负升力翼效果影响因素分析

时间：2023-08-21 理论教育版权反馈

【摘要】：离地高度前负升力翼的安装位置通常很低。影响它作用效果的主要因素有以下几项。图5-132 带襟翼的后负升力翼端板的大小与形状负升力翼的端板的大小对负升力翼的作用效果有很大的影响。目前，F1赛车后负升力翼两侧的端板已代替了以往的翼支架，变成了一物二用。现代F1赛车的后负升力翼基本上均架设于两后轮之间；而前负升力翼的架设跨度有的较长有的较短。

负升力翼效果影响因素分析

赛车的负升力翼按安装位置的不同分为前负升力翼和后负升力翼，如图5-128所示。

图5-128 装有前、后负升力翼的一级方程式赛车

1.前负升力翼

前负升力翼的作用是产生汽车前部的负升力，以改善汽车转向轮的附着性能，同时还可以部分抵消由后负升力翼所引起车头抬起的上仰力矩。影响它效果的主要因素有以下几项。

（1）离地高度前负升力翼的安装位置通常很低。研究结果表明，在汽车的通过性允许的情况下，翼面离地面的高度越小所产生的负升力就越大（如图5-129所示）。从图中可见，当前负升力翼的攻角α均选取-15°时，h/c比值最小（0.470）的这种前负升力翼具有最大的负升力系数值（-1.5）。

（2）攻角α翼板弦线与水平线的交角称为攻角，迎着气流的攻角为负值攻角。攻角必须选取负值才能产生我们所需要的负升力。简言之，负升力翼的翼板正面必须阻滞来流才能产生负升力（即下压力）。攻角越大，翼所产生的负升力就越大（见图5-129）。

图5-129 前负升力翼攻角和离地高度对C_L的影响

（3）翼的形状目前，一级方程式赛车的前负升力翼形状各异，但结构基本相同，翼体一般由主翼板和副翼板组成，翼板一般呈S形，有的还在主翼板上添加小附翼，以增加前轴的下压力（见图5-130）。

图5-130 F1赛车各种式样的前负升力翼

图5-131 负升力翼距车身表面高度h对C_L的影响

2.后负升力翼

后负升力翼的作用是产生汽车后部的负升力，以改善后驱动轮的附着性能，提高汽车的加速性和制动性。根据国际汽联规定，后翼板的长、宽、高尺寸应分别控制在1000mm、500mm、800mm之内。影响它作用效果的主要因素有以下几项。

（1）离地高度后负升力翼与车身表面的距离h是一个很重要的参数。距离太小，会在车表形成局部负压，还有来流多为湍流的影响，从而削减了负升力翼的作用；距离太大，虽然可以不受车身气流干扰而更好地发挥作用，但由于支架强度有限而在高速行驶时容易产生剧烈振动，甚至断裂。为此，“国际汽联”对赛车曾做出规定：后负升力翼的最高点与赛车悬架的下平面之间的距离不得大于800mm。在分析研究中，通常用后负升力翼距汽车表面的高度与翼板弦长之比（即h/c）来描述高度h对后负升力的影响（如图5-131所示）。由图可知，在h/c≤1的范围内，h越大，其C_L负值越大；但当h/c≥1后，C_L值基本保持不变。当h≈c时，后负升力翼的效果最好。

（2）翼板断面形状与角度流经翼面的气流受阻滞后会发生方向偏上的趋势。这样一来，会减小气流相对于翼板的攻角，从而导致负升力值的减小。但如果翼板断面形状和角度设计得当，不仅可以产生预想的负升力，还可以使流向尾部的气流得到适合的压力，以增加尾流静压，降低形状阻力。但产生一定的形状阻力有时是需要的，例如赛车在过弯道前的直道减速就需要它来帮助。

对于赛车而言，所需要的负升力值最好是可以调节的，以适应直道加速与弯道防滑等的不同需要。由此，便出现了“襟翼”。带襟翼的后负升力翼有主翼板和襟翼板，主翼板的攻角一般为-2.5°，襟翼板的攻角可根据不同赛道的需要通过联动机构来改变（如图5-132所示）。

图5-132 带襟翼的后负升力翼

（3）端板的大小与形状负升力翼的端板的大小对负升力翼的作用效果有很大的影响。如果不设置端板或者端板过小，翼梢的两侧绕流将在一定程度上干扰翼面的气流状态（如图5-133a所示），从而减弱了翼板的下压力。适当大的端板能保证产生负升力的效果（如图5-133b所示），但端板过大会引起翼体的抖动。

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图5-133 负升力翼端板大小对负升力的影响

a）较小端板 b）较大端板

端板的形状对气动升力系数C_L也有一定的影响。图5-134给出了四种端板形状对气动升力系数增长的影响程度。其中，以圆角朝前的三角形端板对产生负升力的效果较好。

目前，F1赛车后负升力翼两侧的端板已代替了以往的翼支架，变成了一物二用。一级方程式赛车的后负升力翼与端板的结构可见图5-135。跑车的后负升力翼如图5-136所示。

（4）车轮的转动对于F1赛车，如果前负升力翼设置于前车轮的前面，前轮的转动对前翼附近气流的影响如图5-137所示。由于前轮的存在，会使b处的气流因受阻而减速；而由于前轮的转动使a处的气流因与车轮环流对撞而提前分离，并且因流线向上转折而减小了翼片的负攻角，即减小了前翼的负升力值。因此，在设计前翼时，在位置的选择上应尽可能避开前轮转动对翼面气流的干扰。