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基礎(chǔ)知識普及汽車改裝中的空氣動力學(xué)說

m.guilinhy.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：俠名類別：汽車改裝技術(shù) 時間：2014-01-15

　　隨著汽車時代的到來，“汽車文化”一詞已漸漸的為人們所了解，一種全新的汽車文化也正在悄然興起，它就是令所有追求個性、追求速度的車迷趨之若鶩的汽車改裝。本篇文章就介紹一下空氣動力學(xué)在改裝中的運(yùn)用，其中不乏理論的生硬，但也有些實(shí)用內(nèi)容，看看會對空氣動力學(xué)在改裝過程中的應(yīng)用會有所了解。

基礎(chǔ)知識普及

　　我們知道，車身設(shè)計(jì)的影響力足以全盤改變汽車的高速性能，從極速、穩(wěn)定性以至于經(jīng)濟(jì)性能都能與此息息相關(guān)，現(xiàn)在再討論車子時，空氣動力學(xué)已是無法忽略的一大主題。

　　空氣動力學(xué)在科學(xué)的范疇里是一門艱深的度量科學(xué)，一輛汽車在行使時，會對相對靜止的空氣造成不可避免的沖擊，空氣會因此向四周流動，而躥入車底的氣流便會被暫時困于車底的各個機(jī)械部件之中，空氣會被行使中的汽車?yán)瓌樱援?dāng)一輛汽車飛馳而過之后，地上的紙張和樹葉會被卷起。此外，車底的氣流會對車頭和引擎艙內(nèi)產(chǎn)生一股浮升力，削弱車輪對地面的下壓力，影響汽車的操控表現(xiàn)。另外，汽車的燃料在燃燒推動機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時已經(jīng)消耗了一大部分動力，而當(dāng)汽車高速行使時，一部分動力也會被用做克服空氣的阻力。所以，空氣動力學(xué)對于汽車設(shè)計(jì)的意義不僅僅在于改善汽車的操控性，同時也是降低油耗的一個竅門。

　　對付浮升力的方法

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　　對付浮升力的方法，其一可以在車底使用擾流板。不過，今天已經(jīng)很少有量產(chǎn)型汽車使用這項(xiàng)裝置了，其主要原因是因?yàn)檠邪l(fā)和制造的費(fèi)用實(shí)在太過高昂。在近期的量產(chǎn)車中只有FERRARI 360M 、LOTUS ESPRIT 、NISSAN SKYLINE GT-R還使用這樣的裝置。

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　　另一個主流的做法是在車頭下方加裝一個堅(jiān)固而比車頭略長的阻流器。它可以將氣流引導(dǎo)至引擎蓋上，或者穿越水箱格柵和流過車身。至于車尾部分，其課題主要是如何令氣流順暢的流過車身，車尾的氣流也要盡量保持整齊。

　　如果在汽車行駛時，流過車體的氣流可以緊貼在車體輪廓之上，我們稱之為ATTECHED或者LAMINAR(即所謂的流線型)。而水滴的形狀就是現(xiàn)今我們所知的最為流線的形狀了。不過并非汽車非要設(shè)計(jì)成水滴的形狀才能達(dá)到最好的LAMINAR，其實(shí)傳統(tǒng)的汽車形態(tài)也可以達(dá)到很好的LAMIAR的效果。常用的方法就是將后擋風(fēng)玻璃的傾斜角控制在25度之內(nèi)。

　　其實(shí)仔細(xì)觀察這類轎跑車的側(cè)面，就不難發(fā)現(xiàn)從車頭至車尾的線條會朝著車頂向上呈弧形，而車底則十分的平坦，其實(shí)這個形狀類似機(jī)翼截面的形狀。當(dāng)氣流流過這個機(jī)翼形狀的物體時，從車體上方流過的氣體一定較從車體下方流過的快，如此一來便會產(chǎn)生一股浮升力。隨著速度的升高，下壓力的損失會逐漸加大。雖然車體上下方的壓力差有可能只有一點(diǎn)點(diǎn)，但是由于車體上下的面積較大，微小的壓力差便會造成明顯的抓著力分別。一般而言，車尾更容易受到浮升力的影響，而車頭部分也會因此造成操控穩(wěn)定性的問題。

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　　傳統(tǒng)的房車、旅行車和掀背車這類后擋風(fēng)玻璃較垂直的汽車，浮升力對它們的影響會較為輕微，因?yàn)闅饬鹘?jīng)過垂直的后窗后就已經(jīng)散落，形成所謂的亂流效果，浮升力因此下降，但是這些亂流也正是氣流拉力的來源。有些研究指出像GOLF之類的兩廂式掀背車，如車頂和尾窗的夾角在30度之內(nèi)，它所造成的氣流拉力會較超過30度的設(shè)計(jì)更低。所以有些人就會想當(dāng)然的認(rèn)為只要將后窗的和車頂?shù)膴A角控制在28至32度之間，就能同時兼顧浮升力和空氣拉力的問題。其實(shí)問題并沒有那么簡單，在這個角度范圍里氣流既不能緊貼在車體上也不足以造成亂流，如此一來將很難預(yù)計(jì)空氣的流動情況。因?yàn)槠囋谛旭倳r并非在一個水平面上行駛，隨著懸掛系統(tǒng)的上下運(yùn)動，其實(shí)汽車的離地距離是一個變量，而氣流在流過車體上下所造成的壓力差也會隨時改變，同時在車輛過彎時車尾左右的氣流動態(tài)也會對車尾的氣流情況造成影響。當(dāng)尾窗與車頂?shù)膴A角介于28至32度時，車尾將介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定的邊緣，這其實(shí)非常危險的。舉個例子，AUDI TT在推出時曾經(jīng)發(fā)生高速翻車的問題，當(dāng)時的事故調(diào)查報告指出AUDI TT的后軸在高速時浮升力過高，造成后輪抓著力太弱。而TT在設(shè)計(jì)時以風(fēng)格作為首要前提，在空氣動力學(xué)上有所犧牲。后窗與車尾的弧度就介于以上那個尷尬的角度之間。車廠在設(shè)計(jì)掀背車時寧愿將車尾設(shè)計(jì)的平直一點(diǎn)，一來可以增加車內(nèi)的空間，二來也克服了空氣動力學(xué)上的不足。

本文導(dǎo)航

第1頁：對付浮升力的方法
第2頁：尾翼的基本設(shè)計(jì)
第3頁：尾翼和擾流器的簡史

　　尾翼的基本設(shè)計(jì)

　　尾翼和擾流器的誕生正是要解決氣流和浮升力的問題。我們見到過的尾翼可謂五花八門、千奇百怪。不過它們卻有著相同的特點(diǎn)：表面狹窄、水平面離開車身安裝(如果尾翼緊貼在車身安裝，如果它不僅僅起到裝飾作用，便只有擾流器般的作用，這兩者是不同的。)尾翼的主要作用是增加下壓力，所以尾翼的外形必須像倒置的機(jī)翼才行，這樣的設(shè)計(jì)會使流經(jīng)尾翼下端的氣流的速度較流經(jīng)尾翼上端的來得高，從而產(chǎn)生下壓力。還有一種產(chǎn)生下壓力的方法是將尾翼前端微微向下傾斜，雖然這種設(shè)計(jì)會比水平式的尾翼產(chǎn)生更大的空氣拉力，但是在調(diào)節(jié)下壓力大小的方面卻較有彈性。

　　WING和SPOILER的分別

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　　尾翼和車尾擾流器的分別是后者與車尾連為一體，或者干脆就是車身整體設(shè)計(jì)的一部分。車尾擾流器其實(shí)也可以用來制造下壓力，但是常見的功能扔是減少浮升力和氣流拉力。掀背車的尾擾流器集結(jié)了大量的空氣于擾流器的前方，目的是分隔車尾的氣流，從而降低浮升力。后擾流器也可以令氣流更順暢的流經(jīng)車尾，避免氣流長時間的徘徊或緊貼在車尾上，如此一來便可以減少空氣拉力，同時也可以減低導(dǎo)致浮升力的車底氣壓。

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　　所以，有很多車書喜歡統(tǒng)稱車尾上的凸出物為尾翼是很不專業(yè)的行為，比如普通版的911那個可以自動升降的東西該被稱為擾流器，而GT2上的那個才是貨真價實(shí)的尾翼。一般來說，歐洲的車廠比較注重汽車的美學(xué)設(shè)計(jì)，同時也很在意SPORTS SEDAN和RACING EDITION之間的分別。所以，歐洲的車廠比較忌用尾翼，而日本的車廠則將尾翼作為賣點(diǎn)推給顧客，從這種分別中也可以輕易的體會出不同國家造車哲學(xué)的不同。

　　對Cd值的一點(diǎn)解釋

　　最后值得一提的倒是普遍存在的對Cd值的一些誤解。在許多車廠的產(chǎn)品介紹書中，常常會提及新車的風(fēng)阻系數(shù)降低至多少多少Cd，而Cd所指的并不簡單是指我們一般所說的空氣阻力，而是流氣拉力系數(shù)(DRAG COEFFICIENT)，一般而言氣流在車尾造成的拉力，數(shù)值越低，表示車尾氣流處理的越流暢，該部分的浮升力亦會越小，相對而言，車輛行走時的阻力會低一點(diǎn)，后輪的下壓力也會好一點(diǎn)。說到這里我們就應(yīng)該明白，加裝尾翼并不一定會增加Cd值!如果加裝尾翼和尾擾流器后，車輛尾部氣流通過的流暢度增高，那么這輛車的Cd值反而應(yīng)該降低。汽車設(shè)計(jì)的空氣動力學(xué)問題并不止于車尾，其實(shí)車頭的長度和寬度也會影響一部汽車的總拉力數(shù)值。比如前縱置引擎的中心點(diǎn)要比前軸的中心點(diǎn)更前，車頭就容易造得很長，而如果加闊前輪距來橫置擺放引擎，車頭部分就會隨著加闊，以上兩種情況都會影響到整體的氣流拉力(CdA)。雖然有可能一輛車的Cd造得很低，但是同樣難以彌補(bǔ)車頭部分增加的長度和寬度所帶來的整體氣流拉力數(shù)值的上升,舉個例子來說，一部汽車的風(fēng)阻系數(shù)由原來的Cd0.40下降至Cd0.38，但是車頭的寬度卻增加了75MM，這時它的CdA數(shù)值約會上升5%，這樣一來等于完全抵消了Cd下降的效果。(比如新款的ACCORD，雖然風(fēng)阻系數(shù)達(dá)到了驚人的Cd0.25,可是因?yàn)檐圀w全面比上一代要加大許多,所有在高速時的穩(wěn)定性表現(xiàn),我個人估計(jì)不會有大幅的攀升，如果這方面的表現(xiàn)的確有所改進(jìn)，也首先應(yīng)該歸功于軸距的加長和懸掛設(shè)定的改進(jìn)，空氣動力學(xué)的成就反而是次要的。因?yàn)槊裼密嚨目諝鈩恿W(xué)表現(xiàn)必須兼顧降低風(fēng)噪和燃油經(jīng)濟(jì)性，所有在設(shè)計(jì)時必然會對汽車的下壓力作出一定的犧牲。

　　因此，在大家談?wù)揅d時，不應(yīng)該認(rèn)為Cd代表了一部汽車的整體空氣動力表現(xiàn)，更不能輕易的認(rèn)為隨便加裝一只尾翼或者巨型擾流器就必然可以獲得更好的空氣動力學(xué)表現(xiàn)!其實(shí)充其量它只不過改善了空氣動力學(xué)中某個部分的表現(xiàn)而已。

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　　最后，我要說的是對改裝空氣動力學(xué)部件的一點(diǎn)個人看法。基本上，主流車廠在空氣動力學(xué)方面的研究在這5至6年里得到了迅猛的發(fā)展(原因很簡單，內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)在近十年步伐明顯放緩，要想改善汽車的動力表現(xiàn)只有從改善空氣動力學(xué)和提高動力傳輸效率兩方面入手)。新的量產(chǎn)車在空氣動力學(xué)方面的表現(xiàn)也越來越好，這也就是說新車的空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)越來越嚴(yán)謹(jǐn)，隨意的改動更加容易破壞汽車原來的空氣動力學(xué)表現(xiàn)，而非改善!操控性首先講究的是總體的平衡，所有單單改裝BODY KIT或者單改其它的空氣動力部件很有可能達(dá)到和愿意背道而馳的效果。

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　　所以，如果要改就一件式一起改，而且不要輕易的加裝車底的擾流板。第一，車體的擾流板較容易損壞;第二車底的擾流板在正常的車速下根本不能改善汽車的空氣動力表現(xiàn)。其實(shí)對于私家車來說，給愛車裝飾性地加個小尾翼還是可行的，車主可以選擇一些美觀小巧的尾翼來和自己的愛車搭配。比如在兩廂車的尾部安裝一個小擾流板，既可以將車頂上的氣流順暢地導(dǎo)至車后，同時還利用了該氣流將后車窗的灰塵清除掉，避免了因灰塵附著而影響到司機(jī)的后視野。不過那種夸張的大尾翼最好還是要慎重選擇，因?yàn)闆]有經(jīng)過調(diào)試過的尾翼不僅會給安全行車留下隱患，還有可能因此而無法正常驗(yàn)車。

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第1頁：對付浮升力的方法
第2頁：尾翼的基本設(shè)計(jì)
第3頁：尾翼和擾流器的簡史

　　尾翼和擾流器的簡史

　　早在上世紀(jì)30年代，各大車廠已經(jīng)開始致力于降低氣流拉力，而對于浮升力的研究，各車廠大致要到60年代才開始關(guān)注。FERRAR的賽車手RICHIE GINTHER于1961年發(fā)明了能產(chǎn)生下壓力的車尾擾流器，他也因此聞名于世。隨后的FERRARI戰(zhàn)車也都使用此項(xiàng)設(shè)計(jì)。而第一部使用前擾流器(俗稱氣霸)的汽車應(yīng)該是大名鼎鼎的FORD GT40。這部車在超越時速300KM/H時所產(chǎn)生的浮升力令其成為一部根本無法駕馭的汽車，據(jù)說在加裝了前氣霸之后，GT40在達(dá)到極速時前輪的下壓力由原來的310磅激增至604磅!!!至于第一部使用尾翼的汽車我沒有準(zhǔn)確的資料，不過據(jù)說時道奇于60年代末生產(chǎn)的CHARGER DAYTONA PLYMOUTH SUPERBIRD。

　　在歐洲車廠方面，保時捷可以算首家兼顧擾流器的功能和美學(xué)設(shè)計(jì)的車廠。1975的911 TUBRO的一體式的氣霸和鯨魚尾式的擾流器大副降低了浮升力的產(chǎn)生，其效用高達(dá)90%。于是在70年代末，氣霸和擾流器更成為保時捷的標(biāo)志。當(dāng)時有很多以高性能作為賣點(diǎn)的車廠也跟隨保時捷的步伐以氣霸和擾流器作為賣點(diǎn)。(說到這里，我到想起了一些題外話。其實(shí)車廠都要經(jīng)過一個發(fā)展階段才能走向成熟，其實(shí)日本車與歐洲車的差距就體現(xiàn)在日本車其實(shí)在走歐洲車曾經(jīng)走過的一條道路，這條路每個車廠都必須經(jīng)歷。如果以后中國真正的擁有自己的汽車工業(yè)的話，那么中國的車廠也必須走這條道路。一般我認(rèn)為歐洲車廠的空氣動力學(xué)水平要較日本車廠來的高一點(diǎn)，就拿對空氣動力學(xué)要求很高的F1賽事來說，所有空氣動力學(xué)高手都是歐洲人，而這些歐洲人也無一例外的供職于歐洲車廠，英美車隊(duì)在空氣動力學(xué)方面的研究在它這幾年來幾乎沒有進(jìn)步，從這一點(diǎn)上面就可以看出歐洲車廠于日本車廠之間的差距。不過，這些差距是由時間造成的，我想技術(shù)上的差距相對比較容易彌補(bǔ)。而文化背景的不同才容易造成真正的差異，而這種差異如果產(chǎn)生不良性的發(fā)展，日本車廠就真正的危險了。)

　　現(xiàn)在氣霸和擾流器已經(jīng)非常非常的普通了，幾乎時速可以達(dá)到百余公里的汽車都使用這些東西。其實(shí)如果你的車速并不高，這些東西并不起作用。當(dāng)車速介于60到80之間時，氣流的拉力根本高不過車輪的運(yùn)動阻力，如果要感受尾翼和擾流器在浮升力和下壓力方面的明顯作用，時速必須高于160KM。其中的原因是因?yàn)闅饬鞯膭恿ν擒囁俚亩畏剑徊科噺?30KM/H加速至260KM/H，浮升力和空氣拉力將會有四倍的增加。

　　同時，所有汽車所有的氣霸，在降低氣流拉力方面都具有一定的作用。一般來說可以減少5～10%的整體氣流拉力。另一方面，氣霸也有助于冷卻引擎，亦方便了霧燈的安裝。不過仍然有為數(shù)不少的車廠認(rèn)為尾翼和擾流器是為了美觀而設(shè)的。不過總體來說，這些空氣動力部件都具有一定的實(shí)際作用，以上代凌志SC系列來說，加裝原廠車尾擾流器之后，汽車的Cd數(shù)值(氣流拉力)由原來的0.32降至0.31。但是FORD ADVANCED DESIGN STUDIO的設(shè)計(jì)師GRANT GARRISON曾經(jīng)說過：如果尾翼和擾流器不是那么受歡迎，我們是不會加在車身上的，但是我們可以用其它方法來把車輛設(shè)計(jì)得具有同樣的空氣動力學(xué)效果。持相同觀點(diǎn)的還有大名鼎鼎的FERRARI，眾所周知FERRARI為了遷就車身設(shè)計(jì)的美感是很忌諱在車身上使用尾翼的，而即使以快跑作為最高目的的ENZO FERRARI也使用的是可升降的尾擾流板，其原因是FERRARI的主席認(rèn)為一部靜止的FERRARI不需要任何擾流器!