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2013年05月27日

★グランドエフェクターの空力的効果の考察★

★グランドエフェクターの空力的効果の考察★
2014.7.26 改訂(人気記事なので)


←今回の主役、GE(改)くん











長ったらしいパーツ考察!


いつものように始めたいと思います(笑)


空力に関する余談まで書いた、
ほんとうに長文なので、
興味のある方だけご覧ください。


その昔から空力改善で注目されているのはボディ下面ですよね。


ボディの周りを流れる気流のうち、
実に3分の1はボディ下面を通過するからです。


ゆえに、この分野での開発が成功すると、
ちょちょいのちょいで、
車の性能が激変します(高速域)。


ただ、昔から注目されて注力したい分野なのは分かってはいますが、
ボディ下面への付加物はどうしても、
組立工場での作業工程の増加、開発費、部品点数の増加、
などのコストの絡みで、
ボツになったり敬遠されがちです。


何せ、ボディがリフトアップされた状態でないと、
コノ類は取り付けできませんから。


できればライン上での流れ作業で効率良く取り付けたいメーカー側にしてみれば、
高速域での空力性能は間違いなく上がるとはいえ、
法的に許されている最高速度が、
40~100km/hという低い速度域の日本という国で主力販売するのでは、
いくら総生産台数が多くても、
人的・物的コストと見合ったものにはならないので、
そう簡単に採用とはなりません。


素人が、走った瞬間、
こうしたパーツの効果(恩恵)を感じれるわけでもありませんから。


なので、こうしたパーツは、
一部のスポーツ系のクルマや、
「走り」の車造りを重視したメーカーのクルマに主に限られます。


話しズレタ…。



さて、その下面に取り付ける、パーツ……、


 『グランドエフェクター』。


さぁ、このパーツの実態はいかに!?




■■ 質量 ■■


 ボルト類&ステー……355g


 台座+スポイラ―(片側)……320g
      〃    (両側)……640g


 総質量……995g


 ボルト類とステーだけでもかなりの質量がありますね。
 軽量化という観点では、取り付けることはマイナスの要素です。
 ただし、ステーは鉄製で3mm厚という、かなり分厚い頑丈なものです。
 それゆえ重いのですが…。

 高速域の風圧に対して、しっかり台座とスポイラ―を保持し、
 機能性を低下させないという点では、この重みはプラスの要素ですね。



■■ スポイラ― ■■

 幅:300mm
 高さ:22mm
 奥行き:30mm
 角度:奥行き半分(15mm部分)で角度変化あり。

 
     前半15mm…約23°
 
     後半15mm…約57°


 両面テープと2ヶ所のリベット留めで固定されています。
 思っていたよりもかなり硬い素材。強化ゴムのようです。
 プラスチックに近いほど固めです。
 これならば、かなりの高速域でも風圧に耐えてくれそうですね。


 “角度”に関しては、2段階の変化です。
 まず走行風は緩い角度(約23°)に当たり、
 そのあと、きつめの角度(約57°)によって下部に流されます。
 これによって、空気流に対して “仕切り板”となってしまうスポイラ―。
 それが生じさせてしまう空気がぶつかる抵抗値(Cd値)を極力低減させつつ、
 空気流を変化させる狙いがあるのかもしれません。


 ただし、後述しますが、実際は…。



■■ 台座 ■■


 1mm厚のステンレス製ですね。
 これぐらいの硬さがあれば、風圧でたわんだりしないでしょう。
 
 ステンレス製で、錆びにくいのも床下パーツにとってプラス要素です。
 
 興味深いのは、台座の前後に“折り込み”が付いていることですね。


 台座『前』部分の折り込みは、高さ9mmで“上”向きに55°のものが。

 台座『後ろ』部分の折り込みは、高さ7mmで“下”向きに45°のものが。


 おそらく、曲げ強度を出すことが第一目的なのでしょうが、
 台座にも「小スポイラ―」効果を持たせようとしたのかもしれません。
 
 実際は効果は薄い…というか無いに等しいかもしれませんが。
 

 …しかし!
 

 ただの台座にする、というので満足せず、
 こういう細かいところまで気配りをしたその心意気と工夫は、
 安くはないお金を払って購入する消費者に対して、
 グッジョブな要素なのではないでしょうか。



■■ 取り付け位置 ■■


 まず最初に、前後の空力バランスというのも大事ですよね。
 “空力中心”をどこに置くか、というのも大切です。


 至極、端的にいえば、
 前が強ければ、挙動はオーバー方向に。
 後ろが強ければ、アンダー方向に。

 
 このDC/DBインテRも、設計は古いですが、
 ちゃんと空力バランスを考えて世に出されました。
 もちろん床下などはやっていません(笑)
 やっているのは前後のスポイラ―程度です。

 
 でも、それによって前後のCl値(揚力係数)をきちんと整えています。
 DC(3ドア)とDB(4ドア)。
 それぞれのリアスポイラ―形状をそれぞれ最適なものにするために、
 形が違う別の設計になっているのは有名な話ですね。
 コストで考えれば、車幅がほぼ一緒なので、
 同じものを使ってもよかったわけですが。
 空力バランスを考えて、
 それだけ真面目に風洞実験され、
 鈴鹿130Rや筑波で実走行でテストを重ねて煮つめられ、開発されたわけです。


 さて、このパーツは前後の位置で言うと運転者の足元ぐらいでしょうか。
 車体が長いDB8インテRでは、
 DC2より少し前気味の中央に設置されることになります。
 空力バランスは、やや前寄りにシフトしますが、
 中央付近に設置されるので、
 純正メーカが煮つめた本来の空力バランスをそれほど崩しません。
 これは良いことですね。
 

 ちなみに余談ですが、空力バランスは大事です。
 皆さんご存じのように下手に大型のリアウィングをつけると、
 高速域でフロントがリフトして、舵が効きにくくなったりします。
 ディフューザーを取り付けると、
 限界挙動がピーキーになったり、ポーパシングが生じる危険があります。

 
 ポーパシングというのは、
 車体のピッチング(車体の前部と後部が激しく上下に揺さぶられること)を
 グラウンド・エフェクト効果が増幅させてしまう現象のことです。
 加減速や路面の凹凸などで車体が上下に振動した際に、
 グラウンド・エフェクト効果が失われて車体が大きく跳ね、
 その直後に効果が回復して車体が強く路面に吸い付けられる場合がある。
 これが短いサイクルで激しく繰り返され、
 激しいピッチングを起こして止まらなくなってしまう現象のことです。
 しかもこれが瞬間的に起こってしまうのが怖い所です。
 ドライバーにはどうしようもできません。

 
 1999年のル・マン24時間レースに出場したメルセデスベンツ・CLRは、
 激しいポーパシングの末にコントロール不能となって宙を舞い、
 ぐるぐる空中で舞って大クラッシュを起こしたのは有名な話ですね。

 
 市販車でも、それほど酷いものではないとしても、この現象は起こりえます。
 硬いバネレートの、車重が軽い車が、かなりの高速走行中に、
 バンピーな路面に乗り上げてフロントが跳ね上がると、
 空力が反転して、挙動が予測不能の不安定な動きを起こすことが有ります。
 ポン付けパーツで中途半端にフロア下面のエアロ分野をイジると、
 高速域で痛い目に遭いますので、気をつけましょう。


 もちろん法定速度を守っていれば、
 軽いメリットの効果を感じる程度で、危険は極微小です。


 さてさて話を戻しまして。

 
 パーツの発揮する効果抜きで、
 取り付けの “位置” だけを考えるなら、
 このパーツの取り付け装着位置は “中央” に近いので、
 純正空力バランスをそれほど崩さない、
 もしくはフロント・リアの揚力をバランスよく低減できるというのはプラス要素ですね。



■■ このパーツに対しての個人的に感じる“問題点”■■


 この商品が謳うのは…、

 
 いわば前面から来る空気流に対して“仕切り”を設置し、
 横方向に空気流の方向をかえさせて
 その後部の空間に流れる空気量を減らし、
 それによって、その空間に負圧を生じやすくし、
 車体を下に引き寄せるDf、
 なんと “ダウンフォース”を発生させる!
 …というものです。
 

 自分がまず感じたのは、この小さなパーツで、
 Df値なんて望むのはもってのほか、
 しかも上向きのスポイラ―が付いているならまだしも、
 下向きのスポイラ―なんだから、
 逆にDf値を下げる(Cl値を上げる)方向性のものなのでは?
 と思いましたが…。
 まぁそれは置いておいて…。


 実際の空力は、商品の謳い文句のような、
 そんなに単純なものではないです。

 
 問題点は2つでございます!


 
 ●1……負圧がアダになる!


  もし商品説明にあるように、
  上手く空気流を仕切れて、
  理想的な負圧が生じた! と仮定します。


  しかし…。

 
  負圧が生じるということは?

  
  負圧なんてほどのものが生じてしまうと、
  NAエンジンの作動原理でおなじみですね。
  そこに空気が流れ込みやすくなってしまう、ということです。
 

  負圧によって車体も下方向に引っ張られるかもしれませんが、
  同様に空気も引っ張れるようにその空間の近くに引き寄せられるように流れ込みます。
  おそらく前後左右から空気が流入します。

  
  つまり、「乱流」が発生し、車体下の空気の流れがゴチャゴチャしだすと言うことです。
  空気がスムーズに流れなければ、下面の空気の流れが混雑するどころか、
  空気同士が「足を引っ張り合い」、抵抗値が増えます。
     

  おや?
  
  おかしいですね。
  狙いとは違い、整流させるどころではありません
 

  しかも、車は当然加速すればするほど、前から次々に押し寄せる“風圧”によって、
  空気はさらに下面に流れ込んできます。

  
  こんなのでは、かえって……、
  揚力…発生しちゃうんじゃない?

  
  ありゃりゃ…。
  こんなことになるなら、付けなかったほうが良かった、的なことに…。


  足回りで例えるなら、「ダウンサスだけ変えた状態」の様なものです。
  これだけのパーツだと、不自然な「乱流」が生じ、
  かえってドラッグ&揚力の要因になるからです。


  グランドエフェクターの後部からリアバンパーにかけても、
  空力パーツを幾つか追加して仮面の空気の流れをきちんと調整することが必要です。


  「負圧(マイナスリフト)」発生とは言わず、
  「下面の空気の流れを変える」程度の謳い文句に留めておいたほうが…。



 ●2……高さが足りないぞっっ!



  え~、はっきり言うのは大変恐縮ですが、
  この吊るしの状態の仕切り板では、空気流は「横」には流れてくれません。


  スポイラ―の “高さ”が足りません。
  空気流の仕切り板として活躍してくれるためには、
  地面ギリギリまでスポイラ―がのびている必要があります。
  (そこまですると地面の凸凹にヒットして擦ってしまうので、
   走行不可になってしまいますが。)
  

  22mm程度の高さでは、
  空気流はこの仕切りを軽く“乗り越えて”しまうのです。
  それはそうです。
  空気の性質は、『重さ』もあれば、『粘性』もあるからです。


  高速域では、わずかに流れが変わるかもしれませんが、
  負圧を生じさせるほど空気流を防げるパーツではない、ということです。


  さらに致命的なことに、角度が付いているのは仕切り板としてはNGです。
  揚力低減を考えてのことだと思うのですが、仕切りとするためには、
  地面に対して垂直に仕切られているほうが良いです。


  そもそもこれを別として、
  グランドエフェクトを発生させるために不可欠で重要な、
  サイドスカートの高さが足りません。
  本当に下面でグランドエフェクトなるものを発生させるためには、
  まずシャーシ下面と一般流を隔離することが必要です。
  両側サイドスカートを伸ばし、地面とシーリングしないといけません。
  そうでなければ、
  ボディ下面を“縦”に仕切るものが両サイドに必要です。
  


……問題点を総括して判断すると、


  負圧と風圧の問題、さらに様々な高さが足りないことから、
  前方からの空気流はスポイラ―に沿ってすべてが横方向に曲がってはくれない。
   よって、残念ながらグランドエフェクト、Dfは発生しない!?。
  かえって、スポイラ―がリフトを生む乱流という害悪を発生させているのでは?!
  ということですね。




■■ このパーツに実績ある効果の真髄とは!? ■■


 んじゃぁ、
 このパーツを取り付けると本当はどうなっているのか!?

 
 実際に起きている現象は商品説明とは違うものなのに、
 多くの方が効果を体感できています。

 
 ということは、このパーツ装着によって、
 “別の何か”が起きているので、
 体感できるほどの効果が生まれていることになります。

 
 わたしは科学者ではなく素人なので、間違っているかもしれませんが、
 手元にある権威ある空力に関する数冊の本を参考に、仮説をたててみましょう。

 
 本当のところはどうなっているのか?
 


―― 仮説 ――

 
 
 “空気流の脈動”と関係があると睨んでいます。


 空気流は “渦” をまくのは承知の事実ですが、
 実は、空気流は物体表面に沿って一定に流れるのではなく、
 “脈動”しています。
 “振動”し……。
 “非定常” な流れであり……。
 “振幅” を生じさせます。
 当然、“上下”にも。それ以外の方向にも。
 人間の血管を思い浮かべるとイメージし易いかもしれません。
 『ドックン…。ドックン…。』
 と脈打つ、あれでございますね。
 空気流も脈打つわけです。


 良くカタログや雑誌に、
 風洞実験の空気の流れをスモークによって可視化したものがあります。
 あれだけを見るとスマートに流れているように見えますが、
 実際は、そんなに単純なものではないです。
 かなりあちこち複雑に振動、つまり脈動しながら流れています。

 
 この状態を分かりやすく日常の何かで試して可視化するとすれば、
 

 ブラックのコーヒーに、ミルクを上から円を描くように注いだ後、
 フォークで軽く四方八方にかき混ぜてください。
 ミルクのスジがグルグルと複雑で細かいマーブル模様になると思います。
 あれです。


 空気流の脈動によって、
 移動する車体の周りでも空気の3次元マーブル模様現象が生じているわけです。
 単純な規則性があるならよいのですが、
 3次元に脈動するので、複雑に正圧と負圧を生じさせます。
 ホント厄介ですね~。
 大胆に言うと2度と同じ空気流は生じない。
 とも言えるかもしれません。
 

 これが車体に悪さをしているんですね。
 揚力と抵抗の増加を招いている、
 まぁ厄介な現象なわけです。


 床下でも、空気の脈動が生じています。


 ここからが仮説ですが。

 
 おそらく、この“空気流の脈動”を、
 前述したあの無意味なスポイラ―によってではなく…。

 
 
  “台座” 


 ……によって整流させているのではないでしょうか。

 
 おっと!?

 
 完全に脇役だった台座に、
 いま、スポットライトがっ!

 
 どういうことかと言うと。

 
 ディフューザーがない車の場合、
 空気はエンジン下部とサスペンション部品などがある、
 モノが複雑に立体交差した空間を通ります。
 それで、
 空気が前方からボディ後方に向かおうとする時、
 かなり大きく混沌とした空気脈動が発生していることでしょう。

 
 その空気流が、

 
 “大きく” 脈動する前に、

 
 “早い段階”で、

 
 この台座が水平後方に立ちはだかることで、
 とくに “上部” に膨らまないよう整流し抑えてくれ、
 空気の渦が本来よりも “縮小”します。
 “小さい脈動”になるんですね。

 
 これで流速を落とす邪魔な乱流がサイズダウンしつつ。
 なるべく真っすぐ後方に向かいます。
 

 これによってダウンフォース発生!
 …とまではいかないですが…(笑)


 大きな乱流になるのを防いで、
 “後方” で発生する不必要なリフト要素をかなり抑えられる理屈になります。

  
 特に速度が上がれば上がるほど、床下に流れ込む空気流も増加します。
 当然、床下の空気の脈動も速度に比例して大きくなるので、
 速度が上がれば上がるほど、この台座が担う整流効果が大きな役割を果たします。


 ですから台座にくっ付いている小さく高さのないスポイラ―よりは、
 十分存在意義があります。
 当たり前の話、ゼロリフトは無理でも、
 何もないノーマル状態よりリフトを低減することはできるはずです。

 
 ここまででスポイラ―を役立たずのように言いましたが、
 スポイラ―はスポイラ―で、
 『より後方に渦を発生させる。』
 という点では、良い働きをしていると思います。

 
 と、いうわけで。
 この空気流の脈動の抑制効果によって揚力が低減し、
 車体の浮き上がり現象が抑えられる結果として。
 

 タイヤにかかっている荷重グリップが、
 
 “増す” (ダウンフォース発生がする)のではなく、
 
 “抜けにくく” (リフトしにくく)なる。
 

 特に旧車は、床下整流パーツなんて採用していないので、
 高速域では大きく乱れた空気流脈動によってリフトして、
 そして接地荷重が減り、
 ステアリングが軽くなるものなので、
 その元凶のリフトが減って、
 ステアリングが重くなるように感じた、とか。
 ふらつかず安定感が増した。
 など、多くのインプレにあるような“体感”をできているのではないでしょうか。
 
 
 やはり操縦性の安定に効果があるわけですね。
 そして床下整流していない旧車に効く!

 
  『“台座”による空気流の脈動の拡大抑制』


 これがこのパーツの効果があるといわれる由縁ではないでしょうか!


 実験データや数値なんて出していない、当てずっぽう理論ですが(苦笑)



■■ 最後に ■■

 
このグランドエフェクターというパーツが世に出て、
かなり時間が経っていますが、
似たようなパーツを自動車メーカーが純正採用しているか?
というと、「?」ですよね。
本当に効果のある良いものなら、
採用してもいいはずです。


ただ、


 ●製造コスト・取り付け人件費のコストの絡み。
 ●最低地上高に対しての陸運局によって解釈の違う車検の絡み。
 ●さまざまな路面走行に関しての安全性・耐久性。
 ●抵抗パーツであり、さらに本来は速めなければいけない下面の流速を落とす方向のものゆえ。


いろいろな問題から採用していないだけなのかもしれません。


よーく調べると、
ランエボ10では似たような純正パーツがありますが、
やはり上記の理由と絡んでなのか、
「オプション」扱いです。


まぁ、こういう、ちまちまパーツより、


広くフラットに覆えるディフューザーを、
ドンっ! と付けちゃったほうが空力効果は高い!


ですし、
組立ラインで付けれるのに、わざとオプション扱いにして、
ディーラー工場での取り付けにして、
作業点数(工賃)をより多く余分に稼ぎたい、
というのもあるかもしれません。


コストカットしてメーカーは利益を上げ、
オプション装着させる下請けのディーラーも儲けられる。
上手く商売が回りますね(笑)


…というのが現実なのかもしれないですが。


しかし、
また事実なのは、
このパーツを装着された多くの方が、


  『これは良い!』


  『買いです!』


と、太鼓判を押されていることです。



実際私も、このパーツを装着した、
S2000・エボ・FD・ロードスター乗りの方に、


  「高速コーナーが “楽しくなる”。」


と、強くお奨めされたので装着しました。


 「速くなる」より、

 「楽しくなる」という言葉弱いもので(笑)


そしてわたくしも実際に効果を如実に体感できたわけです。



グランドエフェクター。


本来の役割的には、
命名するなら、


 『アンダー・フロア・ストレーキ(もしくはスパッツ)』


だったんじゃね?
と個人的には思います。


当然車種によってボディ下面が違うので、効果も違うでしょう。
よって、体感できるかは人それぞれ。車それぞれ。
というのもありますが。


ここまで長々やってきて失礼な話ですが、


“理屈” のなかで、


  効く!


  いや効かない!


そんな、うんぬんは置いておいて。
市販パーツは自己満足の世界ですので。
また、『“やってみなければ”分からない』世界でもありますので。


  興味があるなら付ければよし。

  興味がないならそれでよし。

  その人が体感できればそれでよし。

  体感できなければ、外せばよし。


何といってもこれは返品できるんだし。
どっちが正しいとか良いとか悪いもないですしね。



しかし個人的には、


  一般的なエアロパーツのようにエクステリア・デザインを変えずに済む。

というのと、

  オイル交換やパーツ脱着の点で、 
  とても整備性の悪い大がかりなディフューザーを付けるのよりも手軽。


でも体感できる!


ということで、
興味のある方。


 「お試しあれ!」


というパーツですね。







文…長すぎや…w
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Posted at 2013/05/27 19:06:11

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