让轮胎黏在地面 空力套件改造原理

2020-08-06 5W访问
文、图/童国辅

一部看似平凡的房车,只要经过外观空力部品的加装,就能改头换面提昇性能气息,让车有着与众不同的面貌,也因为如此大家似乎都忘记空力套件的改造目的,除了强化外观气息外,最根本的目的是在加强高速行驶的稳定性,愈快的车对于空气力学的重视程度愈高,因此这是攸关人车安全的配备。

空力套件做的好

车辆稳定没烦恼

在台湾空力套件最重要的功效是增加视觉效果,但在激烈的赛车场上,空力套件可是攸关车辆操控好坏的重要关键,尤其速度愈高时愈显重要,像F1便相当重视空气力学,才会有因为尾翼受损,导致车尾失去足够下压力而无法顺利过弯的情况发生。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理最重视空气力学的车种当以F1方程式赛车莫属,也因为如此即时同一车队的赛车,不同年份的车款就会有截然不同的外貌,愈新的车款,车体上的空力设计愈複杂。

下压力能提高车辆在高速行驶时的稳定度,把车辆牢牢定在地上,若再配合底盘气流整合製造真空效应,便能大幅提昇高速稳定度,而且速度愈高效果愈大。不过下压力愈大,车辆必须花更多的引擎动力带动车身,因此下压力的控制便成为空气力学工程师相当头痛的问题。如何提高车辆行驶时的下压力,「关键在于如何让车顶的气流速度比车底慢」,历经多年的造车科技演变,相关技术与过去相比已有突飞猛进的改变,为了让大家进一步认识各个空力套件的作用效果,笔者将一一位大家介绍。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理前保桿上的定风翼,可将流经车头的空气拦阻下来,让高速气流对车头产生额外下压力,抑制车头上扬,提高车头稳定度,是赛车上常见的空力装置。

首先是最常看到的车头定风翼及前下扰流(也就是俗称的前下巴),定风翼可将空气拦阻下来,让高速气流对车头产生额外下压力,抑制车头上扬,提高车头稳定度,同时并彙整车头气流,让气流通过车头之后能够被导向设计者需要的地方。而前下扰流更为重要,除了一样有增加车头下压力的作用之外,还必须让气流平整顺畅的通过车底盘(或者是不通过车底盘),配合厂车常使用的一体式平整底盘,加上后下扰流让车尾气流顺利且快速的排出,将可以製造真空低压效应,让车辆牢牢的黏在地上,以提高车辆操控极限,而这样的目的与改装「侧裙」有着异曲同工之效。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理前保桿下方的下扰流(前下巴),可增加车头下压力外,还能让减少气流进入车底,配合赛车常使用的一体式平整底盘,将在车底製造真空低压效应,让车辆牢牢的黏在地上。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理透过独特的空力套件改造,可增加引擎盖散热孔,让水箱热气可快速排出车外,提高引擎散热效率。

尾翼空力作用大

小车不建议安装

至于许多改装车或赛车都会加装的后尾翼(Spoiler),其作用又是如何呢?根据空气动力学原理分析,我们知道汽车在行驶过程中会遇到空气阻力,这种阻力可分?纵向、侧向和垂直上升3个方面的作用力,并且空气阻力与车速平方成正比,也就是说车速从20km/h提高一倍到40km/h时,空气阻力对车辆的影响则是提高4倍,所以车速越快,空气阻力就越大,一般情况,当车速超过100km/h时,空气阻力对汽车的影响表现得就非常明显了。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理 

?了有效利用这股空气力量,提升高速行驶车尾的稳定性,让后轮可牢牢的压制在路面上,赛车工程师设计了汽车后尾翼,其作用就是使空气对汽车?生第四种作用力,即对地面的附着力,它能抵消一部分升力,抑制汽车上浮,使汽车能紧贴着道路行驶,从而提高行驶的稳定性。这点从F1赛事中也可发现,所有的F1赛车的前后都安装有定风翼,它们?车体提供了近60%的下压力,保证了300km/h以上的高速下,轮胎具有足够的抓地力来保持车身的稳定性,使车辆能稳定的切换车道进行超车。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理大型尾翼是许多赛车或改装车上常见的空力配备,其作用透过翼面设计,让空气对其产生下压力,使汽车能紧贴着道路行驶,从而提高行驶的稳定性,撞风面角度愈大,风阻力量愈强,相对下压力就愈大。

一般来说不建议小排量的汽车加装尾翼,因?尾翼主要是用来增加车身稳定性,因此高速行驶时会产生极大空气阻力,但动力不强的小排量的房车若安装夸张的GT大尾翼反而会拖慢车速,并且产生耗油的不利影响。除了轿车之外,在一些旅行车或掀背车的车顶后部也可安装小型尾翼,这些尾翼除了能增加车尾稳定性外,也能使车尾的空气涡流向后延伸一些距离才倒捲,可有效减少附着于车尾的灰尘,尤其是后挡玻璃不会每次下小雨就髒的要命。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理从这张图中可清楚看出尾翼对空气产生的扰流作用有多强,车尾后方的气流线条因为尾翼而出现繁乱的涡旋,因此如果是小马力的车,建议不要加装太大支的尾翼,才不会耗油又没力。

值得一提,既然尾翼对车速与稳定性有着显着影响,因此许多新型超跑都会改用电动可调角度的尾翼,视车速高低主动调整尾翼高度甚至角度,如此将可减少中低速时尾翼造成的风阻问题,且若翼面够大片的话,煞车时还可整个掀起,达到空气制动的效果。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理所有的F1赛车的前后都安装有定风翼,它们?车体提供了近60%的下压力,保证了300km/h以上的高速下,轮胎具有足够的抓地力来保持车身的稳定性,使车辆能稳定的切换车道进行超车。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理旅行车或掀背车的车顶后部也可安装小型尾翼,这些尾翼除了能增加车尾稳定性外,也能使车尾的空气涡流向后延伸一些距离才倒捲,可有效减少附着于车尾的灰尘,尤其是后挡玻璃不会每次下小雨就髒的要命。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理 

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理许多新型超跑都会使用电动可调角度的尾翼,视车速高低主动调整尾翼高度甚至角度,如此将可减少中低速时尾翼造成的风阻问题,且若翼面够大片的话,煞车时还可整个掀起,达到空气制动的效果。

后下扩散器超威武

加快车底气流速度

除了尾翼能提供明显的空力效应外,还有一项许多赛车或超跑车尾底部都会看到的部品也须特别介绍一下,那就是扩散器(Diffuser)。扩散器外型就像一块向上弯曲的板子,其上还设有许多垂直的隔板,且由前向后逐渐扩大,产生一个需要被流经的空气填满的广大空间。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理车尾底部扩散器的外型,就像一块向上弯曲的板子,其上还设有许多垂直的隔板,且由前向后逐渐扩大,产生一个需要被流经的空气填满的广大空间,会这样设计是有原因的。

扩散器之所以能产生作用,主因在于它可以让通过车底的混乱气流,利用整理好的轨道加速流出,相当于一个抽风机,不断将从车辆前部进入车底的空气向后抽出,由于车底尾部的气流快速流出,因此会在此区域产生了一个相对于车顶的真空低压区,既然车顶气压比较高,因此车辆在高速行进时就会被车顶的气压牢牢按在地面上。图A显示了车尾扩散器的气体压力分布情况,颜色愈深压力愈低,蓝色代表最低压力区域,红色表示最高压力区域。从图中我们可以看出,在扩散器的前部(喉部)是气流速度最快也是压力最低的地方,可将整部车吸在赛道上,之后随着扩散器空间放大,压力与气流速度逐渐恢复正常。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理 

不过扩散器要发挥作用,除了车辆须拥有平整化底盘外,车体上方的空力设计也须相互搭配才行,前者须负责导引气流到扩散器,扩散器才能发挥作用,后者须让气体流经的长度变长,才能让车顶的气压比车底高,进而产生下压力,最好的方法就是加装一支尾翼,就像F1赛车一样。一般来说,由于扩散器产生下压力的效率非常高,所以现代F1赛车扩散器负责产生总下压力的40%左右,使得F1赛车研发部门都会将提高扩散器效能视为重点工作,所以不同赛车最重要的空力设计差异,有时在我们看不见的车辆底部。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理扩散器向上弯曲的角度是需要经过严密的研究与实验,保证内部的气流顺畅地流经扩散器的顶部与侧边而不发生气体乱流,才能发挥真正效用。

空力套件若设计不良也可能造成反效果,有在关心国外赛事的读者一定都记得,1999年的24小时利曼耐久赛,M.Benz的CLK-GTR厂车因车头空力套件设计不良的关係,让原本应该是下压力的气流全数变成上扬力,导致在赛道大直线上以超过300公里的时速车头直接扬起宛若飞机起飞画面,整辆利曼厂车在空中直接翻转360度后落地。而另一辆M.Benz CLK-GTR厂车居然在隔圈的同一地点也发生同样事故,逼迫M.Benz立即召回还在场上奔驰的另一辆CLK-GTR厂车回Pit并放弃比赛,这就显现空气力学的重要性。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理F1赛车拥有最複杂的车底扩散器,其负责产生总下压力的40%左右,使得F1赛车研发部门都会将提高扩散器效能视为重点工作

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理每年会根据去年比赛经验进行车体空力设计变更的F1方程式赛车,其实有很多重要空力结构都在看不见的车底下。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理 

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理许多国际知名品牌的超跑专用空力套件,都会经过风洞测试,确定空气力学设计没有问题后,才会正式贩售,也因此价格通常贵得惊人,至于一般改装车使用的外观套见很少会如此费工。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理要使扩散器发挥作用,车底没有同时进行平整化设计是不行的,因为平整化底盘须负责导引气流到扩散器,扩散器才能发挥加快气流速度的效果。

让空气到正确位置

提高引擎散热效率

空力套件除了文前所提的功用之外,还有另外一项很重要的功能就是提昇车辆机件散热效率,读者都知道车辆只要一发动便会产生相当多的热能,不管是引擎的热或是煞车带来的热,都需要在最短的时间内排除,让车辆机件能够顺利正常的继续工作,而散热最有效也最方便快速的方式就是利用取之不尽、用之不竭的空气。举例来说,Subaru Impreza车身外观最引人注目的特徵就是引擎盖上的进气口,而此进气口乃是提供置于引擎上方的Intercooler散热使用。而其他一些将Intercooler置于前保桿中央的车款(如三菱的EVO),前保桿都会有相当大的开口(称为进气坝)提供充裕的撞风面积让Intercooler散热使用,这些都是使用外观空力套件设计来利用空气力学的相关例子。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理强大的空气力学效应,让F1赛车不断吸出车底下方的雨水,并在车尾后方产生一道水墙,速度愈快水墙愈大。

老实说,笔者讲了那幺多关于空力设计的原理,对很多改装空力套件的车主来说,却不是重点,这是因为空气力学的整流下压效果,都需在高速时才能发挥效用,很多人几乎不会开到那种速度,而流体力学的设计必须仰赖风洞实验室实际测试才能提供设计者确切数据,除少数世界知名大厂外,大部分改装品牌几乎没有风洞实验室可供设计开发空力套件,因此除正规赛事厂车的製作会考量到空气力学外,消费者选购空力套件的第一要素反而变成美观及售价为重点,空气力学的考量便成其次、甚至不考虑,而这种现象其实不只出现在台湾,几乎全球各地的改装市场都是。因此许多车主改装空力套件的另一个目的就是宽体改造,透过额外加装的钣件,加宽叶子板宽度,让左右轮距可拉大些,除了提高视觉霸气外,也有助于高速过弯的稳定性。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理相较于F1赛车轮胎裸露在外的车体设计,利曼赛车採用全包覆式车体,使得高速行驶时的空气阻力更低,因此极速往往可超越F1赛车常见的320km/h极速,达到将近400km/h的超高速境界。

至于影响空力套件售价最主要的因素就在于材质,当然有经过风洞实验室实际测试的产品不在此限,但一般空力套件都是依照材质的选用来影响售价,而目前市面上製作空力套件时所採用的材质大致可分为FRP、PP、ABS及Carbon等四大类,关于这部分的分析,笔者在下一章节将有详细说明,大家可喝杯水、喘口气,再继续看下去。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理1999年的24H利曼耐久赛,M.Benz CLK-GTR厂车因车头空力套件设计不良的关係,导致在赛道大直线上以超过300公里的时速,车头直接扬起宛若飞机起飞画面,整辆利曼厂车在空中直接翻转360度后落地。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理空力套件的另一个设计考量是将车头空气有效导引至冷却系统上,进而提昇引擎、传动与煞车系统散热效率。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理许多车主改装空力套件的目的在于获得宽体效果,透过额外加装的钣件,加宽叶子板宽度,让左右轮距可拉大些,除了提高视觉霸气外,也有助于高速过弯的稳定性。

让轮胎黏在地面 空力套件改造原理