1       Grundlagen

1.1          Der Begriff Stromlinie

Eine Stromlinie ist „eine Linie, deren Tangenten an jedem Punkt einer Strömung parallel zur augenblicklichen Geschwindigkeit verlaufen. Im Gegensatz zur Trajektorie liegt hierbei eine Momentaufnahme der Strömungsverhältnisse vor.“[1]  Der Begriff Stromlinie kommt aus der Strömungslehre. Ein Ziel dieser Wissenschaft ist es, Formen zu entwickeln, die den Weg dieses Fluidelementes möglichst günstig beschreiben. Dabei werden die Faktoren Druck und Strömungsgeschwindigkeit untersucht. Mit Hilfe der Stromfadentheorie, eine Zusammenfassung von Bernoulli-Gleichung (Impulserhaltung) und Kontinuitätsgleichung erhält man eine Möglichkeit zur einfachen Behandlung vieler Strömungsprobleme. [2]

1.2          Anwendung in der Technik

Grosse Bedeutung der Stromfadentheorie kam der Entwicklung von Flügelprofilen bei. Mit ihr erkannte man, dass ein gewölbtes Profil einen besseren Auftrieb bietet als eine angestellte Platte. Erst diese Erkenntnis ermöglichte den Bau von Flugzeugen. Die spezielle Form eines Flügels, runde Vorderkante und scharf zulaufende Hinterkante, erwies sich als günstigste Form. Um eine Form bezüglich ihres Strömungsverhaltens beurteilen zu können, muss man die Strömungsbeiwerte für Auftrieb c_a und Widerstand c_w betrachten. Allerdings kann aus diesen Werten nur mit Zusatzinformationen  auf den tatsächlichen Auftrieb bzw. Widerstand geschlossen werden. Um einen geringen Luftwiderstand zu erreichen, also ein möglichst kleinen c_w Wert, ist es nötig, die Strömung der Luft möglichst ohne große Wegrichtungsänderungen um das Objekt zu führen.

2       Anwendung im Automobilbau

2.1          Die Anfänge

Erste Ansätze von Fahrzeugen mit einer strömungsgünstigen Karosserie in Deutschland kann man auf den Zeitraum vor dem ersten Weltkrieg zurückführen. Hiermit waren allerdings Karosserien gemeint, bei denen nur das Heck in einer eiförmigen oder spitzen

Abbildung 1 Blitzen-Benz von 1911 Quelle: http://www.hartlana.co.uk/bsarchive/im027.htm

Form endete. Die Front der Fahrzeuge war noch nicht von solchen Maßnahmen betroffen.

Heute denkt man bei dem Begriff Stromlinie hauptsächlich an Fahrzeuge, die entweder auf hohe Geschwindigkeit oder sehr niedrigen Verbrauch ausgelegt sind. In den Anfängen konnte von solchen Zielen allerdings noch nicht die Rede sein. Die Strassen damals waren noch nicht die asphaltierten Pisten, die wir heute kennen; sie waren noch nicht einmal von der Qualität, mit welcher im dritten Reich die Autobahnen gebaut wurden. Hauptsächlich handelte es sich ungepflasterte Wege. Ein solcher Untergrund ließ natürlich noch keine besonders hohen Geschwindigkeiten zu. Die damalige Gesetzgebung tat ihr übriges. In vielen Orten wurden rigorose Geschwindigkeits-beschränkungen erlassen. Der Einfluss des Luftwiderstandes auf die Fahrwiderstände nimmt aber erst bei höherem Tempo die entscheidende Rolle ein. Da das Automobil mehr ein Spielzeug für gut betuchte Herren war und nicht das Fortbewegungsmittel, welches es heute darstellt, kam dem Bezinverbrauch auch keine Bedeutung bei. Der Grund, warum strömungsgünstige Karosserieformen dennoch entwickelt wurden, war die Staubentwicklung, die beim Befahren der damaligen Verkehrswege entstand. Man hatte erkannt, dass sich bei einer ungünstigen Karosserieform starke Turbulenzen am Fahrzeugheck bildeten, die dann den Staub aufwirbelten. Analog zur Entwicklung strömungsgünstiger Flügelprofile kam man auf die Idee, diese Entwicklung auf den Automobilbau zu übertragen. Eines der ersten Fahrzeuge war dann der Blitzen-Benz von 1911 (Abbildung 1). Dieser war allerdings als Rekordfahrzeug konzipiert und konnte eine Geschwindigkeit von über 200 km/h [3]) erreichen. Andere Wagen wurden auf  NSU-, Hansa- oder Opel-Chassis aufgebaut. Zum Beispiel der Opel Lochner (Abb. 2).  [4]

Abbildung 2 Opel Lochner "Opel-Ei" 1921 Quelle Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 124, Kohlhammer, 1982

2.2          Konsequente Stromlinie

Mit der Weiterentwicklung der Idee der Stromlinie kam auch immer mehr der Rest des Fahrzeuges in Betracht. Eine besonders strömungsgünstige Form war die, zu der Zeit sehr populäre, Form der Zeppeline. Ein Entwurf von Bergmann zeigt die Transformation auf den Automobilbau deutlich in Abbildung 3. Die nächsten in der Reihenfolge zu betrachtenden Konstrukteure kamen aus den Reihen der Flugzeugbauer. Dem Flugzeugkonstrukteur Rumpler war es durch den Versailler Vertrag nicht mehr gestattet, Flugzeuge zu bauen. Er sattelte auf Automobile um. 1906 hat er bereits ein Konstruktionsbüro in Berlin gegründet. Vorher hat er Erfahrungen  im Automobilbau in Nesselsdorf, bei der Motorfahrzeugfabrik Marienfelde sowie bei Adler und Spyker in Holland sammeln können.

Abbildung 3 Bergmann-Entwurf 1911 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 10, Kohlhammer, 1982

1919 folgte dann sein erstes Patent zum berühmten Rumpler Tropfenwagen. Auf der Berliner Automobilausstellung konnte er dann sein erstes Fahrzeug vorstellen. Dieses war konsequent auf  Stromlinienform ausgelegt und hatte einen sensationellen c_w – Wert von nur 0,28[5]. Erreicht hat Rumpler dies durch Verwendung von Flügelprofilen und Vermeidung eines offenen Unterbodens. Erstmals kamen beim Automobilbau gerundete

Abbildung 4 Anzeige aus dem Jahr 1922 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 138, Kohlhammer, 1982

Scheiben zum Einsatz. Die Räder waren durch Scheiben abgedeckt. Angetrieben wurde der Wagen durch einen Fächermotor, drei Blöcke à 2 Zylinder, mit 2,5 Litern Hubraum von Siemens. Dieser leistete 36 PS und beschleunigte das Fahrzeug auf stolze 110 km/h. Ein Facelift 1924 brachte eine Verbreiterung der Karosserie und eine Verlängerung der Fahrgastzelle bis zum

Abbildung 5 Rumpler Tropfenwagen 1921-24 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 137, Kohlhammer, 1982)

Heck, sowie den Austausch des Fächermotors gegen einen 50 PS 4-Zylinder Reihenmotor. Auch ein offener Tourenwagen wurde gebaut. 1925 kam das Aus für Rumpler, seine Fahrzeuge fanden leider keine Abnehmer.  [6]

Ein weiterer Pionier auf dem Gebiet der Stromlinienfahrzeuge war der Österreicher Paul Jaray. Er übertrug ebenfalls sein Wissen aus dem Luftschiffbau auf die Konstruktion von

Abbildung 6 NSU Buhne Wagen nach Jaray Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 86, Kohlhammer, 1982)

Karosserien. Seine Arbeit lieferte zusätzlich noch wichtige Grundlagen zum Thema Automobilaerodynamik, also nicht nur die Minimierung des Luftkraftwiderstandes, sondern auch  grundlegende Kenntnisse zum Thema Heizung, Lüftung und Richtungsstabilisierung. Er erkannte allerdings nicht, ähnlich wie Rumpler die Wichtigkeit von Automobildesign. Seine Fahrzeuge waren, wie die von Rumpler, konsequent auf Stromlinie ausgelegt. Bis 1935 dienten seine Patente kaum einem Serienwagen als Konstruktionsgrundlage. Bis in die fünfziger Jahre fanden sie noch Beachtung für den Sport- und Rennwagenbau. Die Karosseriefabrik Buhne in Berlin baute 1934 auf einem „Ballila“ – Chassi von NSU-FIAT einen Aufbau nach Jaray (Abb. 6). Allerdings waren hier Scheinwerfer und Räder nicht nach Jarays aerodynamischen Prinzipien verbaut. [7]

 

2.3          Stromlinie im dritten Reich

Zunächst soll hier auf die Entstehung der für den Schnellverkehr wichtigen Autobahnen eingegangen werden. Die Idee der Autobahn ist nicht erst im Dritten Reich entstanden, sondern viel früher. 1909 wurde die AVUS (Automobil  Verkehrs und Übungsstrasse) geplant, 1912 begannen die Arbeiten und 1921 wurde sie dann eingeweiht.  1924 eröffnete man die Strecke Mailand – oberitalienische Seen. In Deutschland wurde 1926 die HAFRABA gegründet, die an einer Realisierung der Autobahn Hamburg – Frankfurt – Basel arbeitete. Von dieser Gesellschaft wurde dann auch 1929 der Name Autobahn eingeführt. Allerdings scheiterte der Bau dieser und anderer Strecken an der Gesetzeslage der Weimarer Republik. Der tatsächliche Bau der Autobahnen geschah dann mit Beginn des Dritten Reiches. Im Dezember 1932 wurde von Fritz Todt der Abschluss des Baus der 20 km langen Kraftwagenstrasse von Köln nach Bonn der Partei vorgelegt. 1933 übertrug Hitler Fritz Todt dann die Generalinspektion für das deutsche Strassenwesen. Todt machte dann die Autobahnen zu „Strassen des Führers“. Was die Bedeutung der Autobahnen angeht, so gibt es verschiedene Meinungen: Es wird häufig von Arbeitsbeschaffungsmassnahmen geredet, allerdings  schuf der Bau der Autobahn nur etwa 130.000 Arbeitsplätze, die auch nur im begrenzten Maße den 1,6 Millionen (1936) Arbeitslosen zu gute kamen. Als nächstes ist die Idee der Motorisierung Deutschlands zu nennen. Es gab zwar Versuche die Konjunktur über die KfZ-Industrie zu beleben, allerdings spielten die Autobahnen dabei eine geringe Rolle. Zu der Zeit waren allenfalls sehr teure Personenwagen, aber fast gar keine LKW, der Dauerbelastung gewachsen, die Autobahnen rentabel gemacht hätten. Auch zum Thema Kriegsvorbereitung lässt sich sagen, dass Autobahnen nicht nötig gewesen wären. Die damaligen Autobahnen querten die Reichsgrenze nur an zwei Stellen, Aachen und Beuthen. Dem militärischen Ziel der Tarnung konnten sie auch nicht entsprechen und schließlich wurde ihr Bau wegen anderen Rüstungsvorhaben reduziert und letztendlich vollkommen eingestellt.  Es kann also nur von einer Propagandaidee ausgegangen werden, die den Deutschen zeigen sollte, dass die Reichsführung etwas für den Fortschritt und die Bekämpfung der Arbeitslosigkeit täte.  [8]

Abbildung 7 Stromlinien-Typentafel von Jaray 1935 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 11, Kohlhammer, 1982

Der Bau der Autobahnen im dritten Reich, das Staatsinteresse am Schnellverkehr und die vom Staat propagierte Idee eines Massenautomobils in Stromlinienform zog eine wahren Boom der Automobilproduktion nach sich. Die noch gültigen Patente Jarays machten es nötig, dass die Industrie 1935 begann, Lizenzen auf seine Ideen zu kaufen. In der Stromlinien-Typentafel von Jaray (Abb. 7) kann man sehen, wie damals Karosserien nach einer Art Baukastenprinzip entstanden. Diese nutzte z.B. auch ADLER, um verschiedene Rekordwagen zu bauen. Auf der IAA in Berlin 1936 stellten sie dann ihren REICHS-AUTOBAHN-WAGEN vor. Sie wurden mit 1,5 l  und 1,7 l Sportwagen auch in kleiner Stückzahl an Privatkunden verkauft, aber ihre primäre Bestimmung war es, an Sportwagenrennen wie Le Mans teilzunehmen. Nach diesem Wagen kamen noch ein paar andere aus dem Adler Werk, so z.B. der Typ 10 mit 2,5 l Sechszylinder als viertürige Stromlinien-Limousine, der Typ 50 („Autobahnadler“), sowie zwei Cabriolets und eine Sportlimousine mit 80 PS und einer Höchstgeschwindigkeit von 150 km/h . Weitere Stromlinienaufbauten wurden von allen deutschen Automobilherstellern hergestellt. Hier kamen in den meisten Fällen Konstruktionen nach Jaray zum Einsatz. Aus Berlin sind hier vor allem die Firma Erdmann & Rossi zu nennen, die auf Chassis von Maybach oder Daimler-Benz Karosserien aufbauten. Andere waren der Karosseriebauer Buhne und Ambi-Budd. Es entstanden Prototypen in Stromlinienform und es wurden viele Patente zum Thema angemeldet, aber eine Massenfertigung gab es nicht. So wurden Elemente der Stromlinie bei Karosseriebauern zwar verwendet, deren Gestaltung unterlagen allerdings dem Geschmack der Kunden, die keinesfalls eine strickte Auslegung nach Jaray akzeptiert hätten. Ihnen kam es eher auf die Mode an, als auf einen niedrigen c_w-Wert. Der Begriff der Stromlinie war aber modern und so wurden einige Autos als Stromlinienwagen verkauft, ohne tatsächlich der Stromlinie bis ins Detail zu entsprechen. [9]

2.4          KdF – Wagen

1934 schlug ein Dr. Ing. Porsche dem Reichsverkehrsministerium den Bau eines preisgünstigen Massenautomobils vor. Hitler hatte diese Idee auch schon vorher in

Abbildung 8 Porsche Typ 60 K 10 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 133, Kohlhammer, 1982

verschiedenen Reden angesprochen. Am 22.6.1934 wurde dann ein Vertrag zwischen dem Reichsverband der deutschen Automobilindustrie (RDA) und dem Büro Porsche geschlossen, welcher einen Verkaufspreis von 990 RM auf einer Basis von 50.000 Einheiten vorsah. Bis 1938 sollte die Produktion beginnen. Die ersten Prototypen der Serien V1 und V3  wurden 1934 und 1935 geliefert. Für die Fertigung wurde ein eigenes Werk in der Nähe von Wolfsburg gebaut. Die Deutschen wurden zum Sparen animiert, um sich irgendwann einen solchen Wagen leisten zu können. Allerdings wurde schon  1934 festgestellt, dass das Fahrzeug auch mit drei Mann und einem Maschinengewehr beladen werden konnte. 1938 wurde ein Wagen der Vorserie VW 30 im Windkanal der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt e. V. (DVL) in Berlin-Adlershof untersucht

Abbildung 9 1936 zwei KdF Prototypen links: V3 rechts: V1 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 130, Kohlhammer, 1982

und ergab einen c_w-Wert von 0,4. Für die endgültige Serie Typ 60 soll dann der Wert auf 0,385 gesunken sein.  Im dritten Reich ging dieser Wagen nie in Serie. Im Volkswagen-Werk wurden von Beginn an Militärfahrzeuge (VW-Kübel) gebaut, deren Karosserie bei Ambi-Budd in Berlin gefertigt wurden. Porsche entwarf u. a. zu Werbezwecken noch einen aerodynamisch verbesserten KdF-Wagen, der die Bezeichnung Typ 60 K 10 trug. Einer der drei gebauten Wagen überstand den Krieg und diente Porsche als Konstruktionsgrundlage für den Porsche 356. [10]

2.5          Ohne Schwanz (Halbstromlinie)

Seit 1935 wurde die Forschung zum Thema Stromlinienfahrzeuge staatlich gefördert. Ein eigens gegründeter „Reichsforschungsrat“ vergab die benötigten Mittel.  Es stellte sich heraus, dass die Jaray –Formen nicht das Optimum darstellten. Zwar war die Idee Jaray´s

Abbildung 10 Everling Wagen Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 52, Kohlhammer, 1982

richtig, die Form der Karosserie der eines Flügelprofils anzugleichen, jedoch gerieten die Proportionen auseinander, so dass die Fahrzeuge für ihre Höhe einfach zu kurz waren. Prof. Emil August Everling, Dozent an der Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg propagierte eine neue Form, die des  „abgeschnittenen Hecks“. Ebenfalls Anspruch auf diese Entdeckung  erhoben Freiherr Koenig-Fachsenfeld  und der Leiter FKFS (Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen Stuttgart)

Abbildung 11 1938 Kamm K-1 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 76, Kohlhammer, 1982

Wunibald Kamm. Kamm hatte bereits 1933 in seinen Vorlesungen auf einen strömungsgünstigen Kraftwagen mit Heckspiegel hingewiesen, allerdings ohne eine Patentierung anzustreben. Die Idee war hierbei, die Strömung weitgehend über das Dach zu führen, um nach einem kleinen Einzug dann das Heck abzuschneiden. Diese neue Form wurde unter dem Begriff „K“-Form bekannt. Everlings E-Wagen wurde 1938 fertig. Zuvor hatte er für Erdmann & Rossi einen Autobahnmesswagen aerodynamisch verbessert. Der E-Wagen, bei Voll & Ruhrbeck in Berlin gebaut, wies einen c_w-Wert von 0,31[11] auf und erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h. Anschließend wurde das Fahrzeug weiter optimiert, bevor es dann schließlich 1945 in Richtung Osten verschwand. Eine weitere Messung fand nicht statt.  Das FKFS baute unter der Leitung von Prof. Kamm auf einem BMW Vorserien-Chassis Typ 335 ebenfalls einen Wagen mit abgeschnittenen Heck. Der „K-1“ hatte einen glatten Unterboden und voll verkleidete Räder. Die Fenster waren bündig mit der Außenhaut. Außerdem verfügte das Fahrzeug über einige andere technische Rafinessen, wie veränderliche Gemischregelung und einen während der Fahrt veränderbaren Reifenluftdruck. Bei Versuchsfahrten 1938/39 erzielte man dann folgende Verbrauchswerte: 7,6 l pro 100 km bei 100 km/h Konstantfahrt, 10 l bei 100 km/h Durchschnitt und 12 l bei 140 km/h Durchschnitt. Der c_w-Wert lag bei 0,23. In der folgenden Zeit entstanden dann noch weitere Prototypen. Für Adler wurde ein Fahrzeug mit „K“-Form entwickelt, jedoch entschied sich Adler für die wesentlich populärere „J“-Form[12] für den 2,5 l Autobahnadler.  [13]

2.6          Vollstromlinie Schlör / AVA

In der Aerodynamischen Versuchs-Anstalt  Göttingen e.V. wollte Schlör nicht von der Form eines Tragflügels abgehen und baute einen Prototypen in Vollstromlinienform. Um das Fahrzeug nicht zu lang werden zu lassen, musste man sich in der Höhe einschränken. Das Ergebnis war ein Fahrzeug mit nur 1475 mm Höhe bei einem Radstand von 2600 mm.  Der  c_w-Wert betrug beachtliche 0,189[14]. Er erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von 132 bzw. 146 km/h bergab bei einer Leistung von 38 PS. Nach dem Krieg wurde der Wagen von den Briten beschlagnahmt und gilt seit dem als verschollen.

3       Stromlinie nach 1945

 Die Erkenntnisse von Jaray, Kamm, Everling finden bis heute Beachtung in der Automobilindustrie.  Allerdings trifft dies nicht auf die Zeit direkt nach 1945 zu. Die Folgen des Krieges bewirkten, dass die Lehren der Automobilaerodynamik erst einmal in Vergessenheit gerieten. Typische Jaray-Formen findet man im Sportwagenbau der 50er Jahre wieder. Hier war vor allem wichtig, über die Aerodynamik besondere Fahrleistungen zu erzielen. Außerdem war die Stromlinie als Designelement wieder gefragt. Typische Vertreter sind der Mercedes Benz 300  SL und Porsche 356.

Heutzutage ist die Aerodynamik eines Wagens einer der wichtigsten Punkte bei der Konstruktion. Lassen sich doch günstige Verbrauchswerte und gute Fahrleistungen nur über einen optimalen c_w-Wert realisieren. Eine markante Formgebung nach Kamm lässt sich zum Beispiel am aktuellen Audi A2 beobachten.

 

Abbildung 12 Porsche 356 Quelle:

 http://leo.worldonline.es/jaumepor/espanyol/porsches/356/356carr1_5es.htm

Abbildung 13 Mecedes 300 SL Quelle: http://formen.ign.com/news/22771.html

 

Abbildung 14 Audi A2 Quelle: http://www.audi.com/de/de/neuwagen/a2/a2/a2.jsp

 

@ Copyright 2004 www.fachreporte.de - (Autor: P. Isermann - 03/2004)

 

 

Quellen:

http://www.mercedes-benz.com/e/about/mbspecial/glossar/kap_inhalte_sub5_01.html

Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland, Kohlhammer, 1982

http://iasl.uni-muenchen.de/register/schuetz.htm

http://www.waffenhq.de/panzer/kuebelwagen.html

http://leo.worldonline.es/jaumepor/espanyol/porsches/356/356carr1_5es.htm

http://formen.ign.com/news/22771.html

http://www.audi.com/de/de/neuwagen/a2/a2/a2.jsp

 

Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1 Blitzen-Benz von 1911 Quelle: http://www.hartlana.co.uk/bsarchive/im027.htm.. 1

Abbildung 2 Opel Lochner "Opel-Ei" 1921 Quelle Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 124, Kohlhammer, 1982. 2

Abbildung 3 Bergmann-Entwurf 1911 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 10, Kohlhammer, 1982. 3

Abbildung 5 Anzeige aus dem Jahr 1922 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 138, Kohlhammer, 1982. 3

Abbildung 4 Rumpler Tropfenwagen 1921-24 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 137, Kohlhammer, 1982) 3

Abbildung 6 NSU Buhne Wagen nach Jaray Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 86, Kohlhammer, 1982) 4

Abbildung 7 Stromlinien-Typentafel von Jaray 1935 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 11, Kohlhammer, 1982. 5

Abbildung 8 Porsche Typ 60 K 10 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 133, Kohlhammer, 1982. 6

Abbildung 9 1936 zwei KdF Prototypen links: V3 rechts: V1 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 130, Kohlhammer, 1982. 6

Abbildung 10 Everling Wagen Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 52, Kohlhammer, 1982. 7

Abbildung 11 1938 Kamm K-1 Quelle: Ralf J.F. Kieselbach, Stromlinienautos in Deutschland S. 76, Kohlhammer, 1982. 7

Abbildung 12 Porsche 356 Quelle: 8

Abbildung 13 Mecedes 300 SL Quelle: http://formen.ign.com/news/22771.html 9

Abbildung 14 Audi A2 Quelle: http://www.audi.com/de/de/neuwagen/a2/a2/a2.jsp. 9