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讓輪胎黏在地面 空力套件改造原理

資料來源:Goo 車訊網     2016/12/16
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(文、圖/童國輔)


一部看似平凡的房車,只要經過外觀空力部品的加裝,就能改頭換面提昇性能氣息,讓車有著與眾不同的面貌,也因為如此大家似乎都忘記空力套件的改造目的,除了強化外觀氣息外,最根本的目的是在加強高速行駛的穩定性,愈快的車對於空氣力學的重視程度愈高,因此這是攸關人車安全的配備。


空力套件做的好 車輛穩定沒煩惱
在台灣空力套件最重要的功效是增加視覺效果,但在激烈的賽車場上,空力套件可是攸關車輛操控好壞的重要關鍵,尤其速度愈高時愈顯重要,像F1便相當重視空氣力學,才會有因為尾翼受損,導致車尾失去足夠下壓力而無法順利過彎的情況發生。



最重視空氣力學的車種當以F1方程式賽車莫屬,也因為如此即時同一車隊的賽車,不同年份的車款就會有截然不同的外貌,愈新的車款,車體上的空力設計愈複雜。


下壓力能提高車輛在高速行駛時的穩定度,把車輛牢牢定在地上,若再配合底盤氣流整合製造真空效應,便能大幅提昇高速穩定度,而且速度愈高效果愈大。不過下壓力愈大,車輛必須花更多的引擎動力帶動車身,因此下壓力的控制便成為空氣力學工程師相當頭痛的問題。如何提高車輛行駛時的下壓力,「關鍵在於如何讓車頂的氣流速度比車底慢」,歷經多年的造車科技演變,相關技術與過去相比已有突飛猛進的改變,為了讓大家進一步認識各個空力套件的作用效果,筆者將一一位大家介紹。



前保桿上的定風翼,可將流經車頭的空氣攔阻下來,讓高速氣流對車頭產生額外下壓力,抑制車頭上揚,提高車頭穩定度,是賽車上常見的空力裝置。


首先是最常看到的車頭定風翼及前下擾流(也就是俗稱的前下巴),定風翼可將空氣攔阻下來,讓高速氣流對車頭產生額外下壓力,抑制車頭上揚,提高車頭穩定度,同時並彙整車頭氣流,讓氣流通過車頭之後能夠被導向設計者需要的地方。而前下擾流更為重要,除了一樣有增加車頭下壓力的作用之外,還必須讓氣流平整順暢的通過車底盤(或者是不通過車底盤),配合廠車常使用的一體式平整底盤,加上後下擾流讓車尾氣流順利且快速的排出,將可以製造真空低壓效應,讓車輛牢牢的黏在地上,以提高車輛操控極限,而這樣的目的與改裝「側裙」有著異曲同工之效。



前保桿下方的下擾流(前下巴),可增加車頭下壓力外,還能讓減少氣流進入車底,配合賽車常使用的一體式平整底盤,將在車底製造真空低壓效應,讓車輛牢牢的黏在地上。



透過獨特的空力套件改造,可增加引擎蓋散熱孔,讓水箱熱氣可快速排出車外,提高引擎散熱效率。


尾翼空力作用大 小車不建議安裝
至於許多改裝車或賽車都會加裝的後尾翼(Spoiler),其作用又是如何呢?根據空氣動力學原理分析,我們知道汽車在行駛過程中會遇到空氣阻力,這種阻力可分?縱向、側向和垂直上升3個方面的作用力,並且空氣阻力與車速平方成正比,也就是說車速從20km/h提高一倍到40km/h時,空氣阻力對車輛的影響則是提高4倍,所以車速越快,空氣阻力就越大,一般情況,當車速超過100km/h時,空氣阻力對汽車的影響表現得就非常明顯了。



為了有效利用這股空氣力量,提升高速行駛車尾的穩定性,讓後輪可牢牢的壓制在路面上,賽車工程師設計了汽車後尾翼,其作用就是使空氣對汽車?生第四種作用力,即對地面的附著力,它能抵消一部分升力,抑制汽車上浮,使汽車能緊貼著道路行駛,從而提高行駛的穩定性。這點從F1賽事中也可發現,所有的F1賽車的前後都安裝有定風翼,它們?車體提供了近60%的下壓力,保證了300km/h以上的高速下,輪胎具有足夠的抓地力來保持車身的穩定性,使車輛能穩定的切換車道進行超車。



大型尾翼是許多賽車或改裝車上常見的空力配備,其作用透過翼面設計,讓空氣對其產生下壓力,使汽車能緊貼著道路行駛,從而提高行駛的穩定性,撞風面角度愈大,風阻力量愈強,相對下壓力就愈大。


一般來說不建議小排量的汽車加裝尾翼,因?尾翼主要是用來增加車身穩定性,因此高速行駛時會產生極大空氣阻力,但動力不強的小排量的房車若安裝誇張的GT大尾翼反而會拖慢車速,並且產生耗油的不利影響。除了轎車之外,在一些旅行車或掀背車的車頂後部也可安裝小型尾翼,這些尾翼除了能增加車尾穩定性外,也能使車尾的空氣渦流向後延伸一些距離才倒捲,可有效減少附著於車尾的灰塵,尤其是後擋玻璃不會每次下小雨就髒的要命。


從這張圖中可清楚看出尾翼對空氣產生的擾流作用有多強,車尾後方的氣流線條因為尾翼而出現繁亂的渦旋,因此如果是小馬力的車,建議不要加裝太大支的尾翼,才不會耗油又沒力。


值得一提,既然尾翼對車速與穩定性有著顯著影響,因此許多新型超跑都會改用電動可調角度的尾翼,視車速高低主動調整尾翼高度甚至角度,如此將可減少中低速時尾翼造成的風阻問題,且若翼面夠大片的話,煞車時還可整個掀起,達到空氣制動的效果。



所有的F1賽車的前後都安裝有定風翼,它們?車體提供了近60%的下壓力,保證了300km/h以上的高速下,輪胎具有足夠的抓地力來保持車身的穩定性,使車輛能穩定的切換車道進行超車。



旅行車或掀背車的車頂後部也可安裝小型尾翼,這些尾翼除了能增加車尾穩定性外,也能使車尾的空氣渦流向後延伸一些距離才倒捲,可有效減少附著於車尾的灰塵,尤其是後擋玻璃不會每次下小雨就髒的要命。




許多新型超跑都會使用電動可調角度的尾翼,視車速高低主動調整尾翼高度甚至角度,如此將可減少中低速時尾翼造成的風阻問題,且若翼面夠大片的話,煞車時還可整個掀起,達到空氣制動的效果。


後下擴散器超威武 加快車底氣流速度
除了尾翼能提供明顯的空力效應外,還有一項許多賽車或超跑車尾底部都會看到的部品也須特別介紹一下,那就是擴散器(Diffuser)。擴散器外型就像一塊向上彎曲的板子,其上還設有許多垂直的隔板,且由前向後逐漸擴大,產生一個需要被流經的空氣填滿的廣大空間。



車尾底部擴散器的外型,就像一塊向上彎曲的板子,其上還設有許多垂直的隔板,且由前向後逐漸擴大,產生一個需要被流經的空氣填滿的廣大空間,會這樣設計是有原因的。


擴散器之所以能產生作用,主因在於它可以讓通過車底的混亂氣流,利用整理好的軌道加速流出,相當於一個抽風機,不斷將從車輛前部進入車底的空氣向後抽出,由於車底尾部的氣流快速流出,因此會在此區域產生了一個相對於車頂的真空低壓區,既然車頂氣壓比較高,因此車輛在高速行進時就會被車頂的氣壓牢牢按在地面上。圖A顯示了車尾擴散器的氣體壓力分佈情況,顏色愈深壓力愈低,藍色代表最低壓力區域,紅色表示最高壓力區域。從圖中我們可以看出,在擴散器的前部(喉部)是氣流速度最快也是壓力最低的地方,可將整部車吸在賽道上,之後隨著擴散器空間放大,壓力與氣流速度逐漸恢復正常。



不過擴散器要發揮作用,除了車輛須擁有平整化底盤外,車體上方的空力設計也須相互搭配才行,前者須負責導引氣流到擴散器,擴散器才能發揮作用,後者須讓氣體流經的長度變長,才能讓車頂的氣壓比車底高,進而產生下壓力,最好的方法就是加裝一支尾翼,就像F1賽車一樣。一般來說,由於擴散器產生下壓力的效率非常高,所以現代F1賽車擴散器負責產生總下壓力的40%左右,使得F1賽車研發部門都會將提高擴散器效能視為重點工作,所以不同賽車最重要的空力設計差異,有時在我們看不見的車輛底部。


擴散器向上彎曲的角度是需要經過嚴密的研究與實驗,保證內部的氣流順暢地流經擴散器的頂部與側邊而不發生氣體亂流,才能發揮真正效用。


空力套件若設計不良也可能造成反效果,有在關心國外賽事的讀者一定都記得,1999年的24小時利曼耐久賽,M.Benz的CLK-GTR廠車因車頭空力套件設計不良的關係,讓原本應該是下壓力的氣流全數變成上揚力,導致在賽道大直線上以超過300公里的時速車頭直接揚起宛若飛機起飛畫面,整輛利曼廠車在空中直接翻轉360度後落地。而另一輛M.Benz CLK-GTR廠車居然在隔圈的同一地點也發生同樣事故,逼迫M.Benz立即召回還在場上奔馳的另一輛CLK-GTR廠車回Pit並放棄比賽,這就顯現空氣力學的重要性。



F1賽車擁有最複雜的車底擴散器,其負責產生總下壓力的40%左右,使得F1賽車研發部門都會將提高擴散器效能視為重點工作。



每年會根據去年比賽經驗進行車體空力設計變更的F1方程式賽車,其實有很多重要空力結構都在看不見的車底下。




許多國際知名品牌的超跑專用空力套件,都會經過風洞測試,確定空氣力學設計沒有問題後,才會正式販售,也因此價格通常貴得驚人,至於一般改裝車使用的外觀套見很少會如此費工。



要使擴散器發揮作用,車底沒有同時進行平整化設計是不行的,因為平整化底盤須負責導引氣流到擴散器,擴散器才能發揮加快氣流速度的效果。


讓空氣到正確位置 提高引擎散熱效率
空力套件除了文前所提的功用之外,還有另外一項很重要的功能就是提昇車輛機件散熱效率,讀者都知道車輛只要一發動便會產生相當多的熱能,不管是引擎的熱或是煞車帶來的熱,都需要在最短的時間內排除,讓車輛機件能夠順利正常的繼續工作,而散熱最有效也最方便快速的方式就是利用取之不盡、用之不竭的空氣。舉例來說,Subaru Impreza車身外觀最引人注目的特徵就是引擎蓋上的進氣口,而此進氣口乃是提供置於引擎上方的Intercooler散熱使用。而其他一些將Intercooler置於前保桿中央的車款(如三菱的EVO),前保桿都會有相當大的開口(稱為進氣壩)提供充裕的撞風面積讓Intercooler散熱使用,這些都是使用外觀空力套件設計來利用空氣力學的相關例子。



強大的空氣力學效應,讓F1賽車不斷吸出車底下方的雨水,並在車尾後方產生一道水牆,速度愈快水牆愈大。


老實說,筆者講了那麼多關於空力設計的原理,對很多改裝空力套件的車主來說,卻不是重點,這是因為空氣力學的整流下壓效果,都需在高速時才能發揮效用,很多人幾乎不會開到那種速度,而流體力學的設計必須仰賴風洞實驗室實際測試才能提供設計者確切數據,除少數世界知名大廠外,大部分改裝品牌幾乎沒有風洞實驗室可供設計開發空力套件,因此除正規賽事廠車的製作會考量到空氣力學外,消費者選購空力套件的第一要素反而變成美觀及售價為重點,空氣力學的考量便成其次、甚至不考慮,而這種現象其實不只出現在台灣,幾乎全球各地的改裝市場都是。因此許多車主改裝空力套件的另一個目的就是寬體改造,透過額外加裝的鈑件,加寬葉子板寬度,讓左右輪距可拉大些,除了提高視覺霸氣外,也有助於高速過彎的穩定性。



相較於F1賽車輪胎裸露在外的車體設計,利曼賽車採用全包覆式車體,使得高速行駛時的空氣阻力更低,因此極速往往可超越F1賽車常見的320km/h極速,達到將近400km/h的超高速境界。


至於影響空力套件售價最主要的因素就在於材質,當然有經過風洞實驗室實際測試的產品不在此限,但一般空力套件都是依照材質的選用來影響售價,而目前市面上製作空力套件時所採用的材質大致可分為FRP、PP、ABS及Carbon等四大類,關於這部分的分析,筆者在下一章節將有詳細說明,大家可喝杯水、喘口氣,再繼續看下去。



1999年的24H利曼耐久賽,M.Benz CLK-GTR廠車因車頭空力套件設計不良的關係,導致在賽道大直線上以超過300公里的時速,車頭直接揚起宛若飛機起飛畫面,整輛利曼廠車在空中直接翻轉360度後落地。



空力套件的另一個設計考量是將車頭空氣有效導引至冷卻系統上,進而提昇引擎、傳動與煞車系統散熱效率。



許多車主改裝空力套件的目的在於獲得寬體效果,透過額外加裝的鈑件,加寬葉子板寬度,讓左右輪距可拉大些,除了提高視覺霸氣外,也有助於高速過彎的穩定性。




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