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Messungen der Typen 300 SL (W 194) und 300 SL (W 198 I) sowie zum Vergleich der Typ 300 S (W 188)
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Die Ergebnisse der beiden SL liegen unerwartet nahe beieinander
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Der Mercedes-Benz 300 S hat einen deutlich besseren Luftwiderstandsbeiwert als erwartet
Neue Autos sind ständige Probanden im Windkanal. Dort werden Untersuchungen durchgeführt, um die Fahrzeuge auf verschiedene Weise zu optimieren – für einen geringen Treibstoffverbrauch beispielsweise, aber auch für Windgeräusche oder Spritzwasserumströmungen.
Historische Automobile hingegen sind seltene Gäste dort. Denn ihre Entwicklung ist lange abgeschlossen. Doch nicht in allen Fällen sind für sie Windkanal-Messwerte verfügbar oder diese sind mit heutigen Untersuchungen nicht vergleichbar. Aus historischem Interesse hat Mercedes-Benz Classic deshalb im Januar 2012 zwei SL-Baureihen im unternehmenseigenen Windkanal auf dem Werksgelände in Stuttgart-Untertürkheim mit modernen Messmethoden untersuchen lassen – den ersten SL (Baureihe W 194) aus dem Jahr 1952 sowie den 1954 präsentierten Seriensportwagen 300 SL (W 198 I). Um insbesondere zum ersten SL ein zeitgenössisches Vergleichsfahrzeug zu haben, wurde zudem ein Mercedes-Benz 300 S (W 188) aus dem Jahr 1951 untersucht, ein sportlich-luxuriöser Reisewagen. Dieser spendiert dem ersten Nachkriegssportwagen von Mercedes-Benz Teile seiner Technik.
Die wichtigsten Ergebnisse: Der Rennsportwagen 300 SL (W 194) hat einen Luftwiderstandsbeiwert von cW = 0,376. Damit liegt er um rund 20 Prozent und damit sehr deutlich besser als das zeitgenössische Vergleichsfahrzeug, der Typ 300 S (W 188), für den sich der Wert cW = 0,462 ergibt. Dieses Resultat unterstreicht die Bemühungen der damaligen Konstrukteure und Designer für einen geringen Luftwiderstand des Rennsportwagens als eine wichtige Voraussetzung für dessen Rennerfolge – die der Wagen im Verlauf der Saison 1952 bei diversen internationalen Motorsportveranstaltungen dann ja auch holt, beispielsweise in Le Mans oder bei der Carrera Panamericana Mexiko. Für den Seriensportwagen 300 SL (W 198 I) wird im Windkanal der Wert cW = 0,389 ermittelt.
Der Windkanal in Stuttgart-Untertürkheim ist selbst schon historisch: Schließlich geht er zurück auf die 1930er-Jahre und das legendäre FKFS-Institut (Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart) des für die Aerodynamik nicht weniger bedeutenden Stuttgarter Professors Wunibald Kamm. Konzipiert ist er nach sogenannter Göttinger Bauart mit dreiviertel offener Messstrecke. Mitte der 1970er-Jahre übernimmt die damalige Daimler-Benz AG den Windkanal. Heute ist er eine von mehreren Messeinrichtungen dieser Art des Konzerns.
Ein spannendes Mess-Szenario
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Drei historische Fahrzeuge im historischen Windkanal
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Die Ergebnisse der beiden 300 SL (Baureihen W 194 und W 198 I) liegen etwa gleichauf
Der Morgen des 23. Januar 2012: Die drei Fahrzeuge stehen bereit. Die zu ihren Arbeitsplätzen eilenden Mitarbeiter des Mercedes-Benz Werks Untertürkheim ahnen nichts vom emsigen Betrieb hinter den Mauern des Windkanals. Acht Stunden wird der 5 Megawatt starke Elektromotor die Luftschaufeln der Turbine antreiben, um 9.000 Kubikmeter Luftvolumen in Bewegung zu setzen.
Ziel ist festzustellen, in welcher Relation Flächen- und Luftwiderstandswerte der drei Probanden zueinander stehen – sie sind technisch eng miteinander verwandt: Der W 194 basiert antriebstechnisch zu Teilen auf dem W 188 und der W 198 auf dem W 194.
Die drei Fahrzeuge werden aus Gründen der unmittelbaren Vergleichbarkeit ohne Unterbodenverkleidungen gemessen. Ohnehin werden die drei Klassiker heutzutage im Straßenverkehr meist ohne Unterbodenverkleidung bewegt, um leichter an Servicepunkte zu kommen, und damit der Innenraum sich weniger aufheizt.
Folgendes Programm ist vorgesehen: Die cW-Werte werden als 10-Punkt-Messungen jeweils mit Anblasgeschwindigkeiten von 130 km/h und 200 km/h aufgenommen. Darüber hinaus werden die Fahrzeugstirnfläche (A) sowie Vorderachs(cAV)- und Hinterachs(cAH)-Auftriebsbeiwerte ermittelt.
Dieser Tag wird spannend werden. Schon bei der ersten Messung des Typ 300 S schwirren die unterschiedlichsten Werte als Mutmaßungen durch die Halle – durchweg hohe Schätzwerte aufgrund des Fahrzeug-Designs, das eine vergleichsweise große Fläche gegen den Wind stellt. Der Wert der Stirnfläche von 2,28 Quadratmetern des 300 S, ermittelt mit Außenspiegel, sorgt somit noch für keine Überraschung. Dass dann kein Schätzwert zutreffen wird, ahnt niemand. Konzentration herrscht auf der Kommandobrücke des Windkanals.
Als aus dem Ticker für den 300 S die ersten Luftwiderstands-Messwerte im Mittel von cW = 0,468 bei 130 km/h Anblasgeschwindigkeit und von cW = 0,482 bei 200 km/h ausgedruckt werden, geht ein anerkennendes Raunen durch den Raum. Zum Vergleich: Das 1955 und damit vier Jahre nach dem 300 S erschienene 190 SL (W 121) kommt mit Hardtop auf einen cW-Wert von 0,461 und der Mercedes-Benz 230 SL (W 113) aus dem Jahr 1963, die berühmte „Pagode“, auf cW = 0,515. Somit steht der Mercedes-Benz 300 S sehr gut da.
Der cW × A-Wert, die Zusammenfassung der Stirnfläche A und des Luftwiderstandsbeiwerts cW der Karosserieform, beträgt beim Typ 300 S 1,067 bzw. 1,100 mit Anblasgeschwindigkeiten von 130 km/h bzw. 200 km/h.
Da die Auftriebswerte bei 130 km/h Anblasgeschwindigkeit für die Vorderachse (cAV = 0,268) und für die Hinterachse (cAH = 0,270) sich nur unwesentlich voneinander unterscheiden, ergeben sich keine Nickmomente und somit eine stabile Fahrzeuglage. Bei 200 km/h Anblasgeschwindigkeit erfolgt beim 300 S eine stärkere Entlastung der Vorderachse mit resultierenden Auftriebsbeiwerten von cAV = 0,293 und der Hinterachse cAH = 0,267. Doch sind diese beiden eher theoretischer Natur, denn der 300 S hat eine Höchstgeschwindigkeit von 175 km/h.
Der 300 SL im Windkanal
Nicht minder groß ist die Spannung vor Beginn der Messreihe mit dem zweiten Fahrzeug, dem 300 SL (W 194). Es handelt sich um das originale Rennfahrzeug aus der Saison 1952.
Dass die Stirnfläche mit 1,784 Quadratmetern um 22 Prozent geringer ist als beim 300 S wundert nicht. Schließlich ist die Reduzierung der Luftwiderstandsbeiwerte einer der Hauptpunkte im Lastenheft für die Konstruktion des Rennsportwagens. Die cW-Werte 0,376 (Anblasgeschwindigkeit 130 km/h) und cW = 0,383 (200 km/h) sind fast 20 Prozent günstiger als beim 300 S. Beim für die Fahrleistungen wichtigeren cW × F-Wert (Multiplikation der Fahrzeugstirnfläche mit der aerodynamischen Güte der Karosserie, dem Luftwiderstandsbeiwert) von 0,670 und 0,683, je nach Anblasgeschwindigkeit, ist der 300 SL der Baureihe W 194 sogar 37 Prozent günstiger als der Typ 300 S.
Die Auftriebswerte an der Vorderachse von cAV = 0,305 und 0,318 sowie an der Hinterachse mit cAH = 0,149 und 0,140 zeigen eine deutliche Entlastung der Vorderachse bei hohen Geschwindigkeiten.
Zugleich zeigen die Werte aber auch, wie weit die bisher bekannten Messungen aus den 1950er-Jahren eines Tonmodells des W 194 im Maßstab 1 : 5 von cW = 0,25 von der Realität entfernt sind – und welchen großen Einfluss beispielsweise die Motorraumdurchströmung auf den Luftwiderstandsbeiwert hat, die beim Tonmodell ja nicht vorhanden ist.
Dafür überrascht bei den jetzigen Windkanalmessungen nun wieder der serienmäßige 300 SL (W 198 I). Der ist mit einer Stirnfläche von 1,757 Quadratmetern sogar etwas zierlicher ausgefallen als der 300 SL (W 194) von 1952 und kann damit einen Teil seines ungünstigeren cW-Wertes gegenüber dem Rennsportwagen (W 194) von 1952 beim cW × A-Wert kompensieren. Die cW-Werte liegen bei 0,389 und 0,397, je nach Anblasgeschwindigkeit von 130 km/h und 200 km/h, die cW × A-Werte bei 0,685 und 0,697.
Beim Seriensportwagen vom Typ 300 SL (W 198) zeigen die Auftriebsbeiwerte eine noch stärkere Entlastung der Vorderachse bei zunehmenden Geschwindigkeiten als beim 300 SL Rennsportwagen (W 194). Der cAV-Wert bei 130 km/h beträgt 0,334 und bei 200 km/h 0,358. Für den cAH-Wert lauten die Kennzahlen bei 130 km/h 0,125 und bei 200 km/h 0,108.
Neben den schieren Messwerten gibt es die Erkenntnis, dass gerade die beiden SL-Typen an der Vorderachse einen besonders starken Auftrieb generieren, der bei steigenden Geschwindigkeiten zu sich verstärkendem Auftriebsverhalten führt, was in der Folge auch zu verstärkter Seitenwindempfindlichkeit führt. Das wird durch die hohen Giermomente bei 20 Grad Schräganströmung untermauert.
Beim Typ 300 S (W 188) zeigen die Untersuchungen einen starken Strömungsabriss an der Oberkante der Kühlermaske, der bis zur Windschutzscheibe spürbar bleibt. Dagegen ist der Übergang von der Frontscheibe zum Dach besser als erwartet. Allerdings reißt die Strömung etwa 30 bis 50 Millimeter oberhalb der Heckscheibe ab, um anschließend auf dem Kofferraumdeckel wieder anzuliegen.
Bei beiden SL-Typen erfolgt eine gute Überströmung des Vorderwagens. Allerdings sind die Karosserie-Unterkanten zu hoch, hier besonders beim W 194, und schirmen den Unterboden nicht ab, mit der Folge hoher Auftriebswerte an der Vorderachse. Windschutzscheibe, A-Säule und Dach werden sauber umströmt. Dafür reißt sie an der Gummieinfassung der Heckscheibe ab, hier wieder besonders stark beim W 194, um später wieder auf dem Kofferraumdeckel anzuliegen.
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Measurements on the 300 SL (W 194 series) and 300 SL (W 198 I series) as well as comparative measurements on the 300 S (W 188 series)
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The results of the two SL measurements are unexpectedly close
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The Mercedes-Benz 300 S has a significantly better drag coefficient than expected
New cars are constant objects of study in the wind tunnel. They are subjected to tests in order to optimise them in different ways – for example, to reduce fuel consumption, but also to improve wind noise or splash water flow.
Historical vehicles, on the other hand, are seldom indeed guests in the wind tunnel, for their development has long since been finished. However, the values measured in the wind tunnel are not always available for them, or sometimes there are indeed measured values, but these cannot be compared with the figures obtained in today’s tests. For reasons of historical interest, in January 2012 Mercedes-Benz Classic thus examined two SL model series in the company’s own wind tunnel at its Stuttgart-Untertürkheim plant using modern-day measuring methods– the first SL (W 194 series) from 1952, and the 1954 series-production 300 SL (W 198 I series) sports car. In order to have a contemporary comparison vehicle, a 1951 Mercedes-Benz 300 S (W 188 series), a luxurious, sporty touring car, was also examined. This vehicle had lent some of its technology to the first post-war Mercedes-Benz sports car.
The most important results: the 300 SL (W 194 series) racing car has a drag coefficient cD = 0.376. It is thus around 20 per cent better – that is, considerably better – than its contemporary comparison vehicle, the 300 S (W 188 series), for which a value of cD = 0.462 was obtained. This result underscores the efforts of the engineers and designers back then to attain a low drag coefficient as an important prerequisite for the SL’s racing success – which the car then went on to achieve in the course of the 1952 racing season at different international motorsport events, for example at Le Mans or in the Carrera Panamericana in Mexico. The 300 SL (W 198 I) series-production sports car returned a drag coefficient value of cD = 0.389.
The wind tunnel in Stuttgart-Untertürkheim itself is historical: it hearkens back to the 1930s and the legendary FKFS-Institut (Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart) or Stuttgart Research Institute for Automotive Engineering of Stuttgart Professor Wunibald Kamm, who enjoyed similar fame for his importance in the field of aerodynamics. The tunnel is based on the so-called Göttinger design principle with a three-quarter open test section. In the mid-70s the then Daimler-Benz AG took over the wind tunnel. Today it is one of several test installations of its kind in the Group.
Exciting beyond measure…
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Three historical vehicles in an historical wind tunnel
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The results of the two 300 SL (W 194 and W 198 I series) are similar
Morning of the 23rd of January 2012: the three cars are standing at the ready. Little do the workers and employees at the Mercedes-Benz Untertürkheim plant suspect of the bustle of activity going on behind the walls of the wind tunnel facilities. For eight hours the 5-Megawatt electric motor will set the fan blades in motion to drive the vast volume of 9000 cubic metres of air.
The object is to determine the relationship among the three study objects in terms of their surface and air resistance values – the three cars are closely related technically: the drive system of the W 194 is based in part on that of the W 188, while the W 198 is based on the W 194.
So as to compare them more directly, the three vehicles were measured without underbody panelling. Today these three classics are usually driven in normal road traffic without underbody panelling in any case, in order to permit easier access to service points and so that the vehicle interior does not heat up.
The following programme is scheduled: 10 point measurements of the cD values with wind velocities of 130 km/h and 200 km/h. In addition, the vehicle frontal area (A) as well as the coefficients of lift at the front axle (cAF) and at the rear axle (cAR) were determined.
The day promises to be exciting. With the first measurement, that of the 300 S, the most diverse figures, guesses and estimates buzz around the hall – all of the estimates high because of the vehicle design, which presents a relatively large surface to the wind. The frontal area of the 300 S with exterior mirror, 2.28 square metres, is thus no surprise. No-one yet suspects that no guess or estimate will hit the mark. At the wind tunnel control station tense concentration dominates the scene.
When the first values measured for the 300 S come from the ticker and are printed out, they reveal an average drag coefficient of cD = 0.468 at a blown wind speed of 130 km/h and cD = 0.482 at 200 km/h: a murmur of approval goes through the room. For comparison: the 190 SL (W 121 series), which appeared in 1955 and thus four years after the 300 S, achieves a drag coefficient cD of 0.461 with a hard top, while the 1963 Mercedes-Benz 230 SL (W 113 series), the famous “Pagoda”, has a drag coefficient cD of 0.515. This shows the Mercedes-Benz 300 S in a very good light indeed.
For the 300 S, the cD × A value, the product of the frontal area A and the drag coefficient of the vehicle body cD, results in 1.067 at a wind speed of 130 km/h, and 1.100 at a speed of 200 km/h.
As the coefficient for lift at a wind speed of 130 km/h for the front axle (cAF = 0.268) is virtually identical to that for the rear axle (cAR = 0.270) there is no pitching moment and consequently a stable vehicle attitude. At a wind speed of 200 km/h the 300 S experiences a stronger load relief of the front axle with a resulting front axle lift coefficient cAF = 0.293 and rear axle lift coefficient cAR = 0.267. However, both these values lie in the realm of purely theoretical knowledge since the 300 S has a top speed of 175 km/h.
The 300 SL in the wind tunnel
No less was the tension before the start of the test series with the second vehicle, the 300 SL (W 194 series). This is the original 1952 racing season car.
It comes as no surprise then, that at 1.784 square metres, the frontal area is 22 per cent lower than that of the 300 S. After all, reduction of the drag coefficient is one of the key points in the requirement specifications for the racing car. Its cD values, 0.376 (wind speed 130 km/h) and 0.383 (wind velocity 200 km/h) are almost 20 per cent better than those of the 300 S. In the case of the cD × F value, more important for the driver, (multiplication of the vehicle frontal area by the aerodynamic quality of the body, the drag coefficient), 0.670 and 0.683, depending on wind speed, the 300 SL (W 194 series) is even 37 per cent better than the 300 S.
The lift coefficient at the front axle, cAF = 0.305 and 0.318 and at the rear axle, cAR = 0.149 and 0.140, show a significant load transfer from the front axle at high speeds.
At the same time the results of the measurements showed how far from reality was the drag coefficient cD = 0.25 value determined in the 1950s with a 1-in-5 clay scale model of the W 194 – and how great an influence, for example, the air flow through the engine compartment (which of course the clay model did not have) has on the overall air resistance of the car.
On the other hand in the wind tunnel measurements of today the series-production 300 SL (W 198 I series) held a surprise. With a frontal area of 1.757 square metres the car is even a little more svelte than the 300 SL (W 194 series) of 1952 and can thus – with the cD × A value – partially compensate its cD value which is less favourable than that of the 1952 racing car (W 194 series ). The cD values returned were 0.389 and 0.397, at wind speeds of 130 km/h and 200 km/h, respectively, the resulting cD × A figures, 0.685 and 0.697, respectively.
The lift coefficients of the 300 SL (W 198 series) production sports car show an even greater load transfer from the front to the rear axle at increasing speeds than is the case for the 300 SL (W 194 series ) racing car. At 130 km/h the cAF is 0.334 and at 200 km/h it is 0.358. The cAR figure is 0.125 at 130 km/h and 0.108 at 200 km/h.
Apart from the bare measured values the tests revealed that specifically the two SL models generate a particularly strong lift at the front axle that increases at higher speeds, which in turn makes the cars susceptible to side winds. This is confirmed by the high yaw moment under a diagonal incident wind flow direction of 20 degrees.
For the 300 S model (W 198 series) the investigation showed a strong flow break at the top edge of the radiator grille, a separation which remains perceptible as far back as the windscreen. By contrast, the transition from the windscreen to the roof turned out to be better than expected. However, the airflow breaks away again some 30 to 50 millimetres above the rear window and meets the vehicle body again on the boot lid.
Both SL models show good airflow over the front area. However, the lower edges of the vehicle body are too high, in particular in the case of the W 194, leaving the vehicle underbody unprotected, which results in the high lift forces at the front axle. Airflow around the windscreen, the A-pillars and the roof is good, but in the W 194 the airflow breaks off at the rear window rubber surround, to later hug the car again at the boot lid.
Bilder / Images ©Daimler AG