自動車の空気力学

自動車の空気力学は、道路を走る車両の空気力学を研究する学問です。その主な目的は、抗力と風切り音を減らし、騒音放出を最小限に抑え、高速走行時に不要な揚力やその他の空気力学的不安定性の原因を防ぐことです。この場合、空気も流体と見なされます。一部のレーシング車両では、牽引力とコーナリング能力を向上させるために ダウンフォースを生成することも重要です。

空気抵抗の摩擦力は、車両の速度とともに大幅に増大します。^[1] 1920 年代初頭から、技術者は高速走行時の空気抵抗を低減するために自動車の形状を考慮し始めました。1950 年代までには、ドイツと英国の自動車技術者が、高性能車両に対する自動車抵抗の影響を体系的に分析していました。^[2] 1960 年代後半までには、科学者は、高速走行時に自動車から発せられる騒音レベルが大幅に増大することにも気付きました。これらの影響により、隣接する土地利用の騒音レベルの強度が非線形に増大すると理解されました。^[3] すぐに、高速道路の技術者は、空気抵抗が生み出す騒音レベルの速度効果を考慮して道路を設計し始め、自動車メーカーは車両設計で同じ要素を考慮しました。

車両から部品を取り除くことは、設計者や車両所有者にとって、コストと労力をかけずに車両の寄生抵抗と正面抗力を減らす簡単な方法です。部品の取り除き方は、アフターマーケット部品、つまり製造後に車両に取り付けられた部品を取り除くだけ、またはOEM部品（車両に元々取り付けられていた部品）を改造して取り除くだけです。ほとんどの量産スポーツカーや高効率車両は、自動車市場やレース市場で競争力を保つために、こうした部品の削除が標準装備されていますが、見た目を重視したり、顧客層の一般的な用途に合わせたりするため、抵抗を増大させる要素を車両から取り除くことを選択する車両もあります。^[4]

リアスポイラーは通常、ほとんどのスポーツカーに標準装備されており、車両後部の盛り上がった翼の形に似ています。車両設計におけるリアスポイラーの主な目的は揚力を打ち消し、それによって高速時の安定性を高めることです。可能な限り低い抗力を達成するには、空気が乱流の可能性のある領域に接触することなく、車両の流線型のボディの周りを流れる必要があります。リアデッキリッドから離れたリアスポイラーの設計はダウンフォースを増加させ、高速時の揚力を減らしますが、抗力のペナルティを招きます。フラットなスポイラーは、おそらくわずかに下向きに傾けられており、乱流を減らして抗力係数を減らすことができます。^[5]一部の車は現在、自動調整式リアスポイラーを備えているため、低速では揚力の減少による利点が必要ない場合に抗力への影響が軽減されます。

サイドミラーは車両の正面面積を増加させ、車両の側面から突き出ているため抗力係数も増加させる。^{[6] [7]}サイドミラーが車両の抗力に与える影響を減らすために、サイドミラーをより小さなミラーまたは異なる形状のミラーに置き換えることができる。2010年代のいくつかのコンセプトカーでは、ミラーを小さなカメラに置き換えているが^[8]、ほとんどの国でサイドミラーが義務付けられているため、このオプションは量産車では一般的ではない。ミラーをカメラに交換した最初の量産乗用車の1つはホンダeであり、この場合、ホンダはカメラにより空気抵抗が「従来のドアミラーと比較して約90％」減少し、車両全体の抗力が約3.8％減少したと主張している。^[9] 2つのサイドミラーは自動車の総空気抵抗の2〜7％を占めると推定されており、それらを取り外すと燃費が1.5〜2マイル/米ガロン向上する可能性がある。^[10]

ラジオアンテナはサイズが小さいため抗力係数にそれほど大きな影響を与えませんが、車の前部から突き出ているのが一般的ですが、位置を変えたりデザインを変更したりすることで、この追加の抗力を車から取り除くことができます。標準的な車のアンテナの最も一般的な代替品は、ほとんどの高効率車両に見られるシャークフィンアンテナです。^[11]

空気がホイール ウェルの周囲を流れると、車両のリムによって乱され、ホイールの周囲に乱流領域が形成されます。空気がホイール ウェルの周囲をよりスムーズに流れるようにするために、滑らかなホイール カバーが使用されることがよくあります。滑らかなホイール カバーは、空気が通過するための穴がないハブ キャップです。この設計により抗力は軽減されますが、カバーがブレーキ システム周辺の空気の流れを妨げるため、ブレーキがより早く加熱される可能性があります。その結果、この変更はスポーツ カーやレーシング カーよりも高効率車でよく見られます。^[12]

エアカーテンはボディのスロットから空気の流れを逸らし、ホイールウェルの外側の端に向かって導きます。^{[13] [14] [15]}

車のフロントグリルは、ラジエーターに空気を流すために使用されます。流線型のデザインでは、空気は車内を流れるのではなく、車体の周囲を流れます。しかし、車のグリルは、空気の流れを車体の周囲から車体内部に向け直し、それによって抗力が増大します。この影響を軽減するために、グリルブロックがよく使用されます。グリルブロックは、車のフロントグリルの一部または全体を覆います。ほとんどの高効率モデルまたは抗力係数が低い車では、非常に小さなグリルがすでに車の設計に組み込まれているため、グリルブロックは不要です。ほとんどの量産車のグリルは、通常、ラジエーターを通ってエンジン室に排出される空気の流れを最大化するように設計されています。この設計では、実際にはエンジン室に空気が流れ込みすぎて、適時に暖まらなくなることがあります。このような場合、グリルブロックを使用して、エンジン性能を向上させ、同時に車の抗力を低減します。^{[16] [ページが必要]}

車両の下部は、さまざまな場所で空気を閉じ込め、車両の周りに乱流を発生させることがよくあります。ほとんどのレーシングカーでは、アンダートレイと呼ばれるもので車両の下部全体を覆うことで、この乱流を解消しています。このトレイは、空気が車両の下に閉じ込められるのを防ぎ、抗力を減らします。^[12]

フェンダースカートは、多くの場合、車両のボディパネルの延長として作られ、ホイールウェル全体を覆う。滑らかなホイールカバーと同様に、この改造により、ホイールウェルに空気が閉じ込められるのを防ぎ、車両のボディを流線型にすることができるため、車両の抗力が低下する。フェンダースカートは、タイヤが回転せず、設計がはるかに単純なため、車両の後輪ホイールウェルによく見られる。これは、初代ホンダインサイトなどの車両によく見られる。フロントフェンダースカートは、後輪スカートと同様に抗力を低減する効果があるが、曲がるときにタイヤが車体から突き出るのを補正するために、車体からさらにオフセットする必要がある。^[12]

ボートテールは、車両全体の抗力を大幅に減らすことができます。ボートテールはティアドロップ型を作り、車両をより流線型のプロファイルにし、抗力を引き起こす流れの分離の発生を減らします。^[17]カムバックは、切り詰められたボートテールです。これは、車両後部の延長として作成され、後部を車のバンパーに向かってわずかに角度を付けて後方に移動します。これも抗力を減らすことができますが、ボートテールの方が車両の抗力をさらに減らします。とはいえ、実用的およびスタイル上の理由から、カムバックはレース、高効率車両、およびトラックでより一般的に見られます。^[18]

自動車の空気力学は、航空機の空気力学とはいくつかの点で異なります。

• 道路車両の特徴的な形状は、航空機と比較すると、あまり流線型ではありません。
• 車両は空中ではなく、地面に非常に近い場所で動作します。
• 動作速度は低くなります (空気抵抗は速度の2 乗に比例して変化します)。
• 地上車両は航空機よりも自由度が少なく、その動きは空気力の影響を受けにくくなります。
• 乗用車や商用地上車両には、その本来の目的、高い安全基準（例えば、衝撃吸収帯として機能する「デッド」構造空間をさらに必要とする）、特定の規制など、非常に特殊な設計上の制約があります。

自動車の空気力学は、コンピュータ モデリングと風洞試験の両方を使用して研究されています。風洞試験から最も正確な結果を得るために、風洞にはローリング ロードが装備されることがあります。これは作業セクション用の可動床で、空気の流れと同じ速度で動きます。これにより、作業セクションの床に境界層が形成され、結果に影響が及ぶのを防ぎます。

ダウンフォースとは、自動車の空力特性によって生み出される下向きの圧力のことで、これにより自動車はトラックや路面に密着してコーナーをより速く通過できるようになります。車両のダウンフォースを高める要素の中には、抗力も高めるものがあります。下向きの空気力は自動車の速度と牽引力に影響を与えるため、良好な下向きの空気力を生み出すことは非常に重要です。^[19]

ウィキメディア・コモンズには、道路車両の空気力学に関連するメディアがあります。

• ダウンフォースを発生させた最初の車の1つ - CFDで分析されたプレボスト