Khí động học của ôtô

Chắc rằng trong chúng ta, ai cũng đã có dịp ngắm nhìn những chiếc xe đủ kiểu dáng, đủ màu sắc chen chúc trong “dòng sông ôtô” khi đường tắc hoặc thấy chúng bám đuôi nhau lao vun vút trên đường cao tốc. Nhưng có lẽ ít ai hiểu rõ, khi chuyển động, nhất là ở tốc độ cao, ôtô đã chịu tác động của những lực nào.

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.

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 mà chúng tôi muốn đề cập đến 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 1.2. Hệ số khí động học thấp nhất là đối với vật thể có dạng hình giọt nước. Hệ số cản có giá trị 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. Còn nếu chúng ta bỏ ra nhiều thời gian và tiền bạc cho việc nghiên cứu hình dạng khí động học của xe thì có thể làm giảm hệ số cản Cd của nó từ 0.36 xuống 0.29

Fastback (dạng đuôi lướt: từ những năm 1960, các kỹ sư chế tạo xe đua đã thực sự coi trọng hình dạng khí động học của xe. Họ đã khám phá ra rằng, nếu giảm bớt độ dốc phía sau của xe xuống 20 độ hoặc thấp hơn, thì luồng khí sẽ xuôi theo đường mui xe một cách trơn tru và làm giảm đáng kể lực cản. Họ gọi thiết kế kiểu này là “fastback”. Do đó, nhiều mẫu xe đua như chiếc Porsche 935/78 “Moby Dick” đã kéo dài và hạ thấp phần đuôi quá mức tưởng tượng.

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 gây tác dụng xấu đối với hệ số cản.

Nếu góc của mui xe phía sau càng dựng đứng, thì luồng không khí sẽ thay đổi càng đột ngột gây ảnh hưởng rất xấu tới sự ổn định 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.

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 tăng quá mức và gây ảnh hưởng rất xấu đến sự chuyển động của xe. 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 200km/giờ.

Vì vậy, việc cùng một lúc đạt được hệ số cản và hệ số nâng tối ưu là rất khó khăn. Tuy nhiên, người ta đã nghiên cứu rất công phu và đã tìm ra một số giải pháp tối ưu để giảm lực cản và lực nâng xuống mức thấp nhất…

Những biện pháp cải thiện tính năng khí động học

Để cải thiện tính năng khí động học, giảm thiểu hệ số cản Cd, người ta thường dùng các biện pháp sau đây:

Cánh đuôi: Vào đầu những năm 60, các kỹ sư của Ferrari đã khám phá ra rằng, bằng cách gắn thêm một tấm cản (chúng ta gọi đơn giản là CÁNH) vào đuôi phía sau, lực nâng có thể giảm đáng kể hoặc thậm chí phát sinh lực nén. Trong khi đó, lực cản chỉ tăng một lượng rất nhỏ.

Cánh 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 100kg. 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.

Cánh gầm: Cánh gầm là tên gọi chung của cánh hướng gió lắp phía dưới cản trước và cánh hướng gió lắp dọc hông xe. Cánh gầm lắp phía dưới mũi xe có tác dụng làm biến đổi luồng không khí lưu động phía dưới gầm xe. Chúng ta thường gọi cánh gầm lắp đặt ở gờ đáy của cản trước là “cản gió trước”. Và những tấm chắn dọc hông xe là “tấm chắn gió ngang”. Để hiểu tác dụng của chúng, trước hết chúng ta hãy phân tích luồng không khí ở mặt dưới sàn xe.

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 vài bộ phận khác phơi trần dưới đáy xe. Chúng sẽ ngăn cản luồng không khí, đó không chỉ là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn làm tăng lực cản mà nó còn làm chậm luồng không khí và tăng lực nâng theo nguyên lý Bernoulli.

Cánh gầm và cánh cản ngang được sử dụng để giảm luồng không khí bên dưới bằng cách hướng không khí đi qua những mặt bên cạnh của xe. Kết quả là chúng làm giảm bớt lực cản và lực nâng do luồng không khí phía dưới sinh ra. Nói chung, cánh cản ngang càng thấp thì hiệu quả càng cao. Chính vì thế mà bạn nhìn thấy những chiếc xe đua có cánh gầm và cánh cản ngang gần sát với mặt đường. Tất nhiên với những chiếc xe phổ thông thì không thể làm như vậy.

Gầm xe trơn nhẵn: Chúng ta cũng có thể giảm bớt ảnh hưởng của luồng không khí phía dưới bằng cách làm cho gầm xe trở lên trơn nhẵn để tránh được sự nhiễu loạn và lực nâng.

Hiệu ứng mặt đường: Đối với các kỹ sư chế tạo xe đua, cánh đuôi có thể là một giải pháp tốt để giảm lực nâng, nhưng vẫn chưa phải là những cái mà họ thực sự mong muốn. Một chiếc xe đua Công thức 1 lao vút đi trong khoảng 4 giây sau khi tăng tốc, điều đó đòi hỏi lực nén phải giữ cho những bánh xe bám chặt xuống đường. Lắp một chiếc cánh với góc độ lớn có thể đáp ứng được yêu cầu này, song nó lại làm tăng hệ số cản.

Vào những năm 70, Collin Chapman đã tìm ra một phương thức hoàn toàn mới để tạo lực nén mà không làm ảnh hưởng đến lực cản. Đó là hiệu ứng mặt đường. Ông đã tạo một đường dẫn không khí ở dưới đáy chiếc xe đua Lotus 72 của mình. 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 mũi rồi thoát thẳng ra phía sau khiến áp suất không khí giảm dần về phía đuôi xe và như vậy sẽ phát sinh lực nén.

Hiệu ứng mặt đường có ảnh hưởng tốt hơn so với cánh đuôi và nó đã sớm được áp dụng cho xe Công thức 1. Vào năm 1978, Brabham (người chế tạo F1 McLaren lừng danh) áp dụng cho chiếc Gordon Murray của mình bằng phương thức khác, thay vì đường dẫn khí mở rộng, anh ta đã sử dụng một quạt gió công suất lớn để tạo áp suất thấp ở gần đuôi xe. Tất nhiên FIA (Liên đoàn ôtô Quốc tế) đã công nhận điều đó. Tuy nhiên, hiệu ứng mặt đường không thích hợp cho những chiếc xe phổ thông. Vì loại này cần phải có gầm xe cao để thích hợp với các loại đường thông dụng và như vậy hiệu ứng mặt đường gần như mất 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 chiếc 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%.

Một số kỷ lục thế giới về hệ số cản Cd