Tìm hiểu khí động học của ô tô

Theo lý thuyết thì khi chuyển động, ôtô phải khắc phục nhiều loại lực cản: lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát và nhất là lực cản của gió khi xe lao như bay về phía trước.

tác dụng của việc độ thêm đuôi gió cho xe hơi

Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp. Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe. Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn. Còn lực cản của gió lại liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe. Đây cũng là loại lực cản phức tạp nhất được đề cập trong bài này.

Lực cản khí động học

Hiệu quả khí động học của một chiếc xe được xác định bởi hệ số cản (Cd) của nó. Nói một cách đơn giản, hệ số cản là ảnh hưởng của hình dạng chiếc xe đối với sức cản của không khí khi xe chạy. Theo lý thuyết, một mặt cầu kim loại có Cd bằng 1.0, nhưng nếu tính đến hiệu ứng nhiễu loạn của không khí phía sau nó thì giá trị đó xấp xỉ 1.20. Hệ số khí động học hiệu quả nhất là đối với vật thể có dạng hình giọt nước đang rơi, với hệ số cản 0.05. Tuy nhiên chúng ta khó có thể chế tạo một chiếc xe giống như thế. Những chiếc xe hiện đại thường có hệ số cản Cd vào khoảng 0.30.

Lực cản tỷ lệ với hệ số cản, diện tích mũi xe và bình phương vận tốc của phương tiện. Nghĩa là một chiếc xe hơi di chuyển với vận tốc 193km/giờ phải thắng một lực cản gấp bốn lần lực cản của chiếc xe đó khi di chuyển ở tốc độ 97km/giờ. Và vì vậy, vận tốc tối đa của xe sản sinh ra lực cản tối đa. Nếu chúng ta muốn nâng tốc độ tối đa của chiếc Ferrari Testarossa từ 290km/giờ lên 322km/giờ như chiếc Lamborghini Diablo, mà không thay đổi hình dạng của xe thì chúng ta phải nâng công suất của nó từ 390 mã lực lên 535 mã lực. Hoặc chỉ cần chi thêm nhiều tiền bạc và thời gian vào việc nghiên cứu khí động học, giảm hệ số Cd từ 0.36 xuống còn 0,29 cũng mang lại kết quả tương tự như nâng công suất từ 390 mã lực lên 535 mã lực.

Thông thường, trong các phòng thí nghiệm, để nghiên cứu tính khí động học của ô tô, người ta tạo ra một mô hình xe giống với chiếc xe ngoài thực tế, đặt mô hình này vào một hầm có dạng ống (hầm gió), rồi thổi một luồng khí vào trong hầm; luồng khí chuyển động qua mô hình tĩnh, tương tự với một chiếc xe chuyển động trong không khí ở bên ngoài. Trên mô hình có gắn các thiết bị, cảm biến thu nhận tín hiệu, nhờ vào lý thuyết tương tự, người ta tính được các thông số khí động học của chiếc xe trên thực tế.

Fastback (dạng đuôi lướt): Vào những năm 60, các kỹ sư của các đội đua bắt đầu nắm được những điểm đáng lưu ý của khí động học. 

Họ nhận thấy rằng, nếu giảm độ nghiêng của phần đuôi xe xuống còn 20 độ hoặc ít hơn, thì dòng không khí sẽ lượn theo lưng mui một cách rất suôn sẻ và lực cản được giảm đi nhiều. Họ đã gọi kiểu thiết kế này là “fastback”. Và kết quả, rất nhiều xe đua, chẳng hạn Porche 935/78 đã tạo nên một cái đuôi dài, thấp rất thái quá ở phía sau.

Với một chiếc xe dạng sedan hay hatchback, luồng không khí sẽ quẩn lại ở phía cuối mui xe do sự hạ thấp đột ngột của phía sau mui xe tạo ra một vùng áp suất thấp, vì vậy, tạo ra sự nhiễu loạn không khí phía sau mui xe. Sự nhiễu loạn này luôn làm tăng hệ số cản không khí của xe.

Nếu góc của mui xe phía sau càng dựng đứng thì luồng không khí sẽ thay đổi càng đột ngột, nó dễ dàng phá vỡ tính ổn định của xe khi chạy ở tốc độ cao. Vào thời kỳ mới phát triển, các nhà sản xuất ôtô chưa hiểu sâu sắc về vấn đề này nên đã chế tạo ra một vài loại xe kiểu đó.

Một nhân tố quan trọng khác của khí động học chính là lực nâng. Sự chênh lệch về vận tốc sẽ làm phát sinh một lưới áp lực ngược tác dụng lên bề mặt trên của xe và người ta gọi nó là lực nâng. Theo lý thuyết khí động học, khi xe chạy, luồng không khí phía trên mui xe di chuyển với quãng đường dài hơn luồng không khí phía bên dưới gầm xe, phía trước nhanh hơn phía sau nên theo nguyên lý Bernoulli, vận tốc khác nhau của dòng khí sẽ phát sinh chênh lệch áp suất tạo nên lực nâng xe lên, làm giảm sức bám mặt đường của lốp.

Cũng như lực cản, lực nâng tỷ lệ với diện tích mặt sàn xe, với bình phương vận tốc và hệ số nâng (Cl) – hệ số này phụ thuộc hình dạng của xe. Ở tốc độ cao, lực nâng có thể đủ lớn làm cho xe mất ổn định. Lực nâng tập trung chủ yếu ở phía sau, nếu lực nâng quá lớn, các bánh xe phía sau sẽ bị trượt, và như vậy rất nguy hiểm, nhất là khi xe chạy ở tốc độ cao hơn 200 km/h.

Ở mặt này, kiểu thiết kế fastback lại có tác dụng xấu vì nó có một diện tích bề mặt lớn tiếp xúc với không khí. Chính vì vậy, có thể nói lực cản gió lý tưởng cùng với một lực nâng lý tưởng thì không thể dung hoà với nhau. Chúng ta không thể có cả hai cùng một lúc. Tuy nhiên, nếu nghiên cứu nhiều hơn về khí động học, chúng ta có thể tìm ra một lời giải để đạt được cả hai.

Đuôi gió cải thiện khí động học

Để giảm hệ số cản gió (Cd), các hãng xe đã sử dụng các biện pháp như:

Cánh đuôi: Đầu những năm 60, các kỹ sư của Ferrari đã khám phá, bằng cách gắn thêm một tấm cản phía trên đuôi xe, lực nâng có thể giảm đáng kể hoặc thậm chí phát sinh lực nén. Trong khi đó, lực cản gió chỉ tăng một lượng rất nhỏ.

Cánh đuôi có tác dụng hướng phần lớn luồng không khí trên mui xe thoát thẳng ra phía sau mà không quẩn trở lại, vì thế, làm giảm lực nâng. Nếu tăng góc độ của cánh thì có thể làm tăng lực nén thậm chí tới hàng trăm kilogram (cánh gió cũng tuân theo nguyên lý Bernoulli về lực nâng, trong trường hợp của cánh gió, lực nâng là lực ép xuống, do mặt cong của cánh gió nằm ở phía dưới, lực ép xuống sinh ra tác dụng lên cánh, lực ép xuống này ngược lại với lực nâng mà không khí tác dụng vào mặt trên của thân xe như đã nói ở trên). Khi đó, chỉ có một luồng không khí rất nhỏ chạy ra phía sau và quẩn dưới đuôi cánh. Như vậy cánh đã làm giảm đáng kể sự nhiễu loạn không khí xuất hiện ở chiếc xe không có dạng fastback, và đã loại trừ được lực nâng, xe chỉ còn chịu lực cản.

Nguồn : phutungotoduk.vn