Kunststoff
  • platzsparendes Notrad
  • Dach in Sandwichbauweise
  • Frontstosstange aus PP mit Alu-Träger
  • Heckstosstange aus PP mit GFK SMC Träger
  • Fensterrahmen aus Aluminium
  • Türinnenteil mit Türaussenblech verschraubt
  • Frontrahmenblech und vordere Kotflügel geschraubt

Korosionsschutz:

  • Karosserie teilverzinkt (ab MJ 1986 vollverzinkt)
  • Hohlräume heisswachsgeflutet
  • Schweissnähte daerelastisch abgedichtet
  • einteilliges Bodenblech ohne Schweissnähte
  • Radhausschalen aus Kunststoff
  • elastischer Unterbodenschutz auf PVC Basis

 

Teil 1. Aerodynamik und Formgebung:


Der Typ 44 stellt das erste Fahrzeug dar, welches nach der sogenannten  Formoptimierungsmethode entwickelt wurde.
Aus einer aerodynamisch optimalen Grundform wird dabei in langen Versuchsreihen das fertige Automobil herausgearbeitet.
Der Prozess der Formoptimierung wurde seinerzeit von Dr.-Ing. Wolf-Heinrich Hucho gestaltet und ist in seinem Buch Aerodynamik des Automobils ausführlich beschrieben.

Über die aerodynamische Entwicklung des Audi 100 Typ 44 wurde 1983 in der Automobil Technischen Zeitschrift  berichtet.

Gegenüber dem Vorgänger, welcher noch nach der Detailoptimierungsmethode entwickelt worden war, welche nur kleinere aerodynamische Änderungen, ohne Eingriff in das Design, erlaubt, musste beim Typ 44 ein neuer Weg beschritten werden.
Ziel war hierbei den Luftwiderstand gegenüber dem Typ 43 um 30% zu verringern, was nur mit einer reinen Detailoptimierung nicht möglich gewesen wäre.

Audi 100 C3

Der Audi 100 im Windkanal
In mehr als 1000 Stunden Windkanalerprobung entstand die die wegweisenden Form des Audi 100/200 Typ 44.

Aerodynamische Entwicklungsstrategie:

Unter Berücksichtigung von Styling, Komfort, Sicherheit und Produktionskosten musste als erstes eine aerodynamisch optimale Grundform ermittelt werden. Desweiteren galt es entsprechende Konstruktionslösungen zu finden für aerodynamisch relevante Bereiche, wie z.B. Kühlluftführung und Karosserie Oberflächen.

Begonnen wurde mit einem 1:4 Modell, welches schon die typische Stufenheck Silhouette aufwies und einen cw-Wert von 0,17 hatte.
Über verschiedene Zwischenschritte mit 1:1 Modellen, in denen nacheinander das gewünschte Design, die Kühlluftöffnungen, sowie der Unterboden eingearbeitet wurden, entstand ein Stylingmodell mit cw-Wert 0,29. Das fertige Serienfahrzeug lag dann mit einem cw-Wert von 0,30 nur knapp darüber.

Der Grund, warum das fertige Serienfahrzeug nicht ganz den Wert des Stylingmodels erreichte, liegt einerseits in den üblichen Toleranzen der Serienfertigung (z.B. Spaltmaße), andererseits daran, dass man aus konstruktiven und wirtschaftlichen Gründen nicht jedes Detail in die Serie übernehmen konnte. Mit den beim Serienfahrzeug erreichten Cw Wert von 0,30 wurde das hochgestreckte Ziel einer 30 prozentigen Verringerung des Luftwiderstands gegenüber dem Vorgängermodell dennoch voll und ganz erreicht.
Darüberhinaus hat die aerodynamische Entwicklung des Typ 44 dadurch aber auch gezeigt, dass eine weitere Absenkung des Cw Werts bei einem Serienfahrzeug möglich ist - dann nämlich, wenn Parameter wie Stylingvorgaben, Package, Komfortmaße und Fertigungskosten dies zulassen.

Audi-100-Grundmodell02

Audi-100-Serienmodell02

Formoptimierung - vom aerodynamischen Grundkörper hin zum Serienfahrzeug
Man erkennt beim Grundkörper (Cw = 0,17), der schon die Hauptabmessungen, sowie Räder
und Bodenfreiheit genau wiedergibt, besonders im Heckbereich einen noch besseren Verlauf
der Strömung als beim Serienmodell - bedingt durch die Kofferraumhöhe und Neigung.
Die gedrungene Form des Grundkörpers weist auch gewisse Ähnlichkeiten mit dem ab 2004
gebauten Audi A6 C6 (Cw Wert 0,27-0,29) auf!

Berücksichtigt wurde bei der Karosserieentwicklung des  Audi 100 C3 aber nicht nur die aerodynamisch optimierte Grundform, sondern auch der Vorgängertyp Audi 100/200 Typ 43 (Cw = 0,39 - 0,42), von welchem man zahlreiche Karosserie Grundmaße übernommen hat, bzw, übernehmen musste. Dies geschah einerseits aus wirtschaftlichen Gründen, andererseits aus Gründen der Kontinuität in der Formensprache nach Art des Hauses, sowie der Übernahme, bzw, Weiterentwicklung von bereits bewährten Komponenten und Bauteilen.
Es macht daher Sinn, die aerodynamische Güte des Typ 44 auch im Vergleich zum Typ 43 zu betrachten.

Als Beispiel mag hier der Vorderwagen dienen, der im Bereich der Längsträger, Spritzwand und Federbeinaufnahme dem Typ 43 sehr ähnlich ist. Hierbei ist natürlich zu berücksichtigen, dass die verwendeten Motoren und Getriebe/Antriebskonzepte maßgeblich für das sogenannte Package verantwortlich sind.
Bedingt durch den Frontantrieb in Verbindung mit längs eingebauten Motoren, ergeben sich zwangsweise Proportionen und Grundmaße für den Vorderwagen, welche der Designer als gegeben hinnehmen muss.

Ein weiteres Beispiel stellt die Bodengruppe dar, welche in ihren Dimensionen vom Typ 43 übernommen wurde.
Radstand, Spurweite, Bauform der Vorder- und Hinterachse, sowie die Einbaulage von Pedalerie und Lenkung entsprechen ebenfalls in ihren Grundmaßen weitgehend dem Typ 43.
Gestalterische Freiheit ergab sich aber u.a. im Bereich der Aussenhaut, der Verglasung, Zierteilen, sowie Stossfängern.

Folgende Karosseriedetails standen dabei besonders im Focus einer aerodynamischen Optimierung

- der Fahrzeuggrundriss mit seinen Wölbungen und Straks
- der Fahrzeugbug mit seinen Parametern Staupunkthöhe, Neigung von Frontblech und Motorhaube, Pfeilung/Rundung
- die A-Säule (Rundung) und Neigung der Windschutzscheibe
- die C-Säule (Rundung/Neigung) und Heckscheibe (Neigung)
- das Heck mit den Parametern Kofferraumhöhe und - Länge, sowie Heckscheibenneigung
- der Unterboden (Rauhigkeit und Achsgeometrie), inkl. Bugspoiler

 

Formmerkmale:


Vorderwagen:

Die Gestaltung des Vorderwagens bestimmt wesentlich die Aufteilung des Luftstroms über und unter dem Fahrzeug.
Günstig ist hierbei eine Konstruktion, bei der möglichst wenig Luft an den Seiten vorbeigeleitet wird, um u.a. die Seitenwindstabilität nicht zu verschlechtern. Günstig ist ferner eine Vorderwagengestaltung, wo möglichst viel Luft über statt unter dem Fahrzeug vorbeigeleitet wird, da die Fahrzeugunterseite, bedingt durch die notwendige Kühlung von Auspuff, Ölwanne, Getriebe, sowie die Einbaulage von Auspuff, Tank und Achsen, eine strömungsoptimierte Gestaltung oft nicht zulässt.
Bei Serienfahrzeugen begrenzen zusätzlich Vorschriften und Funktionsanforderungen die Gestaltung von Bug, Bodenfreiheit und Unterboden.

Trotz dieser Einschränkungen, konnte dennoch beim Typ 44 eine deutliche Verbesserung in diesem Bereich erzielt werden.

Im Vergleich zum Vorgänger Typ 43 wurde am Vorderwagen der Bug stärker gepfeilt und gerundet, Grill und Scheinwerfer stärker geneigt, der Spoiler, bzw, das Frontblech weiter nach unten gezogen, wodurch sich eine tiefere Lage des Staupunkts ergab, und somit eine bessere Umströmung des Bugs und des Unterbodens. Die Höhe des Staupunkts hat ganz entscheidenden Einfluss auf die Aufteilung der Luftströmung über und unter dem Fahrzeug und damit auf die Gesamtaerodynamik. Desweiteren konnte durch diese Massnahme der Auftrieb an der Vorderachse deutlich reduziert werden, was sich in einem stabilerem Fahrverhalten niederschlägt.

C2-C3-Vorderwagen

Die Vorderwagen vom Audi 100 C2 und Audi 100 C3 im direkten Vergleich
Deutlich erkennbar ist die tiefer heruntergezogene Bugschürze beim Audi 100 C3, die sowohl für einen tieferen
Staupunkt, als auch für geringeren Auftrieb an der Vorderachse sorgt.

Im oberen Bereich des Vorderwagens besitzt der Typ 44 eine sanft ansteigende Motorhaube, welche vorne mit einer Gummi Dichtlippe auf dem Frontblech aufliegt, und im hinteren Bereich die Scheibenwischerarme verdeckt. Die Rundung der Motorhaube zur Abdeckung der Scheibenwischer sorgt darüberhinaus für einen sanften Übergang zur Frontscheibe, welche mit einer Neigung von 60,5° versehen ist und bündig mit der Karosserie verklebt ist. Durch die starke Neigung der Frontscheibe konnte der cw-Wert im Vergleich zum Vorgänger (Neigungswinkel 56°) um -0,01 verbessert werden.

 

Grundriss:

In der Draufsicht weist die Karosserie des Audi 100 C3 eine stark gewölbte Form mit deutlichen Einzügen an Bug und Heck auf.
Aus stilistischen Gründen verzichtete man jedoch auf eine allzu starke Auswölbung, verglichen mit dem Typ 43. Dennoch konnte durch diese Maßnahme der Cw Wert um etwa 0,01 verbessert werden.
Ferner wurden die A- und C-Säule sorgfältig optimiert und stärker gerundet, was den cw-Wert um jeweils 0,01 verbessert. Das aerodynamische Potential wurde damit bei den Säulen weitestgehend ausgeschöpft, ohne die Seitenwindstabilität zu beeinträchtigen.

Audi100-Grundriss

Der Audi 100 C3 in der Draufsicht
Deutlich erkennbar sind die Karosserieeinzüge an Bug und Heck, die Auswölbung der Flanken und die Pfeilung der
Front. Sie tragen ebenso zu einem geringen Luftwiderstand bei, wie die glattflächige Verglasung und die sorgsam gerundeten
Säulen an Front- und Heckscheibe.

 

Fahrgastzelle:

Die Fahrgastzelle besitzt einen großzügig geschnittenen Innenraum mit Platz für 5 Personen. Innenbreite und hinterer Knieraum wurden im Vergleich zum Vorgänger um jeweils rund 10cm vergrössert, die Innenhöhe (und damit die Kopffreiheit) geriet ebenfalls ein paar cm größer als beim Vorgänger. Die Karosserie ist seitlich zum Dach hin stark eingezogen und verfügt über bündig eingelassenen Seitenscheiben auf sogenannten halben Türrahmen. Betrug die Rezesstiefe der Scheiben beim Vorgänger noch rund 15mm, beträgt diese beim Typ 44 weniger als 5mm. Das Einstraken der Seitenscheiben bringt zwar nur eine relativ geringe Verbesserung des cw-Werts (cw -0,005 bis -0,010), sorgt aber optisch für eine glattflächige Aussenhaut. Die Entwicklung der Türrahmen mit den bündigen Seitenscheiben wurde seinerzeit besonders von Ferdinand Piéch - weniger von den Aerodynamikern - gefordert um eine progressive Optik zu verwirklichen. Zahlreiche Versuche waren erforderlich bis eine zufriedenstellende Konstruktion realisiert werden konnte. Ein weiterer Vorteil einer glatten Aussenhaut ist der niedrigere örtliche Schalldruck und damit ein gesteigerter Fahrkomfort durch geringere Windgeräusche.

Die Scheiben bestehen aus relativ dünnen Hartglas und laufen in Rahmen aus Leichtmetall, welche ihrerseits mit jeweils 4 Schrauben am Türaussenblech verschraubt sind. Im Falle von leichten Karosserieschäden lässt sich das Türblech also unabhängig vom Scheibenrahmen auswechseln, was einerseits für eine gute Reparaturfreundlichkeit sorgt, andererseits aber auch eine genaue Einstellung der Türteile zueinander und zur Karosserie bedingt, um eine saubere Abdichtung und Einbaulage zu erreichen. Die Türseitenscheiben werden in ihren Rahmen durch Edelstahl Gleitstücke geführt, welche auch ein Abheben der Scheiben bei hoher Geschwindigkeit, durch den dort herrschenden lokalen Unterdruck verhindern.

Auf den Türaussenseiten befinden sich kräftig dimensionierte Stossleisten aus Kunststoff, welche gegen Parkrempler gut schützen und ein Verschmutzen der höher liegenden Türhaut und Türgriff durch aufgewirbelten Staub und Spritzwasser weitgehend verhindern. Die Verschmutzung der Türoberseite und damit auch des Türgriffs ist ein grundsätzliches Problem bei aerodynamisch hochwertigen Fahrzeugen und konnte erstmals beim NSU RO 80 deutlich beobachtet werden.
Optional und länderspezifisch befinden sich unter den seitlichen Kunststoffleisten hochfeste Strangpressprofile (H-förmig im Querschnitt) aus Duraluminium, welche als Seitenaufprallschutz fungieren und direkt mit der Türaussenhaut verschraubt sind.

Den hinteren Abschluss der Fahrgastzelle bildet die um 64° geneigte Heckscheibe (57,5° beim Typ 43) und im Innern, die starre Trennwand hinter den Rücksitzen.

Heck:

Das Fahrzeugheck weist einen für die damalige Zeit ungewöhnlich hohen Kofferraum (mit Abrisskante) auf, der zunächst optisch gewöhnungsbedürftig erschien, gleichzeitig aber auch ein grosses Volumen von 570l nach VDA Norm bietet. Der Vorteil des großen Kofferraums wurde insbesondere vom Vertrieb ausdrücklich begrüsst und entsprechend vermarktet.
Höhe und Länge des Heckdeckels wurden ebenfalls nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet. In zahlreichen Versuchen wurde das Verhältnis von Höhe (+ 50mm zum Typ 43) und Länge (+ ca. 75mm) des Kofferraums, sowie der Heckscheibenneigung zueinander ermittelt bis ein gewisser Sättigungscharakter erkennbar wurde, der mit diesem Fahrzeug fast vollständig ausgenutzt wird.

Audi100-Heckscheibe

Das markante Heck des Audi 100 C3 mit seiner flachen Scheibe und den hohen Kofferraum
Die grosse Kofferraumlänge bietet auch aerodynamische Vorteile in Form eines geringeren Cw Wert.

Im Vergleich zum Typ 43 konnten bei der Heckgestaltung folgende Verbesserungen des Cw-Werts erzielt werden.

- Neigung Heckscheibe (64° statt 57,5°): Cw -0,02
- Höhe Kofferraum (+50mm): Cw -0,02
- Länge Kofferraum (+75mm): Cw -0,015

Den unteren Abschluss des Hecks bildet das als Spoiler ausgeführte Heckblech unter dem Stossfänger. Der hintere Stossfänger besteht aus einem GFK SMC Träger und einer PP Aussenhaut, die mit den hinteren Längsträgern im Kofferraumboden über 2 Halter aus Stahlblech verschraubt sind.
Im Kofferraumboden befindet sich auch die Reserveradwanne aus GFK SMC, welche kraftschlüssig mit dem Bodenblech verklebt ist. Zusammen mit dem unteren Heckabschlussblech stellt diese eine Art Diffusor dar, der die Luftströmung am hinteren Unterboden sauber hinter das Fahrzeug führt und einen Druckrückgewinn bewirkt.

 

Aerodynamische Konstruktionslösungen:


Bei der Entwicklung des Typs 44 kamen im Rahmen der Karosseriegestaltung auch eine Reihe von neuen Konstruktionslösungen zum Einsatz, die den Luftwiderstand zusätzlich verringern.

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die aerodynamisch wichtigsten Konstruktionsmerkmale und die damit erzielten Gewinne im Luftwiderstandsbeiwert.

 

Cw

  1. Frontspoiler

- 0,004

  2. optimierte Kühlluftführung

- 0,005

  3. Scheibenwischerabdeckung

- 0,001

  4 Aussenspiegelformgebung

- 0,005

  5. Windschutzscheibe flächenbündig

- 0,003

  6 Seitenscheiben flächenbündig

- 0,014

  7 Heckscheibe flächenbündig

- 0,003

  8. Radius der Abrisskante am Kofferraum

- 0,003

  9. Form des Heckabschlussblechs

- 0,002

10. Form und Anordnung von Tank, Achsen, Res. Rad Wanne

- 0,004

11. Schwellerprofil

- 0,003

12. Glatte Radkappen

- 0,005

13. Keine Regenleisten

- 0,003

Wie man anhand der Tabelle erkennt, bringen diese Maßnahmen einzeln für sich betrachtet zwar nur eine geringe Verbesserung des Cw Werts, doch ergeben sie zusammen addiert eine erhebliche Wirkung, wenn sie nicht aerodynamisch optimiert werden.
Insgesamt verringern all diese Einzelmassnahmen den Cw Wert um -0,055.

Desweiteren verbessert die gute Gesamtaerodynamik auch ganz erheblich den Geräuschkomfort - vor allem durch stark reduzierte Strömungs- und Windgeräusche. Hier sind insbesondere die flächenbündigen Seitenscheiben und die sorgfältige Abdichtung der Karosserie (inklusive der Kühlluftführung) im Frontbereich wichtige Details.

Zusammenfassend ergeben sich für den Audi 100 C3 folgende aerodynamische Werte:

 

Audi 100 C3

Audi 100 C2

Wiederstandsbeiwert Cw bei
0° Schiebewinkel
5° Schiebewinkel
15° Schiebewinkel
 


0.30
0,31
0,36


0,42
0,43
0,46

Fahrzeugquerschnitt A
Widerstandsfläche Cw x A
 

2,05m²
0,61m²

2,00m²
0,84m²

Auftriebsbeiwert vorn CAV
Auftriebsbeiwert hinten CAH
 

0,01
0,12

0,15
0,12

Windinduziertes Innengeräusch bei 110km/h
 

67dB (A)

69dB (A)

Schlussfolgerung:

Der Audi 100 C3 beweist eindrucksvoll daß die Aerodynamik wesentlich zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Verbesserung der Fahrleistungen, sowie des Fahrkomforts beiträgt. Das Ziel Cw Wert 0,30 wurde dabei mit Gestaltungsmerkmalen erzielt, die sich von früheren Modellen nicht wesentlich unterscheiden und keine exotisch anmutende Formgebung erfordern.
Die dabei erzielten Fortschritte und die wegweisende Formensprache des Audi 100 C3 fanden in der Folge nach und nach Einzug in das Automobildesign und gelten mittlerweile als anerkannter Standard.
Mit dem Audi 100 C3 bewies die Firma Audi Anfang der 80er Jahre einmal mehr ihre Kompetenz in Sachen Vorsprung durch Technik und schuf ein Fahrzeug, welches auch 20 Jahre später noch modern aussieht.

 


Teil 2. Leichtbau:

folgt..


Teil 3. Sicherheit:

folgt...


Teil 4. Korosionsschutz:

folgt...