基礎知識普及汽車改裝中的空氣動力學說

www.diaoyou.cc 來源：互聯網作者：俠名類別：汽車改裝技術時間：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在改裝中的運用，其中不乏理論的生硬，但也有些實用內容，看看會對空氣動力學在改裝過程中的應用會有所了解。

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　　我們知道，車身設計的影響力足以全盤改變汽車的高速性能，從極速、穩定性以至于經濟性能都能與此息息相關，現在再討論車子時，空氣動力學已是無法忽略的一大主題。

　　空氣動力學在科學的范疇里是一門艱深的度量科學，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械部件之中，空氣會被行使中的汽車拉動，所以當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產生一股浮升力，削弱車輪對地面的下壓力，影響汽車的操控表現。另外，汽車的燃料在燃燒推動機械運轉時已經消耗了一大部分動力，而當汽車高速行使時，一部分動力也會被用做克服空氣的阻力。所以，空氣動力學對于汽車設計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，今天已經很少有量產型汽車使用這項裝置了，其主要原因是因為研發和制造的費用實在太過高昂。在近期的量產車中只有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固而比車頭略長的阻流器。它可以將氣流引導至引擎蓋上，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今我們所知的最為流線的形狀了。不過并非汽車非要設計成水滴的形狀才能達到最好的LAMINAR，其實傳統的汽車形態也可以達到很好的LAMIAR的效果。常用的方法就是將后擋風玻璃的傾斜角控制在25度之內。

　　其實仔細觀察這類轎跑車的側面，就不難發現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，其實這個形狀類似機翼截面的形狀。當氣流流過這個機翼形狀的物體時，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點，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定性的問題。

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　　傳統的房車、旅行車和掀背車這類后擋風玻璃較垂直的汽車，浮升力對它們的影響會較為輕微，因為氣流經過垂直的后窗后就已經散落，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，它所造成的氣流拉力會較超過30度的設計更低。所以有些人就會想當然的認為只要將后窗的和車頂的夾角控制在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，如此一來將很難預計空氣的流動情況。因為汽車在行駛時并非在一個水平面上行駛，隨著懸掛系統的上下運動，其實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也會對車尾的氣流情況造成影響。當尾窗與車頂的夾角介于28至32度時，車尾將介于穩定和不穩定的邊緣，這其實非常危險的。舉個例子，AUDI TT在推出時曾經發生高速翻車的問題，當時的事故調查報告指出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在設計時以風格作為首要前提，在空氣動力學上有所犧牲。后窗與車尾的弧度就介于以上那個尷尬的角度之間。車廠在設計掀背車時寧愿將車尾設計的平直一點，一來可以增加車內的空間，二來也克服了空氣動力學上的不足。

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

　　尾翼的基本設計

　　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：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翼才行，這樣的設計會使流經尾翼下端的氣流的速度較流經尾翼上端的來得高，從而產生下壓力。還有一種產生下壓力的方法是將尾翼前端微微向下傾斜，雖然這種設計會比水平式的尾翼產生更大的空氣拉力，但是在調節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計的一部分。車尾擾流器其實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，同時也可以減低導致浮升力的車底氣壓。

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　　所以，有很多車書喜歡統稱車尾上的凸出物為尾翼是很不專業的行為，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的尾翼。一般來說，歐洲的車廠比較注重汽車的美學設計，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的不同。

　　對Cd值的一點解釋

　　最后值得一提的倒是普遍存在的對Cd值的一些誤解。在許多車廠的產品介紹書中，常常會提及新車的風阻系數降低至多少多少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(DRAG COEFFICIENT)，一般而言氣流在車尾造成的拉力，數值越低，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，后輪的下壓力也會好一點。說到這里我們就應該明白，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值反而應該降低。汽車設計的空氣動力學問題并不止于車尾，其實車頭的長度和寬度也會影響一部汽車的總拉力數值。比如前縱置引擎的中心點要比前軸的中心點更前，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，但是同樣難以彌補車頭部分增加的長度和寬度所帶來的整體氣流拉力數值的上升,舉個例子來說，一部汽車的風阻系數由原來的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，雖然風阻系數達到了驚人的Cd0.25,可是因為車體全面比上一代要加大許多,所有在高速時的穩定性表現,我個人估計不會有大幅的攀升，如果這方面的表現的確有所改進，也首先應該歸功于軸距的加長和懸掛設定的改進，空氣動力學的成就反而是次要的。因為民用車的空氣動力學表現必須兼顧降低風噪和燃油經濟性，所有在設計時必然會對汽車的下壓力作出一定的犧牲。

　　因此，在大家談論Cd時，不應該認為Cd代表了一部汽車的整體空氣動力表現，更不能輕易的認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表現!其實充其量它只不過改善了空氣動力學中某個部分的表現而已。

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　　最后，我要說的是對改裝空氣動力學部件的一點個人看法。基本上，主流車廠在空氣動力學方面的研究在這5至6年里得到了迅猛的發展(原因很簡單，內燃機的改進在近十年步伐明顯放緩，要想改善汽車的動力表現只有從改善空氣動力學和提高動力傳輸效率兩方面入手)。新的量產車在空氣動力學方面的表現也越來越好，這也就是說新車的空氣動力學設計越來越嚴謹，隨意的改動更加容易破壞汽車原來的空氣動力學表現，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。其實對于私家車來說，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的后視野。不過那種夸張的大尾翼最好還是要慎重選擇，因為沒有經過調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車。

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第2頁：尾翼的基本設計
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30年代，各大車廠已經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年代才開始關注。FERRAR的賽車手RICHIE GINTHER于1961年發明了能產生下壓力的車尾擾流器，他也因此聞名于世。隨后的FERRARI戰車也都使用此項設計。而第一部使用前擾流器(俗稱氣霸)的汽車應該是大名鼎鼎的FORD GT40。這部車在超越時速300KM/H時所產生的浮升力令其成為一部根本無法駕馭的汽車，據說在加裝了前氣霸之后，GT40在達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確的資料，不過據說時道奇于60年代末生產的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設計的車廠。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生，其效用高達90%。于是在70年代末，氣霸和擾流器更成為保時捷的標志。當時有很多以高性能作為賣點的車廠也跟隨保時捷的步伐以氣霸和擾流器作為賣點。(說到這里，我到想起了一些題外話。其實車廠都要經過一個發展階段才能走向成熟，其實日本車與歐洲車的差距就體現在日本車其實在走歐洲車曾經走過的一條道路，這條路每個車廠都必須經歷。如果以后中國真正的擁有自己的汽車工業的話，那么中國的車廠也必須走這條道路。一般我認為歐洲車廠的空氣動力學水平要較日本車廠來的高一點，就拿對空氣動力學要求很高的F1賽事來說，所有空氣動力學高手都是歐洲人，而這些歐洲人也無一例外的供職于歐洲車廠，英美車隊在空氣動力學方面的研究在它這幾年來幾乎沒有進步，從這一點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，我想技術上的差距相對比較容易彌補。而文化背景的不同才容易造成真正的差異，而這種差異如果產生不良性的發展，日本車廠就真正的危險了。)

　　現在氣霸和擾流器已經非常非常的普通了，幾乎時速可以達到百余公里的汽車都使用這些東西。其實如果你的車速并不高，這些東西并不起作用。當車速介于60到80之間時，氣流的拉力根本高不過車輪的運動阻力，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。其中的原因是因為氣流的動力往往是車速的二次方，一部汽車從130KM/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。不過仍然有為數不少的車廠認為尾翼和擾流器是為了美觀而設的。不過總體來說，這些空氣動力部件都具有一定的實際作用，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數值(氣流拉力)由原來的0.32降至0.31。但是FORD ADVANCED DESIGN STUDIO的設計師GRANT GARRISON曾經說過：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計得具有同樣的空氣動力學效果。持相同觀點的還有大名鼎鼎的FERRARI，眾所周知FERRARI為了遷就車身設計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的主席認為一部靜止的FERRARI不需要任何擾流器!