國王車訊汽車改裝國王學苑精選要聞 【國王學苑】御風而行的秘密─ 認識《汽車空氣力學》

【國王學苑】御風而行的秘密─ 認識《汽車空氣力學》

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【國王學苑】御風而行的秘密─ 認識《汽車空氣力學》

圖片來源:Mercedes-Benz

在聊到汽車相關的話題時,「空氣力學」是經常會出現的名詞。但是空氣力學是什麼?對於汽車的性能又有什麼影響?就讓本篇【國王學苑】來為讀者們解說。

空氣力學是一門研究空氣流動特性的科學,也是流體力學的一個分支。最初空氣力學主要應用於航太領域,後來則導入汽車工業當中用來提升車輛的性能與效率,並且在不斷發展之下成為一個專門的空氣力學項目。

汽車空氣力學 (Automotive Aerodynamics)

汽車空氣力學的主要目的在於減少阻力來改善車輛運轉效率降低風切噪音以及將行駛噪音極小化,另外還有控制引擎、煞車等部位溫度的作用。至於大家提到空氣力學就會聯想到的下壓力,在一般市售車上其實並不是非常重要的考量,僅有跑車或者賽車等運動型的性能車款才會在下壓力方面多加著墨。空氣力學是相當艱深且複雜的一門科學,因此涵蓋的範圍非常廣泛又多樣化,不過和一般市售車有較大關聯的部分,主要分為阻力、亂流、熱管理以及下壓力。

阻力

把空氣分子想像成是一顆顆的球,覆蓋滿我們周遭的所有空間。汽車在行駛時,就必須將這些「球」推開才能夠前進,這就是空氣對車輛產生阻力的原因。而一個簡單的概念,通常車頭面積越大,需要推開的球就越多,代表著產生的阻力就越大,而其「風阻係數」也就會越高。但是要注意,車輛外型流線與否和風阻係數的高低並沒有絕對關係,因為風阻係數還會受到車體亂流、下壓力等其他因素影響,這也是為何我們可以看到一些轎車的風阻係數比多數超級跑車還要低的原因,例如豪華轎車《Jaguar XE》的風阻係數為0.26,但是低扁流線的經典超跑《Ferrari F50》風阻係數卻可達0.372,而《F1》賽車的風阻係數更能夠高達0.75。

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圖片來源:Ford

亂流

如同前面所說的,車輛行駛時就像是不斷推開前方的空氣分子,而這些空氣分子則會因為車體造型的影響而改變流動的方向,當空氣流動的方向不受控制,就會變成亂流。亂流會降低空氣流過車體的效率,進而增加阻力,而且也是風切噪音的來源。因此,汽車製造商在設計市售車的車體時,通常會盡可能地減少車體產生的亂流,除了提高車輛行駛時的靜肅性、舒適性之外,也能夠降低阻力、改善油耗表現。

▼Porsche 911 GT2 RS的輪拱開孔就是為了將車輪產生的亂流導出

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圖片來源:King Autos

亂流最容易在車體突出的地方形成,例如後視鏡。因此現在有許多汽車製造商會對後視鏡的造型下工夫以減少後視鏡造成的亂流以及風切噪音。另一個車體亂流的主要來源則是快速轉動的車輪,當車輪在旋轉的時候會產生大量不規則的空氣亂流。要降低車輪亂流可以靠著改變輪框造型,或者改變輪拱、葉子板的造型來達到目的,另外,輪胎製造商也可以透過改變胎紋的設計來降低輪胎引起的空氣共振噪音。

▼部分市售車款會在後照鏡處設計擾流鰭以改善後視鏡亂流產生的風切噪音

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圖片來源:King Autos

熱管理

搭載內燃機引擎的車款需要恰當的空氣力學將冷空氣導向冷卻水箱以及引擎本體來控制動力系統的溫度,而即便是電動車,也需要為馬達、電控系統以及電池模組進行散熱,其他還有煞車系統、變速箱,或者高性能車款的差速器都會需要仰賴良好的空力設計來達成有效的熱管理。

▼Honda Civic Type R的引擎蓋開孔是為了將冷空氣導入引擎室之內

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圖片來源:Honda

這正是為何我們可以在多數車款上看到車頭水箱護罩的開孔,而一些性能車款更會在引擎蓋開孔導入冷空氣,或者在前保桿設計導風孔將冷空氣導向煞車系統等等,這都是仰賴空氣力學來為車輛高溫零件降溫的實際應用方式。

▼Porsche 911 GT2 RS在行李箱蓋上設計了兩個導風孔,將冷空氣導向煞車系統

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圖片來源:King Autos

下壓力

下壓力顧名思義就是車輛行駛時,氣流對車輛所產生的向下壓力。下壓力可以在高速時將車輛向下壓在路面上,增加車輛高速行駛時的穩定性,而一些性能車款如超級跑車等,則會追求更大的下壓力,讓車輛在高速過彎時能夠增加彎道速度的極限,創造出所謂「貼地飛行」的操控感受。

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圖片來源:McLaren

但是,下壓力越大,也很容易讓車輛的阻力增加,導致效率減低而提高油耗,因此下壓力通常不會是一般市售車考量的重點。而雖然有些空力設計可以在不增加阻力的情況下提升下壓力,但是因為通常設計成本較高,或者會影響一般車款實用性,所以多半只會應用在性能車款之上。

▼平整化底盤能夠在不增加阻力的情況下減少車底亂流,進而提升些許下壓力

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圖片來源:Mercedes-Benz

另外,一般市售車能夠產生的下壓力非常有限,因此車輛的操控表現幾乎完全取決於輪胎的機械抓地力。就連站上最速前驅鋼砲王位的Honda Civic Type R縱使有著一支巨大的尾翼,在時速200 km/h之下也僅能夠產生30公斤的下壓力。所以一般車款的車主千萬不要幻想加裝了一支尾翼或者其他空力套件之後會對車輛操控產生多大的影響,尤其是大部分市售的改裝空力套件根本沒有經過軟體模擬或者風洞測試,不但幾乎沒有提升下壓力的效果,還會增加車輛阻力,僅能夠視為裝飾品罷了

▼Civic Type R的尾翼看似雄偉,但是實際上能夠產生的下壓力卻非常有限

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圖片來源:Honda

▼賽車的空力設計經過縝密的電腦模擬以及風洞測試,在實際的空力效益上並非一般改裝品能夠容易達到的程度

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圖片來源:BMW

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