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关于空气动力学你真的了解吗?

关于空气动力学你真的了解吗?

车评网|驭动汽车 编辑:赵子腾 类型:技术 2019-09-24 10:35
  请拿出笔和纸,写下您能记住所有与汽车空气动力学相关的名词。我猜您最先想到的是cW(空气阻力系数)——没错,知道这个名词含义的人应该是占大多数。正面投影面积?如果您想到了这个词,那还真是不容易,毕竟大多数人并不了解这个词的含义。
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    那您是否听说过CAV,CAH?这两个词分别代表前后轮的气动升力系数。这确实有些超纲,毕竟绝大多数汽车厂商在发布新车时并不会提及这两项数据。然而,对开发高性能跑车的工程师来说,这两个值的大小对加速性和最高车速至关重要。换言之,工程师应尽量减少空气阻力在车身表面上的作用面积。除了提升性能外,这种方式还将对燃油效率带来优化。另一个优化思路是将空气引导至理想区域以最大程度地利用气流——如何做到这一点?答案是,降低车辆的气动升力。



    尽管这是一种不错的手段,但最有效的依然是增加气动下压力,即将CAV和CAH降为负值。“对于我们空气动力学工程师而言,最大的挑战在于,如何在不增加空气阻力的情况下提升气动下压力,”保时捷空气动力学开发经理托马斯·威根德(Thomas Wiegand)如是说,而这正是保时捷在打造高性能跑车过程中实施的设计理念。


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    例如,保时捷911的造型可产生气动升力。“(911)车尾扰流板的位置和角度可调节,该主动式部件可显著降低车辆的气动升力,从而确保车辆在垂直方向上的受力平衡。该部件的另一好处在于降低空气阻力,进而使油耗和排放得到优化。由于主动式部件仅在高速行驶时工作,因此911的经典后驱特性在低速状态下得到了保留,”威根德解释道。最近一段时间以来,搭载旅行套件(Touring Package)的GT3销量不错——从中我们可以得出结论,并非所有购买者都喜欢拥有外置大尺寸尾翼。


    移除了外置大尾翼的旅行套件版GT3是否会因为气动压力不足而飞起?答案是否定的。保时捷工程师增加了车身尾翼的迎角并额外设置了扰流板分流棱边。相比于搭载外置大尾翼的常规版GT3,稳定性差异只有在赛道上的超高速状态下才会体现。



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    设计和气动下压力是一对彼此对立的存在,兰博基尼的产品经理同样非常清楚这一点:“当我们上市一款全新车型时,就空气动力学而言,(无外置尾翼设计)是个非常不错的这种方案:易于驾驶且车速和灵活性能够得到保障。在这种情况下,前轮产生的升力能够通过四轮驱动系统得到补偿。未来,我们还将在后续竞速版车型上采用该方案。例如,我们在Huracán Performante上首次搭载ALA系统,并在Aventador上采用SVJ系统,”兰博基尼空气动力学负责人安东尼奥·特鲁乔(Antonio Torluccio)解释道。


    为了能够在高速状态下实现稳定性和横向加速度优化,如特鲁乔所言,“3%至4%空气阻力系数降幅”为可接受范围。通常来讲,汽车的环流和穿流同样需要优化。其中,穿流有助于动力单元和制动部件的散热,而环流则会对驾驶表现带来影响。


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    800马力级跑车迈凯伦塞纳的负责人马库斯·韦特(Marcus Waite)同样将主动式空气动力学视为关键技术:“这为我们提供了更高自由度。得益于此,我们可以根据赛道的实际情况对平衡性和空气阻力系数进行调节。”迈凯伦跑车轻量化尾翼的重量仅5千克,可同时作为气动制动器和气动下压力生成器,进而提升跑车的最高车速。该尾翼的迎角角度最高为25°。在车辆前部,襟翼的作用与尾翼相反。此外,迈凯伦跑车的车身高度可在竞速环境下降低50毫米,从而利用所谓地面效应以产生更高的下压力。当然,光滑的大尺寸车底表面是实现这一目标的前提。



    回顾历史:在二十世纪70年代,Chapparal车队和Brabham车队曾对“风扇赛车”进行了试验,即在赛车上加装风扇以抽出车底区域的气流。如今,拥有不同外观的跑车是否可以在空气动力性能上占据优势?迈凯伦工程师韦特借鉴DRS(Drag Reduction System,即减少空气阻力系统)并将其移植到量产跑车上。自2011年起,F1赛车搭载DRS可变式尾翼部件。


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    兰博基尼Aerodinamica Lamborghini Attiva系统简称ALA(Attiva即意大利语中尾翼的意思),区别于常规可变式尾翼,而是在车身前后区域设置可开闭导流孔。在导流孔开启的状态下,空气阻力降低;在闭合的状态下,启动下压力升高。车尾导流孔支持单侧开闭,增加低附着力后轮的摩擦力,从而使CAH降至负值区间。


    在特鲁乔看来,这是一项具有未来潜力的技术:“在确保风翼刚性的前提下,车辆轻量化得以实现。此外,主动式部件的响应时间很短。”尾翼的尺寸无需过大:“单位面积可承受的载荷非常高。对以竞速为主要使用场景的高性能车来说,外置尾翼仍是产生气动下压力最有效的解决方案。”


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    保时捷采用了区别于迈凯伦和兰博基尼主动式风翼部件的方案,而是仍然在911的衍生车型GT2 RS和GT3 RS上采用大尺寸外置尾翼。其中的一个原因在于,保时捷采用了后轮转向系统。事实上,后轮转向与空气动力性能彼此影响:在高速状态下,后轮与转向轮保持相同的方向,换言之,车辆的等效轴距被拉长,驾驶稳定性得到提升——而这恰恰是空气动力学本应起到的作用。保时捷空气动力学专家威根德认为,主动式系统将是未来的发展方向。同底盘之于驾驶特性一样,扰流板、风翼和可调节冷却气流将同样扮演重要的角色。


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    首款搭载电动伸缩式尾翼的车型为1989年上市的911 Carrera 4(964),cAH从0.18降至0.02。保时捷对空气动力学优化部件的开发从未停歇,目前正在对一种全新材料进行研究:该材料的形状可根据电压和温度的不同发生改变,进而优化空气动力性能。既然车辆的物理尺寸很难不断缩小,那么未来,车辆的所有空气动力学参数是否都将变为可主动式调节?这确实是个不错的研发方向。



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