Hình dáng xe quyết định điều gì?

Giảm thiểu tác động xấu do hình dáng khí động học của ôtô luôn là ưu tiên số một khi thiết kế vỏ xe.

Dòng không khí nhiễu loạn làm tăng lực cản không khí

Giảm thiểu tác động xấu do hình dáng khí động học của ôtô đồng nghĩa với việc giảm lực cản, giảm tối thiểu tiếng ồn, cũng như ngăn chặn lực nâng ngoài ý muốn và các nguyên nhân khác gây ra sự mất ổn định khi ôtô di chuyển.

1. Giảm lực cản không khí

Khi ôtô di chuyển, phía đuôi xe sẽ xuất hiện một vùng xoáy lốc của không khí do sự chênh lệch áp suất lớn phía đầu xe cộng với áp suất chân không phía đuôi xe tạo thành vùng không khí nhiễu loạn, làm tăng đáng kể lực cản không khí. Để khắc phục điều này phần đuôi sẽ được thiết kế bằng những bề mặt cong thon, có tác dụng hướng quỹ đạo chuyển động của dòng khí tuần tự thoát ra phía sau xe mà không hình thành các điểm xoáy cục bộ, phần đuôi xe sẽ được thiết kế nghiêng xuống khoảng 20 độ hoặc ít hơn. Kiểu thiết kế này được gọi là “Fastback” (đuôi trơn).

Hốc hút gió phía đầu xe giúp định hướng cho dòng khí đi ra ngoài gầm xe

Ngoài ra, lực cản không khí còn phụ thuộc vào một yếu tố ma sát giữa không khí với vỏ xe, sự nhiễu loạn ở các vị trí như lưới tản nhiệt phía trước, kính chắn gió, gương chiếu hậu, lốp xe,… Tất cả các chi tiết này sẽ được thiết kế với những đường cong mềm mại, loại bỏ các góc gấp đột ngột và làm trơn bóng bề mặt, trên thân xe có thể được thiết kế thêm các đường gờ định hướng chuyển động cho các dòng khí, lốp xe bố trí nằm về phía trong vỏ xe.

2. Giảm sự tác động của lực nâng

Theo nguyên lý dòng chảy không khí, sự chênh lệch về vận tốc sẽ làm phát sinh một áp lực. Khi ôtô chuyển động, phía dưới sàn xe xuất hiện áp lực do dòng khí tạo ra tác dụng vào mặt đường. Theo nguyên tắc phản lực tác dụng lên bề mặt sàn xe một lực được gọi là lực nâng.

Cũng giống như lực cản, lực nâng tỷ lệ với diện tích bề mặt, dạng hình học của xe, tốc độ và hệ số lực nâng. Lực nâng đặc biệt quan trọng ở đuôi xe, do tồn tại một vùng áp suất thấp phía đuôi xe, nếu lực nâng phía sau không được khử một cách hiệu quả, hai bánh sau sẽ dễ dàng bị trượt, và điều này là cực kì nguy hiểm nếu xe chạy ở tốc độ khoảng 250km/h. Trong trường hợp này kiểu thiết kế đuôi trơn lại có tác dụng xấu vì nó làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí.

Để có thể vừa làm giảm lực cản đồng thời giảm lực nâng có các phương án thiết kế sau:

Cánh gió phía sau làm tăng lực ép lên đuôi xe

Sử dụng cánh gió: Bằng cách gắn thêm một tấm cánh đuôi, với thiết kế được tính toán tuân theo định luật dòng chảy. Cánh đuôi sẽ tạo ra một áp lực ép xuống, phương và chiều của nó ngược lại với lực nâng mà không khí tác dụng vào mặt dưới gầm xe. 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.

Cánh gầm: Cánh gầm là tên gọi chung của cánh hướng gió lắp phía dưới cản trước, lắp dọc hông xe và cánh hướng gió lắp phía sau gầm xe. Cánh gầm có tác dụng làm biến đổi luồng không khí lưu động dưới gầm hướng chúng di chuyển theo những phân luồng nhất định. Cánh gầm lắp đặt ở gờ của cản trước được gọi là “cản gió trước”, những tấm chắn dọc hông xe là “tấm chắn gió ngang” và cánh gầm ở đuôi xe là “cánh gầm định hướng sau”.

Trong quá trình chuyển động, luồng không khí ở phía dưới sàn xe luôn là điều không mong muốn. Có nhiều bộ phận như động cơ, hộp số, trục lái và một số bộ phận khác phơi trần dưới gầm xe. Chúng sẽ ngăn cản luồng không khí, gây ra sự nhiễu loạn làm tăng lực cản, đồng thời cũng làm tăng lực nâng. Cánh gầm và cánh cản ngang được sử dụng để giảm luồng không khí bên dưới bằng cách hướng dòng không khí đi qua hông xe, giảm tối đa sự chảy rối của dòng không khí, hạn chế áp lực tác dụng lên sàn xe, cánh định hướng sau giúp cho dòng không khí thoát nhanh khỏi gầm xe.

Sử dụng tấm bọc gầm: Đây là giải pháp có thể giảm bớt áp lực lên bề mặt phía dưới gầm xe. Khi sử dụng các tấm bọc gầm có bề mặt nhẵn sẽ tránh được sự nhiễu loạn của không khí khi đi qua các chi tiết của động cơ và hệ thống truyền lực. Đồng thời hướng luồng khí thoát nhanh khỏi gầm xe.

Cánh gió phía dưới đuôi xe giúp giảm sự nhiễu loạn của dòng khí thoát ra từ gầm xe

Tạo hiệu ứng mặt đường: Khi xe di chuyển ở tốc độ cao, đặc biệt là các xe đua, cánh đuôi là một giải pháp tốt để làm giảm lực nâng, nhưng tác dụng của nó không đáng kể khi mà một chiếc xe đua có thể tăng tốc từ 0-100km/h trong khoảng thời gian 4 giây, điều đó đòi hỏi lực nén phải đủ lớn, giữ cho những bánh xe bám chặt xuống đường. Trong trường hợp này nếu sử dụng cánh gió với góc nghiêng lớn sẽ đáp ứng được yêu cầu làm giảm lực nâng, song nó lại làm tăng hệ số cản.

Một giải pháp tối ưu được đưa ra là tạo hiệu ứng mặt đường bằng một đường dẫn không khí ở dưới gầm. Đường dẫn không khí này khá hẹp ở phía trước và mở rộng dần về phía sau. Do gầm xe gần sát mặt đường, sự kết hợp giữa đường dẫn không khí và mặt đường tạo thành một đường hầm gần như đóng kín. Khi chiếc xe đang chạy, không khí vào đường hầm từ phía đầu xe rồi thoát thẳng ra phía sau khiến áp suất không khí giảm dần về phía đuôi xe làm phát sinh lực nén.

Hiệu ứng mặt đường cũng có thể được tạo ra bằng một giải pháp khác, thay vì đường dẫn khí mở rộng, có thể sử dụng một quạt gió công suất lớn để tạo áp suất thấp ở gần đuôi xe. Tuy nhiên, hiệu ứng mặt đường không thích hợp cho những dòng xe phổ thông. Vì các dòng xe này cần phải có gầm xe cao để thích hợp với các loại đường khác nhau và trong trường hợp này hiệu ứng mặt đường gần như mất tác dụng.

Giảm sự tác động của lực gió ngang

Khi ôtô chuyển động trong điều kiện thời tiết thuận lợi, lực gió ngang có phương vuông góc với mặt phẳng dọc xe, độ lớn của lực này nhỏ hơn nhiều lần so với hai lực kể trên nên ảnh hưởng của nó đến khí động học của ôtô là không đáng kể. Giải pháp được đưa ra để làm giảm ảnh hường của lực gió ngang chính là sử dụng tấm chắn dọc hông xe được gọi là “tấm chắn gió ngang”. Luồng không khí tác dụng ngang xe sẽ được định hướng theo thân và đi về phía sau.

Theo Bài: TS. Nguyễn Văn Trà (Tạp chí Autocarvietnam)