Auf den ersten Blick ist klar, dass eine Dachbox mehr Luftwiderstand erzeugt als eine IXTAbox, die hinter dem Fahrzeug positioniert ist. Aber wie viel mehr? Welche Auswirkungen haben verschiedene Größen und Positionen der IXTAbox relativ zur Anhängerkupplung? Was kann getan werden, um den Luftwiderstand weiter zu minimieren?

Diese Fragen wurden gründlich von Marcus Sandberg in seiner Masterarbeit an der Chalmers Universität für Technologie in den Jahren 2021-22 untersucht. Seine Studie lieferte bahnbrechende, faktenbasierte Beweise für die Vorteile der IXTAbox gegenüber herkömmlichen Dachboxen.

Sandberg nutzte fortschrittliche Berechnungswerkzeuge, um die Leistung von zwei Dachboxen unterschiedlicher Größen und sechs IXTAbox-Modellen mit einer Breite von 150 bis 190 cm zu simulieren. Alle Simulationen wurden bei einer Geschwindigkeit von 90 km/h durchgeführt. Die in dieser Studie verwendeten Werkzeuge für die numerische Strömungsmechanik (CFD) sind dieselben, die von Auto-, Boots- und Flugzeugdesignern verwendet werden. Jede Simulation benötigte zwischen 12-24 Stunden, um auf den leistungsstarken Computern von Chalmers abgeschlossen zu werden.

 

Kurz gesagt, der Luftwiderstand oder Windwiderstand ist die Kraft, die in entgegengesetzter Richtung zur Bewegung eines Objekts wirkt. Wenn sich ein Objekt durch ein Medium, wie z.B. Luft, bewegt, entsteht ein Luftwiderstand, der je nach Form des Objekts größer oder kleiner sein kann.

Der spezifische Luftwiderstandsbeiwert eines Objekts wird als Luftwiderstandskoeffizient Cd bezeichnet. Wird dieser mit der projizierten Fläche des durch das Medium bewegenden Objekts Ap multipliziert, kann die totale Widerstandskraft Fd berechnet werden. Dies ist die Kraft, die das Fahrzeug in die entgegengesetzte Richtung drückt. Diese entsteht durch den Druckunterschied, den das Objekt beim Bewegen durch das Medium erzeugt, ähnlich wie beim Flügel eines Flugzeugs, der aufgrund des niedrigeren Drucks über dem Flügel einen Auftrieb erzeugt. Bei einem Auto wird dieser niedrigere Druck typischerweise hinter dem Fahrzeug erzeugt, wo ein Nachlauf entsteht und die Luft fast null Geschwindigkeit erreicht, wie in Bild 1 gezeigt.

 

Die Simulationen wurden mit einem digitalen Referenzmodell namens DrivAer Notchback durchgeführt, das einen Cd von 0,254 hat und konzeptionell eine Mischung aus einem Audi, BMW, Mercedes, Volvo Limousinenfahrzeug ist.
Mit der projizierten Fläche Ap dieses Referenzfahrzeugs von 2,106m2 beträgt die erzeugte Gesamtwiderstandskraft Fd 0,536. Computergestützt mit CFD für die beiden Dachboxen und die sechs Varianten der IXTAboxen wurden folgende Ergebnisse erzielt.

Nach Abschluss der Masterarbeit haben wir einen Diffusorflügel zu allen IXTAbox-Modellen hinzugefügt, was zu einer weiteren Verbesserung der Aerodynamik führte. Wir haben keine formalen Statistiken, jedoch wird der geschätzte Effekt auf -2% bis -4% verbessert.

Modell	Cd	Fläche (m2)	CdA = Fd	% Diff
DrivAer Allein	0.254	2.106	0.536	0%
Stromlinienförmige Dachbox	0.307	2.407	0.740	38%
Volumen-Dachbox	0.310	2.472	0.769	43%
150-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.554	3%
150-60 IXTAbox	0.281	2.106	0.592	10%
170-40 IXTAbox	0.263	2.106	0.555	4%
170-60 IXTAbox	0.281	2.108	0.596	11%
190-40 IXTAbox	0.282	2.152	0.603	13%
190-60 IXTAbox	0.283	2.183	0.618	15%

 

Beide Dachboxen erhöhen naturgemäß die projizierte Fläche (um 0,301-0,366m2), während nur die Hälfte der IXTAbox-Modelle eine Erhöhung wahrnimmt (um 0,002-0,077m2). Zudem hat der höhere Luftwiderstandskoeffizient Cd einen negativen Effekt auf die Dachboxen, da der Cd nur leicht für die IXTAbox-Modelle gestiegen ist.
Die Ergebnisse zeigen, dass die gesamte erzeugte Luftwiderstandskraft mit jeder Variante der IXTAbox nur um 3% bis maximal 15% steigen wird, während die Dachboxen einen zusätzlichen Luftwiderstand von 38% bis 43% erzeugen. Damit verbessert die IXTAbox die aerodynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs im Vergleich zu einer Dachbox um durchschnittlich 300%.

Der Einfluss des Luftwiderstandsunterschieds ist in den folgenden Vergleichsbildern gut dargestellt, in denen Sie die Größe des durch beide Boxen erzeugten Nachlaufs sowie die Niederdruckzonen und die Windgeschwindigkeit hinter dem Fahrzeug sehen können.

 

 

*Bild 2.2* Die IXTAbox nimmt einen Teil des Nachlaufs ein und optimiert so das aerodynamische Profil.

Diese Studie zeigte, dass die vertikale Position der IXTAbox ebenfalls Einfluss auf den Windwiderstand haben kann. Eine IXTAbox wird vorzugsweise auf gleicher Höhe oder höher als die untere Fläche des Autos positioniert. In Fällen, in denen die IXTAbox niedriger positioniert wird, kann der Wind zwischen Auto und Box fließen, was den Luftwiderstand bis zu einem gewissen Grad erhöht (Bild 4). Unter bestimmten Bedingungen kann eine IXTAbox jedoch eine geringere Luftwiderstandskraft erzeugen als das Fahrzeug allein.

 

*Bild 3.* Optimal positionierte IXTAbox 190x60. Selbst große IXTAboxen können optimal positioniert werden.

*Bild 4. Zu tief positionierte IXTAbox 190x40 zeigt, wie Luft zwischen Auto und Box strömt und somit den Luftwiderstand erheblich erhöht*

 

Dies ist möglich, da eine IXTAbox einen Großteil des natürlichen Nachlaufs des Autos ersetzen kann und somit die Gesamtform des Fahrzeugs und der Box verändert. Wie in den Bildern 2 und 3 zu sehen ist, stellt die Form der Box eine „natürliche“ Verlängerung der abfallenden Form des Autos dar und verbessert so die aerodynamische Gesamtform. Wenn eine Box eine minimale projizierte Fläche hinzufügt und gut positioniert ist, um den Luftstrom zwischen Auto und Box zu minimieren, können interessante Ergebnisse erzielt werden. In Simulationen, in denen ein Diffusor vom Boden der IXTAbox in Richtung des Autos verlängert wird, wodurch der Luftstrom zwischen Auto und Box verhindert wird, ist der Luftwiderstand etwa 5% niedriger als nur mit dem Fahrzeug. Dieses Szenario eröffnet die Möglichkeit, eine IXTAbox zu verwenden, um den Luftwiderstand zu verringern und somit weiter zu fahren.

Luftwiderstand hat einen spürbaren Einfluss auf die Reichweite und den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen, insbesondere bei Elektroautos und solchen mit schwächeren Motoren. Der Effekt des Widerstands variiert je nach Fahrzeuggröße und Motorleistung.

Ein kleines Auto mit einem schwachen Motor und einer großen Dachbox könnte beispielsweise einen Kraftstoffverbrauch um mehr als 50 % erhöhen, da die Kombination aus größerer Stirnfläche und schlechterer Aerodynamik mehr Leistung zum Vorwärtskommen erfordert.

Im Gegensatz dazu wird ein größerer SUV mit einem stärkeren Motor und schlechter Aerodynamik einen geringeren Anstieg des Kraftstoffverbrauchs verzeichnen, wahrscheinlich etwa 5–10 %. Allerdings ist der Grundkraftstoffverbrauch des SUVs höher.

Studien legen nahe, dass die Nutzung einer Dachbox bei einem Auto normaler Größe den Kraftstoffverbrauch um 10-30 % erhöhen kann. Dagegen kann die Nutzung einer IXTAbox den Verbrauch je nach Modell und Fahrzeugkombination nur um 2-10 % erhöhen.

Nach über 50.000 gefahrenen Kilometern mit einem Tesla X und mehreren IXTAboxen schätze ich, dass der zusätzliche Kraftstoffverbrauch zwischen 3-5 % liegt. Auch die Geschwindigkeit beeinflusst den Kraftstoffverbrauch; bei 50-100 km/h ist der Anstieg stetig, während höhere Geschwindigkeiten zu einem stärkeren Anstieg führen können.

Mit der zunehmenden Beliebtheit von Elektrofahrzeugen konzentrieren sich die Automobilhersteller auf die Verbesserung der Aerodynamik, um den Energieverbrauch zu senken. Kleinere Autos bieten zwar in überfüllten Städten leichter Parkplätze, haben jedoch in der Regel weniger Platz. IXTAbox bietet eine praktische Lösung, die es Besitzern kleinerer Autos ermöglicht, Ausrüstung zu transportieren, ohne die Reichweite oder den Kraftstoffverbrauch zu beeinträchtigen.

Mit der steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen wächst auch der Bedarf an besserer Aerodynamik, um die Reichweite zu erhalten oder sogar zu erhöhen. IXTAbox bietet eine innovative Möglichkeit, zusätzliches Gepäck zu transportieren, ohne die Kraftstoffeffizienz oder Reichweite zu beeinträchtigen, und erfüllt damit die Bedürfnisse moderner Fahrer, die sowohl Funktionalität als auch Nachhaltigkeit priorisieren.