常州农业银行工作时间:扰流板/导流板---汽车与空气动力学

 扰流板/导流板---汽车与空气动力学  

五岳盟主/编辑        空气动力学是一门深奥的度量科学。一辆汽车在行使时,会对相对静止的空气造成不可避免的冲击。车底的气流会对车头和引擎舱内产生一股浮升力，削弱车轮对地面的下压力，影响汽车的操控表现。另外当汽车高速行使时，一部分动力也会被用做克服空气的阻力。所以，空气动力学对于汽车设计的意义不仅仅在于改善汽车的操控性，同时也是降低油耗的一个窍门。
       一、对付浮升力的方法
       对付浮升力主要的方法是使用车底扰流板，如我们熟知的“文式管”（Ferrari 360和ENZO屁股下面的喇叭管道）。现在只有Ferrari 360M 、Lotus Esprit 、Nissan Skyline GT－R还使用这样的装置。
另一个主流的做法是在车头下方加装一个坚固而比车头略长的阻流器。就是我们熟称的气坝。它可以将气流引导至引擎盖上，或者穿越水箱格栅和流过车身。至于车尾部分，其课题主要是如何令气流顺畅的流过车身，车尾的气流也要尽量保持整齐。
       二、尾翼的基本设计
       尾翼和扰流器的诞生正是要解决气流和浮升力的问题。我们见到过的尾翼可谓五花八门、千奇百怪。不过它们却有着相同的特点：表面狭窄、水平面离开车身安装（如果尾翼紧贴在车身安装，如果它不仅仅起到装饰作用，便只有扰流器般的作用，这两者是不同的。）尾翼的主要作用是增加下压力，所以尾翼的外形必须像倒置的机翼才行，这样的设计会使流经尾翼下端的气流的速度较流经尾翼上端的来得高，从而产生下压力。还有一种产生下压力的方法是将尾翼前端微微向下倾斜，虽然这种设计会比水平式的尾翼产生更大的空气拉力，但是在调节下压力大小的方面却较有弹性。
       三、尾翼和扰流器的分别
       尾翼和车尾扰流器的分别是后者与车尾连为一体，或者干脆就是车身整体设计的一部分。车尾扰流器其实也可以用来制造下压力，但是常见的功能扔是减少浮升力和气流拉力。掀背车的尾扰流器集结了大量的空气于扰流器的前方，目的是分隔车尾的气流，从而降低浮升力。后扰流器也可以令气流更顺畅的流经车尾，避免气流长时间的徘徊或紧贴在车尾上，如此一来便可以减少空气拉力，同时也可以减低导致浮升力的车底气压。
所以，有很多车书喜欢统称车尾上的凸出物为尾翼是很不专业的行为，比如普通版的911那个可以自动升降的东西该被称为扰流器，而GT2上的那个才是货真价实的尾翼。
       一般来说，欧洲的车厂比较注重汽车的美学设计，同时也很在意Sports Sedan和Racing Edition之间的分别。所以，欧洲的车厂比较忌用尾翼，而日本的车厂则将尾翼作为卖点推给顾客，从这种分别中也可以轻易的体会出不同国家造车哲学的不同。        扰流板的作用主要是为了减少车辆尾部的升力。如果车尾的升力比车头的升力大，就易导致车子转向过多、后轮抓地力减小、高速稳定性差。利用扰流板的倾斜度，使风力直接产生向下的压力，如F1赛车尾部的扰流板一般倾斜15°，高速行驶时可达1000公斤以上的压力。但是，扰流板同时也增加了风阻，如Fl的风阻系数接近1.0(一般轿车为0.3～0.5)。这里就要求在设计时必须"恰到好处"，使增加的风阻与改善的性能相对非常小。
        汽车上的扰流板有多种式样。如赛车上的扰流板较高，这是为了充分发挥扰流作用，使没有乱流的气流直接作用在扰流板上，而且使它产生的下压力不致作用于车身而抵消其效应。因此必须将扰流板离开车身表面安装。

       有些旅行轿车的顶盖后缘安装扰流板，使顶盖上一部分气流被引导流过后窗表面。这样既可使后窗后部的升力降低，也可引导气流将后窗表面浮尘消除，避免尘污附着而影响汽车后视野。在许多普通轿车上，也装有扰流板。其实由于这些车的速度都不是很高，因此扰流板难以发挥实际作用，而美化车身外观则成了装扰流板的最大目的。
     
        四、尾翼和扰流器的简史
       早在上世纪30年代，各大车厂已经开始致力于降低气流拉力，而对于浮升力的研究，各车厂大致要到60年代才开始关注。Ferrari的赛车手Richie Ginther于1961年发明了能产生下压力的车尾扰流器，他也因此闻名于世。随后的Ferrari战车也都使用此项设计。而第一部使用前扰流器（俗称气坝）的汽车应该是大名鼎鼎的Ford GT40。
       这部车在超越时速300km/h时所产生的浮升力令其成为一部根本无法驾驭的汽车，据说在加装了前气坝之后，GT40在达到极速时前轮的下压力由原来的310磅激增至604磅！！！第一部使用尾翼的汽车据说时道奇于60年代末生产的Charger Daytona Plymouth Superbird。
       在欧洲车厂方面，保时捷可以算首家兼顾扰流器的功能和美学设计的车厂。1975的911Tubro的一体式的气坝和鲸鱼尾式的扰流器大副降低了浮升力的产生，其效用高达90。于是在70年代末，气坝和扰流器更成为保时捷的标志。当时有很多以高性能作为卖点的车厂也跟随保时捷的步伐以气坝和扰流器作为卖点。
       现在气坝和扰流器已经非常非常的普通了，几乎时速可以达到百余公里的汽车都使用这些东西。其实如果你的车速并不高，这些东西并不起作用。当车速介于60km/h到80km/h之间时，气流的拉力根本高不过车轮的运动阻力，如果要感受尾翼和扰流器在浮升力和下压力方面的明显作用，时速必须高于160km。其中的原因是因为气流的动力往往是车速的二次方，一部汽车从130km/h加速至260km/h，浮升力和空气拉力将会有四倍的增加。
       同时，所有汽车所有的气坝，在降低气流拉力方面都具有一定的作用。一般来说可以减少5～10的整体气流拉力。另一方面，气坝也有助于冷却引擎，亦方便了雾灯的安装。不过仍然有为数不少的车厂认为尾翼和扰流器是为了美观而设的。不过总体来说，这些空气动力部件都具有一定的实际作用，以上代凌志SC系列来说，加装原厂车尾扰流器之后，汽车的Cd数值由原来的0.32降至0.31。但是Ford Advanced Design Studio的设计师Grant Garrison曾经说过：如果尾翼和扰流器不是那么受欢迎，我们是不会加在车身上的，但是我们可以用其它方法来把车辆设计得具有同样的空气动力学效果。持相同观点的还有大名鼎鼎的Ferrari，众所周知Ferrari为了迁就车身设计的美感是很忌讳在车身上使用尾翼的，而即使以快跑作为最高目的的Enzo Ferrari也使用的是可升降的尾扰流板，其原因是Ferrari的主席认为一部静止的Ferrari不需要任何扰流器！！！
       五、对Cd值的解释
       人们普遍对Cd值存在一些误解。在许多车厂的产品介绍书中，常常会提及新车的风阻系数降低至多少多少Cd，而Cd所指的并不简单是指我们一般所说的空气阻力，而是流气拉力系数（Drag Coefficient），一般而言气流在车尾造成的拉力，数值越低，表示车尾气流处理的越流畅，该部分的浮升力亦会越小，相对而言，车辆行走时的阻力会低一点，后轮的下压力也会好一点。说到这里我们就应该明白，加装尾翼并不一定会增加Cd值！如果加装尾翼和尾扰流器后，车辆尾部气流通过的流畅度增高，那么这辆车的Cd值反而应该降低。汽车设计的空气动力学问题并不止于车尾，其实车头的长度和宽度也会影响一部汽车的总拉力数值。比如前纵置引擎的中心点要比前轴的中心点更前，车头就容易造得很长，而如果加宽前轮距来横置摆放引擎，车头部分就会随着加宽，以上两种情况都会影响到整体的气流拉力（Cda）。虽然有可能一辆车的Cd造得很低，但是同样难以弥补车头部分增加的长度和宽度所带来的整体气流拉力数值的上升，这样一来等于完全抵消了Cd下降的效果。
       比如老款的Accord，虽然风阻系数达到了Cd0.25，可是因为车体全面比上一代要加大许多，所有在高速时的稳定性表现,估计不会有大幅的攀升，如果这方面的表现的确有所改进，也首先应该归功于轴距的加长和悬挂设定的改进，空气动力学的成就反而是次要的。因为民用车的空气动力学表现必须兼顾降低风噪和燃油经济性，所有在设计时必然会对汽车的下压力作出一定的牺牲。
       因此，在大家谈论Cd时，不应该认为Cd代表了一部汽车的整体空气动力表现，更不能轻易的认为随便加装一只尾翼或者巨型扰流器就必然可以获得更好的空气动力学表现！其实充其量它只不过改善了空气动力学中某个部分的表现而已。
       最后，我说说的对改装空气动力学部件的一点个人看法。
       基本上，主流车厂在空气动力学方面的研究在近年来得到了迅猛的发展（原因很简单，内燃机的改进在近十年步伐明显放缓，要想改善汽车的动力表现只有从改善空气动力学和提高动力传输效率两方面入手）。新的量产车在空气动力学方面的表现也越来越好，这也就是说新车的空气动力学设计越来越严谨，随意的改动更加容易破坏汽车原来的空气动力学表现，而非改善。操控性首先讲究的是总体的平衡，所有单单改装Body Kit或者单改其它的空气动力部件很有可能达到和愿意背道而驰的效果。所以如果要改就一件式一起改，而且不要轻易的加装车体的扰流板。第一，车体的扰流板较容易损坏；第二车体的扰流板在正常的车速下根本不能改善汽车的空气动力表现。
导流板与扰流板         
    
    在空气动力学上，有法国物理学家贝尔努依证明的一条理论：空气流速的速度与压力成反比。也就是说，空气流速越快，压力越小；空气流速越慢，压力越大。例如飞机的机翼是上面呈正抛物形，气流较快；下面平滑，气流较慢，形成了机翼下压力大于上压力，产生了升力。如果轿车外型与机翼横截面形状相似，在高速行驶中由于车身上下两面的气流压力不同，下面大上面小，这种压力差必然会产生一种上升力，车速越快压力差越大，上升力也就越大。这种上升力也是空气阻力的一种，汽车工程界称为诱导阻力，约占整车空气阻力的7%，虽然比例较小，但危害很大。其它空气阻力只是消耗轿车的动力，这个阻力不但消耗动力，还会产生承托力危害轿车的行驶安全。因为当轿车时速达到一定的数值时，升力就会克服车重而将车子向上托起，减少了车轮与地面的附着力，使车子发飘，造成行驶稳定性变差。     为了减少轿车在高速行驶时所产生的升力，汽车设计师除了在轿车外型方面做了改进，将车身整体向前下方倾斜而在前轮上产生向下的压力，将车尾改为短平，减少从车顶向后部作用的负气压而防止后轮飘浮外，还在轿车前端的保险杠下方装上向下倾斜的连接板。连接板与车身前裙板联成一体，中间开有合适的进风口加大气流度，减低车底气压，这种连接板称为导流板。在轿车行李箱盖上后端做成象鸭尾似的突出物，将从车顶冲下来的气流阻滞一下形成向下的作用力，这种突出物称为扰流板。 【安装注意】 
       时下流行个性化改装，年轻车主会跟风而上，如加装只在赛车上使用的扰流板。孙国庆表示，加装扰流板，对汽车的构造和扰流板本身的材质都有着非常高的要求。所以，追求个性的车主最好不要随意给车加装扰流板。不适当的加装，只能使汽车看起来特别“扎眼”而别无用处，此外还大大增加了汽车的风阻系数，提高了车辆的实际油耗，并且车速越高，油耗增加得越多。

【慎重安装】 
        为了减少轿车在高速行驶时所产生的升力，汽车设计师在轿车外形方面做了改进，将车身整体向前下方倾斜而在前轮上产生向下的压力，将车尾改为短平，减少从车顶向后部作用的负气压而防止后轮飘浮，还在轿车前端的保险杠下方装上向下倾斜的连接板。连接板与车身前裙板连成一体，中间开有合适的进风口加大气流度，减低车底气压，这种连接板就是导流板。在轿车行李箱盖上后端做成像鸭尾似的突出物，将从车顶冲下来的气流阻滞一下形成向下的作用力，这种突出物就是扰流板。导流板限制空气流过下部车身（使汽车下面的湍流处于最小值，并且使空气的流动阻力降低），而且使前部的车轮不致抬起。边裙引导气流离开后轮，这样可减少气流扰动和气流阻力。扰流板改变了车身后端气流的方向，减少了气流的阻力并可阻止后部车轮抬起。

      现在有很多车主们给自己的轿车加装上扰流板，主要的改进集中在车尾，也就是我们所说的尾翼，但是你真正了解加装尾部扰流板的利或弊吗？扰流板真的适合你吗？

专家一：扰流板的作用主要是为了减少车辆尾部的升力。如果车尾的升力比车头的升力大，就易导致车子转向过多、后轮抓地力减小、高速稳定性差。加装扰流板为何能减少尾部升力?利用扰流板的倾斜度，使风力直接产生向下的压力，如F1赛车尾部的扰流板一般倾斜15度，高速行驶时可达1000公斤以上的压力。但是，扰流板同时也增加了风阻，如Fl的风阻系数接近1.0(一般轿车为0.3～0.5)。这里就要求在设计时必须恰到好处，使增加的风阻与改善的性能相对非常小。

专家二：根据空气动力学原理分析，我们知道汽车在行驶过程中会遇到空气阻力，这种阻力可分为纵向、侧向和垂直上升3个方面的作用力，并且空气阻力与车速平方成正比，所以车速越快，空气阻力就越大。一般情况，当车速超过60km／h时，空气阻力对汽车的影响表现得就非常明显了。为了有效地减少并克服汽车高速行驶时空气阻力的影响，人们设计使用了汽车尾翼，其作用就是使空气对汽车产生第四种作用力，即对地面的附着力，它能抵消一部分升力，控制汽车上浮，减小风阻影响，使汽车能紧贴着道路行驶，从而提高行驶的稳定性。我们观注F1赛事会发现，F1赛车的前后都安装有定风翼，它们为车体提供了近60％的下压力，从而保证了高速下轮胎具有足够的抓地力来保持车身的稳定性。
　　
专家三：加装扰流板对于节省燃油也有一定帮助。在一般道路上行驶，耗油量减少或许不明显，如果在高速公路上以120km／h以上的时速行驶，则此时汽车尾翼的作用就很明显了。但是一般来说不建议小排量的汽车加装扰流板，因为扰流板主要是用来增加车身的稳定性的，针对大排量车来说很重要，但小排量的车安装夸张的尾部扰流板反而会影响车速。

专家四：在一些旅行轿车的车顶后部安装有小型扰流板，这些扰流板使车顶上的一部分气流被引导流过后车窗表面，这样既可使车辆后部的升力降低，也可利用气流将后车窗表面浮尘清除，避免灰尘附着影响车后视野。

专家五：按材质来分，目前市场上的扰流板主要有三种：
第一种是以原厂生产的玻璃钢材质的扰流板，相对比较贴合车身的线条。
第二种就是铝合金的扰流板，给人感觉比较夸张，但导流效果不错，而且价格适中，不过重量要比其他材质的扰流板稍重些。
第三种就是最好的扰流板材质——碳纤维的扰流板，是高刚性和高耐久性的完美结合，并广泛被F1赛车采用，F1赛车上扰流板的空间位置有些是可以调校的，调校方式分为手动和自动两种，其中自动调校型多了液压立柱，可根据车速自动调整扰流板的角度。一般建议消费者选择手动调校型的，液压自动调校型的不仅价格较贵，而且不如手动型操作方便。

      好多人认为扰流板越大越好。其实不然！安装扰流板除了美观作用外，更大的作用是高速时候为爱车提供必要的稳定性。由于大多数轿车以城市道路行驶为主，车辆根本达不到扰流板能够发挥作用的时速，体积越大，低速阻力就越大，再加上很多车主安装的是铝合金扰流板，车身整体重量的增加，也势必导致油耗的上升。因此这样做是得不偿失的，选择一个大方得体美观实用的扰流板才是改装之真谛。现在绝大多数的的车型都是普通轿车，但是很多车主也加装有扰流板，由于这些车的速度不是很高，因此扰流板很难发挥实际的作用，而美化车身外观则成了装扰流板的最大目的。
　　
      通过以上叙述，我想我们应该对加装扰流板有了更高的认识，不管您的爱车是否需要加装扰流板，安全驾驶才是最重要的。

【F1和扰流板】

      随着风洞测试能力的增强和计算机仿真手段的出现，近年的Ｆ１赛车上采用了大量的空气动力学装置。最明显的就是在赛车的前部和后部安装着一排排的定风翼，这些定风翼起到扰流板的作用，能产生下压力，但同时又会产生气动阻力。前定风翼大约提供了赛车总下压力的２５％，后定风翼可提供总下压力的约１／３。前后定风翼包含了许多元件，风翼的角度都是独立可调的。在最外端，定风翼与纵向端板相接，最大限度导引气流，防止气流从风翼末端溢出而降低效率。

       不同赛道有不同空气动力学要求，一般直道短、弯道多的所谓低速赛道需要有较高下压力，如摩纳哥的蒙特卡洛赛道，需要将定风翼的角度调大一些；而一些拥有长直道的高速赛道，如意大利的蒙扎赛道，为了减少在直道上的气动阻力，则需要较小的定风翼角度。但实际上，大量的Ｆ１赛道并非能简单归类为低速或高速赛道，新建的赛道往往都是混合型赛道，同时具备慢弯、高速弯和长直道，定风翼的调整需要和试车数据紧密结合起来。

      赛车的底板同样也是重要的空气动力学装置，它是将碳纤维板直接安装在底盘下部。底板和赛车后定风翼下方的扩散器之间的关系非常关键，向上翘起的扩散器增加了赛车底板和跑道面的距离，降低了那个部位空气流动的速度，就相当于在一个河流变宽的时候，减低了水流的速度。降低赛车速度必须降低下压力，国际汽联近几年来对前定风翼高度、后定风翼的位置、底板尺寸等进行了严格限制，尤其是２００５赛季的规则使得使Ｆ１赛车下压力减少了近２０％，果然０５赛季初的平均单圈成绩比２００４赛季相应增加了２－３秒。其他Ｆ１赛车空气动力学装置还包括装在车身上的各种导流板和翼板等，这些装置的作用主要用于疏导气流，如在前轮后部的导流板是为了梳理车轮后部产生的乱流，使其平顺进入赛车侧箱的散热器口，提高冷却效率。

       尽管空气动力学装置在Ｆ１赛车上起到了关键作用，但包括法拉利车队技术总监罗斯·布朗在内的相当多业界人士却对空气动力学的滥用很是反感，他们认为提高机械抓地能力才是赛车技术发展的光明大道，过度依赖空气动力学“制造”下压力是没有前途的。毕竟，Ｆ１赛车在追求极限速度的同时，也应该对民用车技术的进步作出示范，过多的空气动力学套件很难应用在民用车上。罗斯·布朗说：“我们应该通过规则的约束来制造全新概念的赛车，新赛车应摆脱所有附加空气动力学零件，那些前后翼还有附加小翼都应该消失。”

【相关资料】 
飞机扰流板
       有的称之为“减速板”、“阻流板”或“减升板”等，这些名称反映了它们的功能。分为飞行、地面扰流板两种，左右对称分布，地面扰流板只能在地面才可打开，实际上扰流板是铰接在机翼上表面的一些液压致动板，飞行员操纵时可以使这些板向上翻起，增加机翼的阻力，减少升力，阻碍气流的流动达到减速、控制飞机姿态的作用。

       在空中飞行时，扰流板可以降低飞行速度并降低高度。只有一侧的扰流板动作时，作用相当于副翼，主要是协助副翼等主操作舵面来有效控制飞机做横滚机动。

        在飞机着陆在地面滑跑过程中时，飞行、地面扰流板会尽可能地张开，以确保飞机迅速减速。