给我下压力

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  在所有以量产车型为平台的改装车中,空气动力学组件改动最成功的恐怕就要数德国DTM赛车和日本的Super GT赛车了。这两个赛事均允许参赛队伍对赛车空气动力学进行深度改动(例如多元素尾翼、扰流板、超低的侧裙、气坝和导流板等),而且对汽车本身的线条破坏很小。这些改动部位协调工作,可以产生巨大的下压力,在赛车高速过弯时刻将车身牢牢地压在地面上。不仅如此,由于抓地力提高了,汽车的加速和制动能力也会相应显著增强。
  一味增大下压力并非全无坏处,付出的代价就是随之升高的空气阻力。要利用空气将车身牢牢地按在地上,势必会增加汽车前进的阻力。不过这点代价算不上很致命。
  阻力的增加会降低汽车的最高车速,但却能显著地提高赛车的过弯速度,因此可以大大减少单圈时间。所以人们普遍认为适当地增加一些阻力是完全可以接受的。许多赛车的风阻系数都在1.1以上,而我们普通轿车基本都在0.35以下。对于赛车来说,它们强劲的马力可以补偿增加的空气阻力带来的速度降低。
  因此,对于赛车来说,最重要的就是产生合适的下压力来提高过弯速度。过大的下压力会让赛车的速度大大降低,而偏小的下压力又提高过弯速度于事无补。对于一场比赛来说,恰巧合适的下压力很难把握,大多数车队都通过不停地试验来找到下压力与空气阻力之间的平衡点。
  
  事实上,几乎所有的量产轿车不但没有下压力,反而会有向上抬升车身的力。更有甚者,这个力对应车速增加呈指数级增加,因此许多量产车在高速时候的操控性非常差,微弱的抓地力不仅使转向变得迟钝又模糊,还让车子的安全性大大降低。如果能适当地增加一些下压力,以上这些缺点都可以得到彻底解决。
  很多空气动力学组件都安装在车的前部,剩下的则基本更靠近车的尾部。通常来说,尾翼多出现在后背箱上,而气坝(前扰流板的下部,用于阻止过多空气进入车底)则都挂在前保险杠的下面。所有空气动力学部件产生的力最终都传递到这些部件固定的部位,因此,尾翼产生的下压力大部分都传递到了后轮上,前轮就会由于杠杆作用而减小一些下压力,尾翼上产生的下压作用让车头有翘起来的趋势。
  为了改善高速下的操控性,必须根据汽车的前后载荷比来相应地增加下压力。大多数的前驱汽车前后轮载荷比在60/40左右,所以增加下压力的话,也必须按照这一比例来同时增加。只有这样,车辆的平衡性才不会被破坏掉。
  如果给一辆已经前后平衡得很好的赛车加一个尾翼,就会导致这辆车的转向趋向于不足的特性,因为前轮的下压力相对于后轮,减小了很多。再加上市场上绝大多数的轿车都设计成轻微的转向不足特性,所以增加的尾翼会在高速下急剧恶化汽车的转向不足特点。为了克服这一缺陷,当然要想办法增加前轮的抓地力。设计合理的气坝(不管是否具有鸭翼)都会为前轮增加不少下压力。
  如果想同时通加前后轮的下压力,就可以分别调整车尾部的尾翼或者扰流板与车前端的气坝或者导流板,使下压力达到预期的大小。尾翼的造型和大小,以及气坝、导流板的类型和尺寸对车辆高速下的操控性影响甚巨。通常来说,气坝的形状和大小都不能调整,而尾翼则可以调节迎风角来获得不同的下压力。在一定范围内,迎风角越大,尾翼产生的下压力也就越大,调节尾翼的迎风角会对车辆在高速下的稳定性产生很大的影响。
  通过使用下面将要介绍的一些空气动力学部件,你也可以自己动手调节自己爱车的空气动力特性,不仅仅包括下压力,还可以调节制动系统冷却效果和操纵稳定性等。有些参数也许只有在赛道上不断地尝试才能调到接近最佳,但是几乎所有的调解方式你都可以在下面的介绍中了解到,所用到的工具几乎每一个改装爱好者家里都有。
  
  反置翼
  
  我们把汽车上用到的小翼称为“反置翼”,以便和飞机上面的“翼”区别开来。尽管这两者形状很接近,但是就如同名字上的差别一样,汽车上用到的“翼”都是下表面更加弯曲,与飞机上的刚好相反,这也是“反置”这一名称的由来。“反置翼”通过在上表面制造较高气压,在下表面制造较低气压而产生下压力。前方到来的空气在翼的最前端分成两部分,一部分从上面经过;而另一部分从下面经过。由于上下表面形状的差异,流经上表面的空气要比下表面的空气速度慢。根据伯努力方程可以知道,流速越慢,空气的静气压越高。所以,“反置翼”上表面空气向下的压力要比下表面向上的压力要大,正是这种压力的差别才产生了一股向下的压力,就是我们通常说的“下压力”。而“反置翼”的出现必然会影响车身表面的空气流动,对车身整体的下压力产生轻微的影响,这一点需要在增加尾翼的时候考虑到。
  大多数的尾翼截面形状在翼展方向都是不变的,而一些更加复杂的尾翼迎风角和形状都不是固定的。在接近翼展末端约20-25%尾翼宽度的地方,那里的迎风角和尾翼中央部位的迎风角是不相同的。这样形状复杂的“三维”尾翼由于考虑了增加尾翼对车身气流的影响,所以比那种简单的尾翼更加有效。在车身宽度方向上,由于流经车顶中央和流经侧面门窗处的实际气流在到达尾翼时会有不同的迎风角,所以设计合理的“三维”尾翼可以更有效地增加下压力,同时减小空气阻力。
  有些尾翼截面形状为单一元素,而有些尾翼的界面为多元素构成。通常,一元翼型可以产生非常大的下压力,单是在一些允许多元翼型的比赛中,多元翼型可以将下压力提高一倍甚至两倍!举例来说,F1赛车的尾翼截面通常为4元素曲线,所以可以产生超过车重好几倍的下压力。另外,多元翼型设计也经常应用了较大弦长(尾翼截面的长度)的尾翼中。尾翼的弦长较大时,流经表面的空气会有加速脱离尾翼的趋势。而通过多元翼型的设计,可以让流经前一个元素表面的空气在脱离翼表面时候恰好遇到下一个元素的表面。这就尽可能地减少了空气流经大弦长尾翼时候的脱离现象,就像喷气式客机完全打开副翼以阻止空气脱离翼面一样。
  
  另外还有些经过实践证明确实可以增加反置翼下压力的部件;比如在赛车中大量使用的格尼冀(指安装在尾翼末端 与尾翼成一定夹角的竖板)。这个竖板由于增加了尾翼上表面垂直方向上的空气导流,所以可以大大地增加下压力。格尼翼的高度以占尾翼弦长的4%为宜,虽然继续增加格尼翼的高度仍然可以增加下压力,但是同时也会极大地增加空气阻力。对于一千20厘米弦长的唯一来说,最适宜的格尼翼高度为0,8厘米,增加这样一个小竖板可以让尾翼上的下压力增加25%。
  
  扰流板
  
  Nismo GT-R的车底部有两个主扰流板来控制车底部低气压空气的流动,最容易观察到的那个就位于后保险杠的下面,另外一个不大容易看到的位于前导流板的正后方。从技术上来说,这两个扰流板的作用都是相同的:尽量减小车底部的空气压力。后部的扰流板上还有几道竖直的隔板,以便空气更加快速有效地通 过车底部。
  后扰流板可以将空气直接排入车后放的低压紊流区,利用后方的低气压来加快车底部空气的流动。此外,后扰流板还将车底的空气排入后方尽可能大的区域中,来延缓气流经过车底之后的混合过程。以上这些途径都可以加快车底部气流的流动,从而降低车底部的气压。由于车底部表面普遍存在低气压,所以车身可以获得非常大的下压力。如果车底部的气压可以降到0.5个标准大气压,即使一个1m×2m的区域也可以产生约538kQ的下压力。
  扰流板上面安装的垂直隔板可以让空气尽可能地贴住扰流板的表面。由于扰流板在车尾部逐渐向上延伸,所以那里的空气流速会放缓,气压会升高。空气动力学专家们称这种现象为有害气压梯度,而要保持气流始终贴在扰流板表面的话,肯定要求气流一直顺畅、不减速地通过扰流板。如果不采取措施加以避免的话,空气分离(空气流速降低的直接后果)会让下压力大大减小。而扰流板上面的竖直隔板会让空气在流动时候产生涡流,加强贴在扰流板上的趋势,延缓车尾部气流的混合,保证车后的低压区可以源源不断地从车底吸走空气。
  
  鸭式翼
  
  
  也可以叫做水平舵,因为这样的小翼在潜艇的塔桥上也能找到,用两种方式来产生下压力。第一种,鸭式翼将正前方水平而来的空气导向上方,空气会给鸭式翼一个向下的反作用力。这种下压力并不是很大,因为翼面上的空气流速要比自由气流低很多。第二种方式,鸭式翼可以产生强烈的涡流,并导向车身的侧面,充当起栅栏的作用。如果这些鸭式翼安装合理的话,它们产生的强烈涡流会阻止车外面较高气压的空气从侧方进入车底部。相对于车底部的低气压来说,一旦外部较高气压的空气进入车底部,势必会升高车底的气压。根据上面的分析,这将会减小下压力。因此,鸭式翼产生的强烈涡流事实上充当起了大坝的作用,阻止外面的空气进入车底的低气压区。由此,车底的低气压状况得以维持,下压力也得到了保证。不幸的是,鸭式翼的效率非常低,因为伴随它们会产生非常大的空气阻力。它们仅对于那些整个车身的空气动力学部件都进行过合理调校的赛车来说,才有存在的价值。
  
  侧向气道
  
  侧向气道出现于赛车上,主要原因有两条;第一,赛车的制动系统和发动机冷却非常重要;第二,大多数的赛车底部都有扰流板将前方的气流导向前车轮空腔的后部。传统的车身设计并没有侧向气道,来自发动机盖处的紊流和由于车轮转动而产生的紊流都将汇聚到前车轮后方狭窄的空间中,再加上来自发动机舱和制动系统辐射的灼热空气,这都会大大增加车辆的空气阻力,并影响发动机和制动系统的散热。侧向气道为这些灼热的紊流提供了一条出口,将这些紊流变成平滑的层流,流向车身侧面。而不是直接排向车身侧面。这些层流还可以和鸭式翼产生的涡流一起,阻止其他空气进入车底部。而发动机舱的空气被抽出之后,新鲜的冷空气又能更好地冷却发动机和制动系统。
  
  气坝和导流板
  
  气坝的首要任务就是限制从汽车前部进入车底部的气流量。气坝通常由复合材料或者铝合金片制成,就像一个水平的栏杆,阻挡了大部分本来要钻入车底的气流。由于进入车底的气流少了,更多的气流就将改道从车顶和侧面经过,造成那里的局部气压比较高。通过车底的气流被限制到固定的狭窄通道里面,流速较快,造成的较低气压又产生一种虹吸作用,从车底吸取气流。目前大部分驾驶姿态比较高的量产车均将简单的气坝整合到了前保险杠里面。
  导流板是位于气坝下面的水平隔板,原理和气坝相同,但是工作性质却不同。多数汽车的车头部位都接近一个方块,前方的气流到来的时候都会在这里减速,形成一个高压的滞留区。导流板正处于这个高压区,可以有效地利用这部分的高压产生下压力。导流板,正如它的名字那样,将它上方的高气压区与车底的低气压区隔离开。车辆周围的气压跟车速的平方成正比的关系,所以随着速度的增加,下压力的增加非常快。对于大多数人来说,只有车速达到约120km/h以上,才能明显地感觉到下压力的变化,而这个下压力会随着车速的变化,或高或低地改变。通过调节导流板的正截面积和延伸长度,前轮的下压力可以调节到一个合适的程度。Nismo GT-R的导流板和大多数的赛车一样,用管道将部分高气压气流引入到发动机舱,为发动机舱换气。
  
  NACA气道
  
  与F1赛车驾驶员头部上方巨大的进气道不同,NACA进气道被集成到了发动机舱盖上面。当1945年NACA(美国空气动力咨询委员会)开发出这种进气道的时候,它的名字是“潜水道式进气口”。NACA气道是一种低气阻的进气道,用来为制动系统,发动机系统,甚至包括坐在驾驶座位接受烘烤的车手提供冷却空气。NACA气道的开口形状非常特殊,顺着气道往里,开口面积越来越大。通过广泛的风洞模型试验,NACA气道里面的气流速度和空气阻力这对矛盾已经逐渐得到了折衷的解决之道。这辆GT-R的NACA气道将部分空气引入后方的空隙中,来冷却制动系统,锋利的气道边角线条可以产生一些涡流,让空气可以紧贴着气道内表面向后扩散。和很多市场上的仿冒品不同,NACA气道的边角必须非常锐利,否则会让向后扩散的空气脱离气道内表面,从而减弱NACA气道的实际作用。
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