Khí động học trong ngành công nghiệp ô tô là một phần quan trọng của quá trình thiết kế và sản xuất xe hơi. Đơn giản, khí động lực học là sự nghiên cứu về cách khí quyển tương tác với các bề mặt trong và xung quanh xe. Khí này ảnh hưởng đến hiệu suất và tính chất vận hành của xe. Vậy bạn đã biết cách để cải thiện tình trạng này chưa? Hãy cùng Wuling EV Việt Nam tham khảo ngay những nội dung dưới đây!
1. Khí động học là gì?
Khí động học, hay còn gọi là khí động lực học, là lĩnh vực của khoa học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí. Đặc biệt là cách mà không khí di chuyển xung quanh các vật thể. Nghiên cứu về khí động lực học bắt đầu từ thời kỳ khoảng những năm 1800, George Cayley trở thành người đầu tiên nghiên cứu và hiểu rõ về lĩnh vực này.
Khí động học có ảnh hưởng quan trọng đến độ bám đường của xe
Hiểu một cách đơn giản hơn, khí động lực học là sự tác động trực tiếp của các phân tử/luồng khí lên vỏ xe khi di chuyển. Điều này tạo ra ma sát giữa phân tử không khí và vỏ xe. Hiện tượng này tạo ra lực cản, ảnh hưởng đến công suất thực tế của xe. Sự ảnh hưởng của khí động lực học lên thân xe sẽ thay đổi tùy theo tốc độ của di chuyển của xe và vị trí tác động.
2. Ảnh hưởng của khí động học đến ô tô
Hệ số cản, ký hiệu là Cd, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu quả khí động học đối với một chiếc xe. Hệ số này thể hiện lực cản của không khí đối với xe khi đang di chuyển và chủ yếu phụ thuộc vào hình dạng tổng thể của xe. Bên cạnh đó, nó còn phụ thuộc vào độ trơn nhẵn của các góc cạnh và bề mặt của xe. Gần đây, các chiếc xe hiện đại thường có hệ số Cd vào khoảng 0.30. Tuy nhiên, những vật thể được thiết kế hình giọt nước có hệ số cản thấp nhất là 0.05.
Khí động lực học có 3 lực khí cơ bản
Có 3 lực khí động lực học cơ bản có ảnh hưởng đến ô tô khi di chuyển. Đó là:
- Lực nâng: Theo lý thuyết của khí động lực học, khi xe di chuyển, luồng không khí phía trên mui xe di chuyển quãng đường dài hơn so với luồng không khí phía dưới gầm xe. Sự chênh lệch vận tốc của các luồng không khí tạo ra áp suất khác biệt. Điều này tạo thành lực nâng có phương vuông góc với mặt đường. Lực nâng này có thể giảm độ bám đường của lốp xe, do đó có thể gây trượt và nguy hiểm, đặt biệt là khi xe di chuyển tốc độ cao .
- Lực cản: Lực cản là lực do không khí tác động lên xe trong quá trình di chuyển. Nó có phương song song với bề mặt di chuyển của xe và tỉ lệ thuận với vận tốc. Khi xe chạy nhanh hơn, lực cản cũng càng lớn, đòi hỏi động cơ phải hoạt động mạnh mẽ hơn để vượt qua lực cản này và đẩy xe về phía trước.
- Lực hông: Lực hông sinh ra khi dòng khí tác động vào bên hông thân xe. Thường thì lực này có tác động nhỏ nhất so với hai lực khí động học trên.
Đối với những dòng xe được thiết kế đặc biệt, lực nâng có thể được giảm thiểu và thậm chí chuyển đổi thành lực nén để tạo ra độ bám đường tốt nhất. Qua đó, hiểu rõ về các lực của khí động lực học này giúp các nhà sản xuất cải thiện hiệu suất và đảm bảo an toàn khi vận hành xe hơi.
3. Phân loại vấn đề của khí động học của ô tô
Khí động lực học là một lĩnh vực phức tạp và thường được chia thành các phân nhóm cốt lõi để nghiên cứu và giải quyết. Bằng cách phân loại các vấn đề này, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách mà không khí ảnh hưởng đến hiệu suất. Dưới đây là phân loại các vấn đề của khí động lực học ô tô:
3.1. Phân loại bằng môi trường dòng chảy
Trong khí động lực học ô tô, vấn đề có thể được phân loại dựa trên môi trường dòng chảy, bao gồm:
- Khí động học ngoại biên: Lĩnh vực này nghiên cứu về dòng chảy của không khí xung quanh các vật rắn. Hiện nay có nhiều ứng dụng quan trọng của khí động học ngoại biên. Bao gồm tính toán lực nâng trên cánh máy bay, sức cản tạo ra ở mũi tên lửa,....
- Khí động học nội biên: Lĩnh vực này tập trung vào dòng khí đi qua các động cơ phản lực hoặc qua các ống của hệ thống điều hòa không khí.
Khí động học ngoại biên và ngoại biên là 2 loại khí động lực học khi phân chia theo dòng chảy
3.2. Phân loại theo tỉ số vận tốc của dòng chảy so với vận tốc âm thanh
Vấn đề được phân loại dựa trên tỉ số vận tốc của dòng chảy so với vận tốc âm thanh:
- Dưới âm tốc: Các vận tốc trong dòng chảy được coi là dưới âm tốc nếu chúng đều nhỏ hơn vận tốc âm thanh.
- Siêu thanh: Khi vận tốc của dòng chảy lớn hơn vận tốc âm thanh.
- Cực siêu thanh: Trong trường hợp vận tốc của dòng chảy lớn hơn vận tốc âm thanh nhiều lần.
Phân loại theo tỉ số vận tốc dòng chảy so với vận tốc âm thanh có 3 loại
3.3. Phân loại theo tác dụng độ nhớt dòng khí
Trong vài trường hợp, tác động của độ nhớt được xem là không đáng kể và dòng chảy khí được coi là không có độ nhớt. Trong những trường hợp như vậy, việc hiểu rõ các tính chất này của chất khí rất quan trọng. Hiểu rõ sẽ giúp bạn tính toán chính xác hoặc xấp xỉ các lực và mô-men lực lên hệ thống dòng chảy. Những kết quả thực nghiệm này tạo nền tảng cho việc thiết kế các phương tiện như máy bay, ô tô,....
Phân loại theo tác dụng của độ nhớt dòng khí
4. Một số cách cải thiện khí động học của xe hơi
Cải thiện tính khí động học để giảm hệ số cản Cd có thể cải thiện hiệu suất nhiên liệu, độ ổn định và tốc độ tối đa của xe. Dưới đây là một số cách mà bạn có thể áp dụng để cải thiện khí động lực học ô tô hiệu quả:
4.1. Cánh gió đuôi xe
Trên thực tế, cánh gió đuôi xe thường được sử dụng trong các loại xe thể thao và xe đua. Bộ phận này không chỉ tạo ra vẻ ngoài mạnh mẽ và thể thao mà còn giúp giảm lực nâng từ mặt đường, tăng lực nén và đảm bảo độ bám đường tốt nhất. Điều này giúp cải thiện tính ổn định của xe khi di chuyển ở tốc độ cao.
Cánh gió đuôi xe giúp giảm lực nâng
4.2. Cánh chia gió phía trước xe
Được biết đến dưới tên gọi cánh chia gió hoặc cánh gầm xe, bộ phận này thường được đặt ở dưới cản trước của xe. Và nó có chức năng thay đổi luồng gió dưới gầm xe để giảm lực nâng khi xe di chuyển. Để tối đa hóa hiệu quả của cánh gầm xe, các nhà thiết kế thường lắp đặt cánh này và cánh cản ngang ở mức rất thấp, đặc biệt trong thiết kế của các loại xe đua.
Cánh chia gió phía trước xe có vai trò giảm lực nâng khi xe ô tô di chuyển
4.3. Các lỗ thông khí
Một trong những tác dụng chính của lỗ thông khí là tạo điều kiện để luồng không khí tiếp cận xe từ hai bên cạnh. Điều này không chỉ giúp làm giảm lực cản khí động lực học ô tô mà còn cải thiện hiệu suất của hệ thống thông khí.
Giảm lực cản khí động lực học là chức năng chính của các lỗ thông khí
4.4. Gầm xe trơn nhẵn
Thiết kế này có mục đích là giảm lực cản từ vi sai, hộp số và cầu xe, đồng thời tăng tốc độ luồng khí qua gầm xe để giảm lực nâng. Ngoài ra, ngày nay, các kỹ sư từ các hãng xe cũng thường đưa xe vào hầm gió để đo chỉ số cản cũng như đo hiệu quả khí động học thực tế.
Gầm xe trơn nhẵn giúp giảm lực cản từ hộp số, vi sai
4.5. Hiệu ứng từ mặt đường với lốp xe
Trong những năm 70, Colin Chapman đã đề xuất một phương pháp mới để tạo ra lực đẩy xuống mặt đường (downforce) cho xe mà không ảnh hưởng tới lực cản. Phương pháp này được gọi là hiệu ứng mặt đường. Để thực hiện ý tưởng này, ông đã sáng tạo một đường dẫn không khí dưới đáy của xe đua. Đường dẫn này được thiết kế hẹp ở phía trước và mở rộng dần về phía sau.
Hiệu ứng từ mặt đường và lốp xe giảm áp suất không khí
Bằng cách thiết kế gầm xe sát với mặt đường và kết hợp với đường dẫn không khí đã tạo thành một hệ thống hầm dường như đóng kín. Khi xe di chuyển, không khí được hướng vào hầm từ phía mũi và sau đó thoát ra phía sau. Điều này làm giảm áp suất không khí ở phía đuôi xe và tạo ra lực nén.
Trên lĩnh vực xe ô tô công nghệ, việc có hiểu biết về sự hạn chế cũng như cách cải thiện khí động học đóng vai trò rất quan trọng. Mong rằng những thông tin mà Wuling EV Việt Nam đã cung cấp sẽ bổ ích cho bạn. Nếu có bất kỳ câu hỏi nào thì liên hệ ngay để được đội ngũ nhân viên chuyên nghiệp của chúng tôi giải đáp nhé!
