汽车扰流板是指安装在轿车后箱盖上的类似倒装的飞机尾翼的部件。有的汽车上装有前扰流板,俗称气坝。有的汽车上侧部装有侧裙,也是扰流板的一种。后扰流板实际上它也被称为“汽车尾翼”。一方面,它使轿车外形增添了动感;另一方面,它更重要的作用是有效地减少了车辆在高速行驶时产生的空气阻力,既节省了燃料,同时也提高了车辆行驶的稳定性。
汽车扰流板的作用
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,也就是说,在时速120km的升力,是时速60km的4倍,是时速40 km的9倍,因此车速越快,空气阻力就越大。
一般情况,当车速超过60km/h,空气阻力对汽车的影响表现得就非常明显。为了有效地减少并克服汽车高速行驶时空气阻力的影响,我们在汽车尾部设计了一种尾翼,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,它能抵消一部分气动升力,控制汽车上浮,使汽车能紧贴着道路行驶,从而起到提高汽车行驶稳定性的作用。除了提高行驶稳定性,汽车尾翼对于节省燃油也有一定帮助。以排气量为1.6L的轿车为例,安装汽车尾翼后,在一般道路上行驶,耗油量减少或许不明显,但在高速路上行驶,则能省油大约10%。
汽车扰流板的空气动力学原理
尾翼,即汽车扰流板并不是简单的起装饰作用,而是使汽车在高速驰骋时增加它的抓地力和稳定性,特别是使汽车在弯道不易于翻倒,并且可以节省燃油。那么它是如何起这种作用的呢?这就需要我们先来了解一下飞机机翼升力机制的空气动力学原理。
飞机在飞行过程中会受到重力、空气阻力、
推力和
升力,而机翼的作用就是产生升力,即用来平衡重力而不致使飞机掉下。图2为机翼的侧视图及在高速状态下的气流分布,可见机翼的侧向截面是顶部弯曲而底部相对较平的形状。当机翼在空气中穿过时将气流分隔开来,部分空气从机翼上方流过,另一部分则从其下方流过。空气的流动在日常生活中是看不见的,但低速气流的流动却与水流有较大的相似性。
日常的生活经验告诉我们,当水流以一个相对稳定的流量流过河床时,在河面较宽的地方流速慢,在河面较窄的地方流速快。流过机翼的气流与河床中的流水类似,由于机翼一般是不对称的上表面比较凸而下表面比较平,流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水,流速较快;而流过机翼下表面的气流正好相反,类似于较宽地方的流水,流速较上表面的气流慢。根据伯努力方程所得的流体力学基本原理,在流体的流动中,压强跟流速有关,流速v大的地方压强p小,流速v小的地方压强p大。
同理,空气流动慢的区域大气压强较大,而流动快的区域大气压强较小,这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高。换一句话说,就是大气施加于机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大,二者的压力差便形成了飞机的升力,且流速越大,这个升力也越大,这也正是为什么飞机起飞需要一个较大的速度的原因,因为这是需要升力大于飞机本身的重力。
汽车侧面视图也类似于机翼,如图3所示,它的侧面截图上下也是不对称的,也是底部较平、顶部弯曲。那么它在高速运动时,车的前部也会把气流分隔开来,一部分从车体的上方流过,另一部分从下方流过,这样也使它处在和机翼一样的情形中,导致车体上、下表面的气流速度不一样,即上方的流速大于下方的流速,从而导致向上的压力大于向下的压力。二者的压力差也会形成一个升力,使汽车在高速运动时受力情况就象一个机翼,受到向上的一个升力,而且根据伯努力方程可得车速越大升力也会越大,这样就会减小汽车的抓地力(即汽车对地面的压力)。在极端情况下,如速度极大的情况下完全有可能使升力大于车体重力,那就会出现车体离地,造成发动机空转的情况,浪费燃油,有时甚至会出现危险,特别是在拐弯处。如果出现这种情况,就会出现汽车做离心运动的情形,造成车辆翻车的事故。
因此,为了避免这种情况的出现,人们想到了为什么不能把一个“反机翼”安装在汽车上(如图4所示),从而形成一个与机翼升力相反的下压力F。这里的所谓反机翼指的是在汽车上装一个倒置的机翼,它的特征是顶部较平,而底部弯曲,使它在高速的气流中上方的气流速度小于下方的气流速度,进而使上方的气压大于下方的气压,形成一个向下的压力,从而可以抵消车体本身运动所产生的升力,这就是尾翼(扰流板)的空气动力学原理。
汽车扰流板的种类
现在很多汽车都安装有尾翼(扰流板),很多汽车的尾翼,它兼有装饰功能和动力学功能,它不仅可以使汽车的稳定性更好,还可以使汽车外形变得更动感,更时尚。
(1)赛车上的尾翼。比如F1赛车中,由于它的车速高,车体在高速的气流中所表现出的“机翼”化现象特别明显,因此非常有必要来安装抵消这种现象的装置—扰流板。它不仅安装在尾部,车的前端也有这种扰流板,一般分为单层和双层两种,而材质有铝合金、玻璃纤维、碳纤维等多种,其工作方式也有手动可调和自动调节之分。不过无论结构材质有何区别,其根本的目的都是通过增加下压力来改善辆在动态状况下的稳定性。我们关注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。
(2)一般汽车的尾翼。一般的运动型小汽车都装有一个尾翼,一个是为了体现它的运动特性,二是因为运动型的汽车用户可能趋向于玩车技,做一些急转弯、飘移等特技动作,这时候这个尾翼就会起到稳定车身的作用,增加安全性。也有些汽车的尾翼是与车尾贴在一起的,而不是与车尾分离,这种尾翼就不能起到本文之前所提到的这种升力,但它也能提供一定的下压力,其原理与尾翼是不同的,严格地讲不能称其为尾翼。而且现在的很多汽车的尾翼的有效性还是值得怀疑的,更多的是一种外形的装饰。
(3)一些掀背或两厢车后出现的鸭尾状扰流器。现在的一些旅行车、MPV、多功能车都是采用掀背式,大多数都会有一个鸭尾状的尾翼。既可以将车顶上的气流顺畅地导至车后,同时还利用了该气流将后车窗的灰尘清除掉,避免了因灰尘附着而影响到司机的后视野。
汽车前扰流板
气坝就是前扰流板,将前保险杆往下方扩大,形成一个阻挡气流的气坝,如此可以尽量让进入车底的气流减少,避免车底气流过多、造成上扬力、造成后轮抓地力减弱。
侧裙
侧裙指车体两侧安装的裙板,功效也是等同于气坝,用来减少车体两侧的气流进入车底。有一定的扰流作用,在一定条件下可以明显降低空气阻力。侧裙就是车身扰流套件的一部分,美观是其次的。安装得合适的话可以减少车辆行驶中产生的逆向气流。高速时就好像地面吸着底盘一样,很大程度的增加操作稳定性,要配合着前后扰流板用,使汽车高速运行时产生的风阻流畅的从车底划过,不会造成车辆行驶时产生飘移。