Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN XE Ô TÔ
1.3 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến khí động học trên ô tô
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.
Vì vậy, vận tốc tối đa của xe sẽ 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 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.[1]
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 7
Hình 1.3: Ảnh hưởng của hệ số cản Cd đối với tốc độ và công suất động cơ
Nhìn vào đồ thị ở hình 1.3 và cùng một loại xe, ta nhận thấy rằng với hệ số cản Cd = 0.25 và xe chạy với vận tốc 160km/h thì chỉ cần công suất động cơ là 30Kw nhưng cùng với chiếc xe đó, khi mà hệ số cản Cd = 0.45 thì cần một công suất hơn 50Kw.
Liên quan đến thời gian tăng tốc của động cơ .Ở hình 1.4 thì với hệ số cản Cd= 0.25 để tăng tốc lên 120 km/h cần một khoảng thời gian là khoảng 17s trong khi đó với hệ số cản Cd =0.45 thì thời gian để tăng tốc lên 120 km/h chiếc xe đó cần 20s.
Hình 1.4:Ảnh hưởng của hệ số cản Cd đến thời gian tăng tốc của ô tô
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 8
Khi mà diện tích cản chính diện không thay đổi thì hình dáng của ô tô là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hệ số cản Cd. Khi ô tô chuyển động trên đường có 2 dòng không khí di chuyển ngược chiều với ô tô, tạo ra ma sát với biên dạng ô tô và tạo ra các lực di chuyển ngược chiều với chiều chuyển động của ô tô. Chính lực này sẽ tạo ra sức cản với ô tô.
1.3.2 Dòng khí chuyển động phía trên ô tô
Khi ô tô chuyển động thì dòng khí này sẽ đi từ đầu xe men theo nắp che khoang động cơ đi lên trần xe và thoát ra về phía sau. Điều này thể hiện ở hình vẽ dưới, nhưng khi dòng không khí đi đến phía đuôi xe thì tùy hình dáng phía sau đuôi xe thì dòng khí này có thể thoát thẳng về phía sau hoặc nó sẽ chuyển động xoáy ngược trở lại ở phần đuôi xe. Phía trên là biên dạng một đuôi xe có tiết diện thay đổi đột ngột, ta nhận thấy rằng khi dòng khí đi vào sau đuôi xe thì vùng này sẽ có áp suất thấp làm các dòng khí sẽ có hiện tượng tách rời lớp biên, một phần sẽ thoát thẳng về phía sau và phần còn lại sẽ chuyển động xoáy ở phía đuôi xe.
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.
1.3.3 Dòng khí chuyển động bên dưới xe
Dòng khí chuyển động bên dưới gầm là điều mà các nhà thiết kế không hề mong muốn. Có nhiều bộ phận, ví dụ như động cơ, hộp số, trục lái, cầu xe...v.v để lộ ra bên dưới gầm xe, đó không chỉ là nguyên nhân làm tăng lực cản do tạo nên những vùng xoáy của dòng khí mà còn làm chậm dòng khí bên dưới, khiến lực nâng tăng lên.
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
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 9
khí sẽ phát sinh chênh lệch áp suất tạo nên lực nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đường của lốp như hình 1.5.
Hình 1.5: Lực cản và lực nâng theo chiều dài xe.
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.
Ngoài việc dòng không khí phía dưới gầm xe, khi chuyển động tạo xoáy lốc với các bộ phận như động cơ, hộp số và tạo ra lực nâng gây nguy hiểm cho xe thì khi thoát ra phía đuôi xe nó cũng sẽ có hiện tượng tách rời lớp biên và tạo chuyển động xoáy cộng hưởng với dòng không khí phía trên tạo ra một lực cản lớn hơn.
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 và phù hợp với các kiểu loại xe.
1.3.4 Sự phân bố áp suất trên ô tô
Đối với ô tô thì việc phân bố áp suất lên suốt chiều dài ô tô có liên quan đến hệ số cản Cd, biết được sự phân bố áp suất thì ta có thể điều chỉnh được biên dạng ô tô nhằm có được hệ số cản nhỏ nhất phù hợp với kiểu loại ô tô.
Sự phân bố áp suất trên ô tô được thể hiện trên hình vẽ 1.6.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 10
Hình 1.6: Sự phân bố áp suất trên ô tô
Trục hoành là tỉ số x/L biểu diễn vị trí của các điểm trên biên dạng.
Trục tung là hệ số áp suất Cp với giá trị âm hướng lên.
Khi dòng chảy bị đổi hướng do một bề mặt lõm, vận tốc giảm xuống và áp suất tăng lên; ngược lại khi dòng chảy đổi hướng bởi một bề mặt lồi, vận tốc sẽ tăng lên và áp suất giảm xuống.
Ngay phía trước mũi xe, hệ suất áp suất Cp = 1, tại đây có một điểm với (p
= p∞, V = 0). Vì biên dạng lồi của nắp capo, dòng chảy trên nó tăng tốc và hệ số áp suất giảm xuống giá trị Cp = -0,5. Tại chân của kính chắn gió, dòng chảy giảm tốc độ lần nữa (mặt lõm) và áp suất tăng lên, giá trị hệ số áp suất tại đây xấp xỉ Cp = 0,5.
Khi dòng khí chảy qua kính chắn gió thì vận tốc dòng chảy tăng lên lại và Cp cũng giảm xuống tương ứng. Với chiều dài và độ lồi khá lớn của mui xe, áp suất bé nhất đạt được tại đây xấp xỉ Cp = -1,8. Phía sau xe, trình tự này diễn ra ngược lại với mức độ thấp hơn (do sự khác biệt của phía trước và phía sau xe). Tuy nhiên, áp suất của phía đuôi xe thì không đạt được giá trị Cp = 1, bởi vì phía sau xe còn xảy ra sự phân tách dòng chảy .
Sự phân bố áp suất ở phía sau của xe cũng được biểu diễn trên hình1.6.
Và ở đây cũng vậy, áp suất phía sau chiếc xe không khôi phục lại mức áp suất Cp = 1 vì sự phân tán dòng chảy. Áp suất phía sau chiếc xe thấp hơn phía trước tạo nên lực cản hình dạng và đây cũng là kết quả của sự phân tách dòng chảy ở phía đuôi xe .
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 11
1.3.5 Những biện pháp giảm sức cản khí động cho ô tô
Cải thiện tính năng khí động học cho ô tô khi diện tích cản chính diện của ô tô không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể thì việc xử lý dòng không khí phía trên và phía dưới sàn xe là biện pháp chủ yếu. Để cải thiện tính năng khí động học, giảm thiểu hệ số cản Cd, người ta thường dùng các biện pháp sau đây:
1.3.5.1 Thay đổi góc cơ động của ô tô
Góc cơ động là một tính năng đánh giá tính cơ động trong các điều kiện hoạt động của ô tô. Đối với một số xe có khoảng sáng gầm xe lớn cùng với tính năng cơ động cao thì việc hạn chế dòng không khí đi vào phía dưới sàn xe là một điều rất khó. Vì vậy, một số hãng sản xuất ô tô cũng như các phòng thí nghiệm đã cải tiến các góc cơ động này một cách hợp lý nhằm tạo cho dòng không khí phía dưới sàn xe nhanh chóng thoát ra ngoài nhằm mục đích giảm lực cản và lực nâng cho xe.
Hình 1.7: Sự liên quan giữa góc cơ động phía sau với hệ số cản
Khi thiết kế góc cơ động phía sau hợp lý thì hệ số cản của ô tô sẽ giảm, điều này sẽ được thực hiện bởi các phòng thí nghiệm hoặc dùng các phần mềm mô phỏng nhằm có thể điều chỉnh được góc cơ động. Ở hình vẽ 1.7, khi góc cơ động phía sau bằng 0 thì
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 12
dòng không khí dưới sàn xe bị nén lại, tạo sự xoáy lốc với các chi tiết phía dưới nên sẽ tạo ra một lực nâng lớn. Dòng không khí xoáy lốc này khi ra khỏi đuôi xe sẽ có hiện tượng tách rời lớp biên và xoáy ngược tạo ra lực cản cho ô tô. Nếu góc cơ động quá lớn biên dạng phía sau ô tô thay đổi đột ngột cũng tạo ra lực cản cho ô tô dù lúc này lực nâng sẽ giảm.
1.3.5.2 Thay đổi góc nghiêng đuôi xe
Việc thay đổi góc nghiêng của đuôi xe là một biện pháp cải tiến khả năng khí động học của ô tô. Thiết kế góc nghiêng một cách hợp lý thì hệ số cản Cd sẽ giảm.Ở hình 1.8 thể hiện hệ số cản Cd với các góc khác nhau
Hình 1.8: Ảnh hưởng của góc đến hệ số cản Cd 1.3.5.3 Thay đổi góc cơ động phía trước
Ưu điểm của việc tăng góc cơ động phía trước nhằm làm cho ô tô có tính cơ động cao, dễ dàng vượt qua các địa hình hiểm trở khi tham gia giao thông.Khi tăng góc cơ động phía trước của ô tô thì lực cản của ô tô sẽ giảm, tuy nhiên lực nâng của ô tô sẽ tăng lên do không khí đi vào phía dưới nhiều hơn.Vì vậy, ta sẽ tăng góc cơ động phía trước một cách hợp lí.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 13
1.3.5.4 Thiết kế bộ tạo xoáy cho ô tô
Hình 1.9: Bộ tạo xoáy trên ô tô
Sự phân tách dòng chảy ở phía sau đuôi xe là nguyên nhân chính gây ra lực cản không khí trong xe, để trì hoãn sự phân tách dòng chảy ở phía sau xe, người ta sẽ lắp lên xe bộ tạo xoáy.Các bộ tạo xoáy này sẽ hiệu quả nhất khi đặt ngay tại điểm phân tách của dòng khí.
a, Không có bộ tạo xoáy b, Có bộ tạo xoáy
Hình 1.10 :Không khí qua xe trước và sau khi có bộ tạo xoáy
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 14