Khí động học xe ô tô? Thiết kế và giải pháp cải thiện chúng

Khi xe vận hành, đặc biệt là ở tốc độ cao, xe ô tô chịu tác động bởi nhiều loại lực cản khác nhau như: lực quán tính, lực cản lăn, lực cản do ma sát và lực cản từ gió. Bài viết sau đây, các bạn sẽ cùng trung tâm dạy nghề xe hơi VATC chúng tôi hiểu về những loại khí động học xe ô tô và những biện pháp giúp cải thiện tính khí động học xe ô tô!

Lực cản khí động học xe ô tô là gì?

Là lực hạn chế đi tốc độ di chuyển của xe. Thường sẽ có 4 loại lực cản làm ảnh hưởng tới tốc độ di chuyển xe gồm:

• Lực cản lăn: là khái niệm liên quan tới chất lượng của mặt đường và chất lượng săm lốp.
• Lực ma sát: lực này liên quan tớt vật liệu,công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn.
• Lực quán tính: lực này liên quan trực tiếp tới gia tốc và khối lượng của xe.
• Lực cản của không khí: liên quan tới hình dạng khí động học và tốc độ di chuyển của xe.

Hiệu quả tính khí động lực xe ô tô được xác định qua hệ số cản (Cd) của nó. Nói dễ hiểu, hệ số cản là sự ảnh hưởng bởi hình dạng của chiếc xe đối với sức cản của không khí khi xe đang di chuyển.

Theo lý thuyết thì một mặt cầu kim loại có hệ số cản bằng 1.0. Tuy nhiên, nếu tính tới hiệu ứng nhiễu loạn từ không khí thì giá trị này rơi vào khoảng 1.2.

Xem thêm: Khóa chẩn đoán ô tô nâng cao

 Ứng dụng vào thực tế

Những vật thể có hình dạng giống như giọt nước là những vật có hệ số khí động học thấp nhất, giá trị hệ số cản khoảng 0.05. Thế nhưng, chúng ta không thể nào mà chế tạo được một chiếc xe ô tô có hình dạng tương tự vì nhiều lý do. Và những chiếc xe đời mới phổ thông ngày nay thường sẽ có hệ số cản rơi vào khoảng 0.30.

Lực cản tỷ lệ thuận với hệ số cản, diện tích mui xe và bình phương vận tốc của xe. Có nghĩa là, một chiếc xe ô tô di chuyển với vận tốc 193km/h phải thắng một lực cản cao gấp 4 lần lực cản của chiếc xe đó, khi di chuyển ở vận tốc 97km/h. Vậy nên, vận tốc tối đa của xe cũng sẽ sản sinh ra lực cản tối đa.

Nếu như muốn gia tăng tốc độ tối đa của chiếc Ferrari Testarossa từ 290km/h, lên thành 322km/h như chiếc Lamborghini Diablo mà không cần phải thay đổi thiết kế hình dạng của chiếc xe, thì chúng ta cần phải nâng công suất của động cơ từ 390 HP lên thành 535 HP. Còn không, bạn cần phải thiết kế sao cho hình dạng của chiếc xe có hệ số cản từ 0.36 xuống 0.2.

Những sai lầm khi thiết kế hình dạng xe trong quá khứ

Trước đó, đã có khá nhiều sai lầm trong thiết kế khí động học trên xe ô tô, và các bạn sẽ tiếp tục cùng trung tâm VATC tìm hiểu ngay sau đây:

Fastback (dạng đuôi lướt)

Vào năm 1960, các kỹ sư chế tạo xe đua đã hiểu được tầm quan trọng của khí động học xe ô tô. Họ đã nhận ra rằng, nếu như giảm bớt độ dốc phần đuôi xe xuống 20 độ hoặc thấp hơn nữa, thì luồng khí sẽ chạy xuôi theo đường mui xe một cách trơn tru, qua đó giảm thiểu đáng kể lực cản của xe.

Các kỹ sư bấy giờ gọi kiểu thiết kế này là “Fastback”. Do đó, có nhiều mẫu xe đua trong quá khứ như chiếc Porsche 935/78 Moby Dick đã kéo dài và hạ thấp phần đuôi xuống quá mức.

Đối với một chiếc xe hatchbach hay sedan thì luồng không khí sẽ quẩn quanh tại phần đuôi xe do sự hạ thấp đột ngột ở phía sau mui xe, tạo ra một vùng áp suất thấp, từ đó sinh ra sự nhiễu loạn không khí phía sau mui xe. Sự nhiễu loạn này luôn ảnh hưởng xấu tới hệ số cản xe ô tô.

Nếu như góc của mui xe phía sau càng dựng đứng, thì càng có sự thay đổi đột ngột của luồng không khí, làm mất đi tính ổn định của xe khi vận hành ở tốc độ cao. Vào thời kỳ đầu mới phát triển, các kỹ sư sản xuất chưa thấu hiểu sâu sắc về vấn đề này nên đã thiết kế và chế tạo ra một số mẫu xe kiểu đó.

Xem thêm: Các khóa học ngành công nghệ ô tô

Lực nâng

Dựa trên lý thuyết tính khí động học xe ô tô, khi xe di chuyển, luồng không khí phía trên mui xe di chuyển quãng đường xa hơn luồng không khí dưới gầm xe, phía trước nhanh hơn phía sau. Nên theo nguyên lý Bernoulli, vận tốc kháu nhau của dòng khí sẽ phát sinh sự chênh lệch áp suất, từ đó tạo nên lực nâng xe khiến giảm đi độ bám mặt đường của lốp.

Cũng tương tự như lực cản, lực nâng tỉ lệ với diện tích mặt sàn xe với bình phương vận tốc và hệ sống nâng (Cl). Hệ số này phụ thuộc vào thiết kế hình dạng của chiếc xe.

Khi xe vận hành ở dải tốc độ cao, lực nâng của xe có thể gia tăng quá mức và ảnh hưởng xấu tới sự chuyển động của xe. Lực nâng xe tập trung chủ yếu ở phần đuôi, nếu lực nâng quá lớn, các bánh xe sau sẽ bị trượt. Điều này rất nguy hiểm, đặc biệt là khi xe di chuyển với vận tốc lớn hơn 200 km/h.

Vậy nên, để có thể đạt được hệ số cản và hệ số nâng tối ưu nhất là điều vô cùng khó. Tuy nhiên, các nhà sản xuất xe đã dày công nghiên cứu và đã tìm ra một số giải pháp tối ưu nhất để giảm chỉ số lực cản và lực nâng xuống mức thấp nhất có thể.

Những biện pháp cải thiện tính khí động học xe ô tô

Để cải thiện được tính khí động học, các nhà sản xuất xe thường sẽ sử dụng các biện pháp sau đây.

Thiết kế cánh đuôi

Vào đầu những năm 60, các kỹ sư của Ferrari đã khám phá ra rằng, bằng cách gắn thêm một tấm cản vào phần đuôi xe (chúng ta thường gọi là CÁNH), lực nâng sẽ giảm đáng kể hay thậm chí phát sinh lực nén. Trong khi đó, lực cản chỉ gia tăng với chỉ số rất thấp.

Cánh xe có tác dụng hướng phần lớn luồng không khí ở mui xe thoát thẳng về phía sau mà không quẩn trở lại, từ đó giảm thiểu lực nâng. Nếu như gia tăng góc độ của cánh thì có thể tăng lực nén, thậm chí gia tăng tới 100kg.

Lúc đó, chỉ có một luồng gió nhỏ sẽ chạy ra phía sau và quẩn dưới đuôi cánh. Như vậy, cánh xe đã làm giảm đáng kể sự nhiễu loạn của không khí xuất hiện trên những chiếc xe dạng fastback, đồng thời cũng loại bỏ được đáng kể lực nâng và xe chỉ còn chịu lực cản.

Thiết kế cánh gầm

Cánh gầm là tên gọi chung của cánh hướng gió, chúng được lắp đặt dưới cản trước và có tác dụng làm biến đổi luồng không khí lưu động phía dưới gầm xe.

Chúng ta cũng thường hay gọi cánh gầm lắp đặt ở gờ đáy cản trước là “cản gió trước”, và những tấm chắn dọc hồng xe là “tấm chắn gió ngang”. Để có thể hiểu hết tác dụng mà chúng mang tới, trước tiên chúng ta hãy phân tích luồng không khí ở mặt dưới sàn xe.

Các nhà sản xuất xe luôn không muốn có luồng không khí này. Có nhiều bộ phận nằm dưới đáy xe như động cơ, hộp số, trục lái… Chúng sẽ ngăn cản luồng không khí, khiến sự nhiễu loạn không khí gia tăng, làm chậm đi luồng không khí và tăng lực nâng theo nguyên lý Bernoulli.

Cánh gầm và cánh cản ngang được sử dụng nhằm giảm bớt đi luồng không khí bên dưới này, bằng cách hướng không khí di chuyển qua những mặt bên cạnh của xe. Kết quả chúng mang lại là giảm bớt đi lực cản và lực nâng do luồng không khí phía dưới sinh ra.

Nhìn chung, cánh cản ngang càng thấp thì hiệu quả càng cao. Bởi vậy mà những chiếc xe đua thường cớ cánh gầm và cản ngang rất thấp. Đương nhiên là những chiếc xe phổ thông thì không nên thiết kế như vậy.

Thiết kế gầm xe trơn nhẵn

Gầm xe trơn nhẵn cũng sẽ giảm bớt đi sự ảnh hưởng của luồng không khí phí dưới gầm xe để hạn chế đi sự nhiễu loạn và lực nâng.

Hiệu ứng mặt đường

Đối với các kỹ sư chế tạo xe đua, cánh đuôi vừa giúp gia tăng tính thẩm mỹ cho xe, vừa là giải pháp để giảm lực nâng. Nhưng đây vẫn chưa phải là những điều mà họ mong muốn.

Một chiếc xe đua F1 lao vút đi trong gió chỉ sau khoảng 4 giây tăng tốc, điều này đòi hỏi lực nén phải giúp các bánh xe bám chặt mặt đường. Lắp đặt một chiếc cánh với góc độ lớn có thể đáp ứng được điều này, song nó lại làm gia tăng hệ số cản.

Vào những năm 70, Colin Chapman đã tìm ra phương pháp mới để tạo ra lực nén mà không ảnh hưởng tới lực cản, đó là hiệu ứng mặt đường.

Ông đã tạo ra một đường dẫn không khí nằm dưới đáy chiếc xe đua Lotus 72 do mình sáng chế. Đường dẫn không khí này hẹp ở phía trước và rộng dần về phía sau.

Do gầm xe gần sát với mặt đường, sự kết hợp giữa đường dẫn không khí và mặt đường tạo thành một đường hầm gần như đóng kín. Khi xe vận hành, không khí sẽ đi vào đường hầm từ phía mũi rồi chạy về phía sau, từ đó khiến áp lực không khí giảm dần về phía đuôi xe và như vậy sẽ phát sinh ra lực nén.

Hiệu ứng mặt đường có ảnh hưởng tốt hơn so với cánh đuôi và nó đã sớm được áp dụng trên xe Công thức 1. Vào năm 1978, Brabham (kỹ sư chế tạo chiếc F1 McLaren lừng danh) đã áp dụng một phương thức khác cho chiếc Gordon Murray của mình. Thay vì sử dụng đường dẫn khí mở rộng, ông đã sử dụng một quạt gió công suất lớn để tạo ra áp suất thấp ở gần đuôi xe.

Tuy nhiên, những chiếc xe phổ thông lại không thích hợp với hiệu ứng mặt đường. Bởi vì chúng cần phải có gầm cao để thích hợp với mọi điều kiện mặt đường và như vậy thì hiệu ứng mặt đường gần như không có tác dụng.

Nói chung, các nhà test xe đều không coi đây là một giải pháp tốt để tạo lực nén dù rằng cũng có những chiếc xe như Duner 962 của Đức có thể điều chỉnh độ cao của gầm xe để lợi dụng hiệu ứng mặt đường và đạt lực nén đến 40%.

Trên đây là những thông tin về tính khí động học và cách cải thiện tính khí động học xe ô tô. Hy vọng qua bài viết, bạn đọc đã có thêm những thông tin hữu ích dành cho bản thân. Nếu còn thắc mắc vui lòng liên hệ theo thông tin dưới đây!

Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC

• Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
• Điện thoại: 0945711717
• Email: info@oto.edu.vn