从鱼雷到效率 汽车空力套件发展史浅谈

来源:无敌汽车网 文:劳华昕 图:网络 鸣谢: 审:R.P

2016-08-12

[导读] 空气动力学可以说是汽车发展史上最重要的应用。而在汽车上安装的空气动力学部件就是我们常说的空力套件,某程度上其发展历程是汽车发展史的缩影。而今天,我们就来看看,汽车上的空力套件是怎样发展到现在我们常见的样子的。

上世纪70年代,世界经历了两次最严重的石油危机。在汽车发展的早期,低阻主要是用于提升极速表现,而石油危机后,汽车的重归低阻的设计,主要目的就是获得更省油的效果。而运动车型上,则对下压力的研究会更深入。但随着汽车技术发展和速度的增加,汽车生产商开始寻求一个在低阻的设计同时也获得更高下压力的设计。

图:现代汽车对空气动力学的研究已经进入电子化模拟时代,并不拘泥于所谓的传统造型。譬如仿生学等也加入到空气动力学的研究素材中去。图为Mercedes-Benz Bionic仿生概念车,模仿鱼类的造型,风阻系数仅有0.09。

 

空气动力学在汽车上的基本概念在上世纪80年代左右算是有比较完善的理论体系。而随着科技的发展,往后汽车的空气动力学应用都是在降低阻力,提升下压力和其他方面的综合应用上发展。而现代的空气动力学主要是围绕着“可变、效率”等主题进行研究。

图:在一些赛车中,空气动力学除了增加下压力和降低阻力,还有别的用处。譬如这台美国Sprint Car赛车,不对称的巨大风翼,能够高速时产生向左的偏转力矩而帮助这台车在抓地力较差的地面也能顺利转弯。

图:启闭式头灯(俗称跳灯)相信是不少车迷的浪漫回忆,尤其在八十和九十年代里,如果没有跳灯装备的,都不好意思叫自己是跑车。不过这种灯组是当年汽车造型需求和车灯制造工艺不可调和的产物,后来被潜望镜式大灯取代。

 

一直以来下压力和低阻的需求往往是不可调和的矛盾,譬如增加扰流翼的迎风面积往往能增加下压力,但风阻也随即增加。而现代的汽车/赛车设计都在寻求下压力/阻力之间的最高效能的设计,也就是尽量在下压力和阻力间获得最高平衡,这就是空力套件设计的效率问题。举个例子,现代的一级方程式和80年代的一级方程式,可能大家的空力套件尺寸相近,风阻也相近,但现代一级方程式在相同车速下获得的下压力已经大大高于早年的赛车。而就算是同年代的赛车,假设他们的风阻是相同的,上游车队和下游车队的赛车能获得的下压力也可以相差30%以上,这就是空力套件效率的问题。

图:多年来,F1的设计经历着巨大的变化,除了引擎和车架设计外,进步更大的是空力的进化。

图:现代F1设计中极其复杂的空力设计,要求在有限的迎面气流下能发挥最高的效率。而要在这类顶级赛事中占前列,其关于空力的开发费用足以远远超越悬挂车架和引擎开发费用。谁在空力上占优势,谁就具有更强的竞争力。

图:我们看到的WTAC赛车用上巨大但简单的空力套件,实质上其效率相当低。毕竟对于这类民间主导的赛事而言,空力的投入实在是太大。

图:而一般以车厂为主导的赛事,空力套件反而并不夸张,但其效率却相当高,不少赛道甚至要特别开发低下压力套件。

 

而要说到如何提升效率,这就涉及到相当复杂的流体力学,这里就不详细说了,只简单解释一下。空气拥有非均匀但连续的密度,因此,在相同的迎风面下,因为摩擦的影响,其内部的空气流速和密度均不相同,因此每一个微观部分能产生的下压力均不相同。越靠近物体表面空气流速越低,空气密度越高,越远离物体表面,空气流速越高,密度越低。虽然理论上说,空气流速越高产生的负压越大,但越远离物体表面,其下压力产生的效果也越差,越接近物体本身,其下压力才能有效发挥。要提升空力套件的效率,实际上就是要将流经空力套件的的空气都发挥出最大的效果。因此可以见到现代F1赛车上极度复杂和讲究的空力套件形状,就是为效率而生。

图:现代的空力套件将会走上可变的道路,如这台Bugatti Vision GT概念车就用上了F1的DRS概念,能选择低阻和高下压力等多种模式。

图:今天的Hyper Car也有很多应用了可变空力套件的设计,如LaFerrari和Huayra等,法拉利车场自建风洞已经是世人皆知,而Pagani先生曾在兰博基尼负责车身设计,也是跟空气动力天天打交道的职位。

 

而在普通量产车上,对于空力套件的效率研究,大多数应用在空力套件可变上。如Ferrari LaFerrari、Pagani Huayra、Bugatti Chiron等,就使用大量的可变空力套件来改善空力效率。这也是未来空力套件的发展方向。

编辑后话:写了这么一篇关于空气动力学套件的历史发展文章,再结合汽车改装行业的过去与现在,其实无非就是想说明一个问题:改装用的空力套件绝对是一门极高的学问,绝非用些玻璃纤维对着抄就能抄来的,当中所涉及到的例如下压力、气流扰动系数变化等等,都是需要严密的运算方式得来,说句公道话:很多人觉得原版的空力套件贵,所以选择样子差不多的翻版,但真的敬请大家尊重一下知识产权吧,好的设计的研发成本非常高,导致单价昂贵,即使用计算机模拟的风洞测试每次也是数十万元的开销,如果没有了尊重原创和科学,又何来可持续发展力呢?所以,还是借用一句俗话吧:饭可以乱吃,但包围可不要乱装。

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