關於空氣動力學你真的瞭解嗎?

關於空氣動力學你真的瞭解嗎?

請拿出筆和紙,寫下您能記住所有與汽車空氣動力學相關的名詞。我猜您最先想到的是cW(空氣阻力系數)——沒錯,知道這個名詞含義的人應該是佔大多數。正面投影面積?如果您想到了這個詞,那還真是不容易,畢竟大多數人並不瞭解這個詞的含義。

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那您是否聽說過CAV,CAH?這兩個詞分別代表前後輪的氣動升力係數。這確實有些超綱,畢竟絕大多數汽車廠商在發佈新車時並不會提及這兩項數據。然而,對開發高性能跑車的工程師來說,這兩個值的大小對加速性和最高車速至關重要。換言之,工程師應儘量減少空氣阻力在車身表面上的作用面積。

除了提升性能外,這種方式還將對燃油效率帶來優化。另一個優化思路是將空氣引導至理想區域以最大程度地利用氣流——如何做到這一點?答案是,降低車輛的氣動升力。


儘管這是一種不錯的手段,但最有效的依然是增加氣動下壓力,即將CAV和CAH降為負值。“對於我們空氣動力學工程師而言,最大的挑戰在於,如何在不增加空氣阻力的情況下提升氣動下壓力,”保時捷空氣動力學開發經理托馬斯·威根德(Thomas Wiegand)如是說,而這正是保時捷在打造高性能跑車過程中實施的設計理念。


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例如,保時捷911的造型可產生氣動升力。“(911)車尾擾流板的位置和角度可調節,該主動式部件可顯著降低車輛的氣動升力,從而確保車輛在垂直方向上的受力平衡。該部件的另一好處在於降低空氣阻力,進而使油耗和排放得到優化。由於主動式部件僅在高速行駛時工作,因此911的經典後驅特性在低速狀態下得到了保留,”威根德解釋道。最近一段時間以來,搭載旅行套件(Touring Package)的GT3銷量不錯——從中我們可以得出結論,並非所有購買者都喜歡擁有外置大尺寸尾翼。


移除了外置大尾翼的旅行套件版GT3是否會因為氣動壓力不足而飛起?答案是否定的。保時捷工程師增加了車身尾翼的迎角並額外設置了擾流板分流稜邊。相比於搭載外置大尾翼的常規版GT3,穩定性差異只有在賽道上的超高速狀態下才會體現。


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設計和氣動下壓力是一對彼此對立的存在,蘭博基尼的產品經理同樣非常清楚這一點:“當我們上市一款全新車型時,就空氣動力學而言,(無外置尾翼設計)是個非常不錯的這種方案:易於駕駛且車速和靈活性能夠得到保障。

在這種情況下,前輪產生的升力能夠通過四輪驅動系統得到補償。未來,我們還將在後續競速版車型上採用該方案。例如,我們在Huracán Performante上首次搭載ALA系統,並在Aventador上採用SVJ系統,”蘭博基尼空氣動力學負責人安東尼奧·特魯喬(Antonio Torluccio)解釋道。


為了能夠在高速狀態下實現穩定性和橫向加速度優化,如特魯喬所言,“3%至4%空氣阻力系數降幅”為可接受範圍。通常來講,汽車的環流和穿流同樣需要優化。其中,穿流有助於動力單元和制動部件的散熱,而環流則會對駕駛表現帶來影響。


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800馬力級跑車邁凱倫塞納的負責人馬庫斯·韋特(Marcus Waite)同樣將主動式空氣動力學視為關鍵技術:“這為我們提供了更高自由度。得益於此,我們可以根據賽道的實際情況對平衡性和空氣阻力系數進行調節。”邁凱倫跑車輕量化尾翼的重量僅5千克,可同時作為氣動制動器和氣動下壓力生成器,進而提升跑車的最高車速。該尾翼的迎角角度最高為25°。在車輛前部,襟翼的作用與尾翼相反。此外,邁凱倫跑車的車身高度可在競速環境下降低50毫米,從而利用所謂地面效應以產生更高的下壓力。當然,光滑的大尺寸車底表面是實現這一目標的前提。


回顧歷史:在二十世紀70年代,Chapparal車隊和Brabham車隊曾對“風扇賽車”進行了試驗,即在賽車上加裝風扇以抽出車底區域的氣流。如今,擁有不同外觀的跑車是否可以在空氣動力性能上佔據優勢?邁凱倫工程師韋特借鑑DRS(Drag Reduction System,即減少空氣阻力系統)並將其移植到量產跑車上。自2011年起,F1賽車搭載DRS可變式尾翼部件。


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蘭博基尼Aerodinamica Lamborghini Attiva系統簡稱ALA(Attiva即意大利語中尾翼的意思),區別於常規可變式尾翼,而是在車身前後區域設置可開閉導流孔。在導流孔開啟的狀態下,空氣阻力降低;在閉合的狀態下,啟動下壓力升高。車尾導流孔支持單側開閉,增加低附著力後輪的摩擦力,從而使CAH降至負值區間。


在特魯喬看來,這是一項具有未來潛力的技術:“在確保風翼剛性的前提下,車輛輕量化得以實現。此外,主動式部件的響應時間很短。”尾翼的尺寸無需過大:“單位面積可承受的載荷非常高。對以競速為主要使用場景的高性能車來說,外置尾翼仍是產生氣動下壓力最有效的解決方案。”


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保時捷採用了區別於邁凱倫和蘭博基尼主動式風翼部件的方案,而是仍然在911的衍生車型GT2 RS和GT3 RS上採用大尺寸外置尾翼。其中的一個原因在於,保時捷採用了後輪轉向系統。

事實上,後輪轉向與空氣動力性能彼此影響:在高速狀態下,後輪與轉向輪保持相同的方向,換言之,車輛的等效軸距被拉長,駕駛穩定性得到提升——而這恰恰是空氣動力學本應起到的作用。保時捷空氣動力學專家威根德認為,主動式系統將是未來的發展方向。同底盤之於駕駛特性一樣,擾流板、風翼和可調節冷卻氣流將同樣扮演重要的角色。


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首款搭載電動伸縮式尾翼的車型為1989年上市的911 Carrera 4(964),cAH從0.18降至0.02。保時捷對空氣動力學優化部件的開發從未停歇,目前正在對一種全新材料進行研究:該材料的形狀可根據電壓和溫度的不同發生改變,進而優化空氣動力性能。既然車輛的物理尺寸很難不斷縮小,那麼未來,車輛的所有空氣動力學參數是否都將變為可主動式調節?這確實是個不錯的研發方向。


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