Hình dáng vỏ ô tô tác động trực tiếp đến thị giác người dùng, thiết kế hình dáng vỏ là điều không hề đơn giản. Thiết kế, phân tích và lựa chọn hình dáng vỏ ô tô theo các tiêu chí sau:
3.4.1.1. Theo khí động học
Khi chuyển động, ô tô chịu tác dụng của nhiều loại lực cản: Lực cản lăn, lực quán tính, lực ma sát, lực cản của gió.
Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng lốp. Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của ô tô. 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 ô tô. Đây cũng là loại lực cản phức tạp nhất khi nghiên cứu về các loại lực cản tác dụng lên ô tô, lực này được được xem là lực cản khí động học, được tạo ra bởi kết quả của hình dạng cản, sự ma sát của không khí với bề mặt vỏ ô tô và lực nâng ô tô làm sự thay đổi hệ số bám.
Lực cản: Sự chuyển động của ô tô đẩy không khí phía trước nó. Tuy nhiên, không khí không thể dịch
chuyển ngay lập tức, điều này làm áp suất của không khí tăng lên tạo thành vùng khí có áp suất cao. Đồng thời, không khí phía sau ô tô không thể điền đầy khoảng trống ngay, nó tạo
ra vùng khí có áp suất thấp. Do đó, sự chuyển động của ô tô tạo ra 2 vùng áp suất đối lập nhau.
Sự ma sát bề mặt: Không khí gần bề mặt của ô tô di chuyển với tốc độ tương đương ô tô trong khi không khí ở xa hơn được giữ nguyên. Tốc độ khác nhau của hai dòng khí sinh ra ma sát.
Lực nâng: Khi ô tô chạy, luồng khí phía trên mui di chuyển với quãng đường dài hơn luồng không khí phía dưới gầm, phía trước nhanh hơn phía sau nên theo nguyên lý Bernoulli, vận tốc khác nhau của dòng khí tạo ra sự chênh lệch áp suất tạo nên lực nâng ô tô lên làm giảm sức bám của lốp với mặt đường.
Hiệu suất khí động học của ô tô được xác định bởi hệ số cản CD (một số sách ở Việt Nam ký hiệu là K). Hệ số cản phụ thuộc vào diện tích cản chính diện, nó cho thấy sự ảnh hưởng của hình dạng vật thể tới lực cản khí động học. Hình dạng có hiệu suất khí động tốt nhất là hình dạng một giọt nước đang rơi (CD = 0,05). Ô tô thông thường có hệ số cản vào khoảng 0,3. Lực cản gió của ô tô tỷ lệ với hệ số cản không khí, diện tích cản chính diện và bình phương vận tốc ô tô.
FKFv2 (3-6)
Trong đó:
K- Hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào hình dạng ô tô và chất lượng bề mặt của nó, phụ thuộc mật độ không khí, [Ns2/m4].
F- Diện tích cản chính diện của ô tô máy kéo, [m2]. vo- Vận tốc tương đối của ô tô và không khí, [m/s].
Bảng 3.2: Thông số hệ số cản theo các loại hình dạng thân ô tô khác nhau
Hình dạng ô tô Loại ô tô Hệ số cản CD
Ô tô mui trần 0,5 ÷ 0,7
Ô tô tải chở người (>4 chỗ ngồi) 0,5 ÷ 0,7
Ô tô du lịch (<4 chỗ ngồi) 0,4 ÷ 0,55
Thân ô tô hình nêm 0,3 ÷ 0,4
Đèn và bánh xe được phủ bởi thân 0,2 ÷ 0,25
Hình dạng chữ K (vị trí thoát nhỏ) 0,23
Thiết kể theo hình dạng giọt nước 0,15 ÷ 0,2
Dựa vào các thông số trên, ta có thể tính sơ bộ lực cản khí động học cho ô tô thiết kế sử dụng năng lượng điện kết hợp năng lượng điện như sau:
Giả sử ta có các thông số chọn như sau: + Hệ số cản K = 0,4
+ Diện tích bề mặt cản phía trước: 1,65*1,42= 2,34 m2
+ Vận tốc ô tô tối đa: vmax= 30 km/h = 8,33 m/s (vận tốc thiết kế) + Vận tốc gió: vw = 4 m/s
Lúc đó ta có lực cản khí động học sẽ là:
V V 0.4*2,34*8.33 4 17,54 N
KF
F w 2 2 (3-7)
Có thể thấy là lực cản rất nhỏ khi ô tô di chuyển với tốc độ thấp. Mục đích sử dụng của ô tô thiết kế là tham quan du lịch nên việc tính toán, thiết kế vỏ theo khí động học thật sự không cần thiết. Tuy nhiên, đưa ra vấn đề khí động học ở đây nhằm thấy rõ vai trò của nó khi tính toán, thiết kế ô tô có vận tốc cao hơn trong tương lai.
3.4.1.2. Theo mục đích sử dụng
Dựa vào việc phân tích các mẫu ô tô con, ô tô điện, ô tô hybrid đã có sẵn trên thị trường, chỉ ra ưu nhược điểm của từng loại sau đó đánh giá so sánh với điều kiện của ô tô thiết kế, mục đích sử dụng để chọn kiểu dáng thích hợp nhất.
Khi phân tích lựa chọn hình dáng mẫu ô tô thiết cần chú ý tới hai vấn đề: Quan hệ hình dáng vỏ ô tô chọn theo mục đích sử dụng và hình dáng mẫu ô tô theo mối quan hệ giữa khung với vỏ.
Hình dáng của vỏ ô tô còn phụ thuộc: Mục đích sử dụng, điều kiện sử dụng (đường bằng, đường có địa hình phức tạp, kiểu dáng ô tô đua, thể thao...).
Hình 3.24: Các mẫu ô tô du lịch 4 chỗ ngồi trên thị trườngvỏ bằng vật liệu Composite
Ô tô thiết kế là ô tô du lịch có bốn chỗ ngồi và bố trí khoảng 20Kg hành lý, nên thông thường bố trí có hai hàng ghế, ô tô được thiết kế vỏ hở để đảm bảo độ thông thoáng và dễ dàng quan sát...
3.4.1.3. Theo mối quan hệ giữa khung và vỏ
Theo quan điểm thiết kế chúng ta phân biệt vỏ ô tô dựa theo mối liên kết giữa khung bệ và vỏ, được chia làm ba loại: Vỏ ô tô không chịu tải, vỏ và khung ô tô cùng chịu tải, vỏ chịu tải.
- Vỏ ô tô không chịu tải
Trong trường hợp này vỏ ô tô không chịu tác dụng của lực và mô men tác dụng từ đường, các nội lực và mô men từ hệ thống truyền lực, hệ thống treo, khung bệ mang theo các bộ phận điều khiển.
Với loại này, vỏ ô tô và khung được nối đàn hồi với nhau, gây ra sự
dịch chuyển giữa vỏ và khung ô tô gây ra tải trọng. Vỏ ô tô không chịu tải ngày nay được sử dụng nhiều ở các loại ô tô tải, ô tô kéo moóc và bán moóc, du lịch loại lớn, hạn chế dùng cho loại ô tô du lịch vì làm tăng khối lượng.
- Vỏ ô tô chịu tải
Có thể chia làm hai loại: Vỏ ô tô chịu bán tải và vỏ ô tô chịu toàn tải. Nếu khung và vỏ ô tô được nối cứng với nhau nhưng có thể tháo ra được, cùng chịu các tải trọng tĩnh và tải trọng động trong quá trình chuyển động gọi là vỏ ô tô chịu bán tải.
Nếu nối vỏ ô tô loại bán tải bằng liên kết cứng (không tháo được) thì vỏ ô tô đó gọi là vỏ ô tô chịu tải hoàn toàn.
Vỏ ô tô chịu tải không có khung bệ riêng. Các hệ thống truyền lực, hệ thống lái, cầu,…được gắn với vỏ ô tô trực tiếp hoặc qua mối liên kết trung gian.
Ưu điểm: Loại này là kết cấu gọn nhẹ, khả năng tự động hóa cao, tuy nhiên nhược điểm là đầu tư lớn, hạn chế khi thay đổi kiểu vỏ ô tô.
3.4.1.4. Chọn vỏ cho ô tô thiết kế
Trên cơ sở phân tích trên hình dáng vỏ lựa chọn thiết kế cho ô tô du lịch bốn chỗ ngồi, việc phân tích hình dáng vỏ theo khí động học là điều tất yếu. Tuy nhiên, ô tô thiết kế có tốc độ di chuyển thấp nên ta không sử dụng tiêu chí này cho việc chọn vỏ. Phân tích theo mục đích sử dụng gắn liền với mục đích thực tế của đề tài là tham quan du lịch, trên cơ sở phân tích thì ta chọn vỏ ô tô là loại vỏ hở. Khi ô tô chạy với tốc độ chậm đảm bảo yếu tố về tầm quan sát cảnh quan, về độ thông thoáng và cảm giác thoải mái.
Theo quan hệ giữa khung - vỏ, khung ta lựa chọn là loại khung chịu hoàn toàn tải trọng do đó vỏ ô tô không chịu tải.
Kết luận: Vậy vỏ ô tô được chế tạo là loại vỏ hở, không chịu tải, bằng vật liệu Composite có độ dày 3mm (vấn đề này được đề cập trong phần chế tạo trong luận văn của học viên Lê Văn Thoại). Vỏ xe có hình dáng theo các mẫu xe trên thị trường, đảm bảo yếu tố về tầm quan sát cảnh quan, về độ thông thoáng và cảm giác thoải mái.