Tổng quan về công nghệ khí động xe hơi

Với lịch sử phát triển khá lâu đời, khí động xứng đáng là một trong những công nghệ quan trọng nhất giúp tăng tốc độ và giảm lực cản cũng như lực nâng cho dòng xe hơi hiện đại.

Hiệu suất khí động của xe được quyết định bởi hệ số cản (Cd). Không phụ thuộc vào diện tích, hệ số cản chỉ đơn thuần phản chiếu lực cản không khí theo hình dạng của vật. Về mặt lý thuyết, hệ số cản Cd của đĩa phẳng hình tròn là 1.0. Tuy nhiên, sau khi bổ sung thêm tác động gió xoáy xung quanh gờ thì con số này tăng lên thành 1,2. Vật có hình dạng giọt nước luôn sở hữu hiệu suất khí động lớn nhất với Cd ở mức 0,05. Trên thực tế, chúng ta không thể sản xuất một chiếc xe theo hình giọt nước nên Cd của dòng xế hiện đại điển hình hiện nay chỉ dừng ở 0,30.

Lực cản tỉ lệ thuận với hệ số cản, diện tích mặt trước và bình phương tốc độ. Thông thường, một chiếc xe chạy ở vận tốc 193 km/h bao giờ cũng phải chịu lực cản gấp 4 lần chiếc xe chạy 96,5 km/h. Bạn có thể quan sát rõ sự ảnh hưởng của lực cản đối với tốc độ. Để tăng tốc độ tối đa của Ferrari Testarossa từ 289,6 km/h lên 321,8 km/h bằng Diablo mà không thay đổi kiểu dáng, chúng ta buộc phải đẩy công suất từ 390 lên 535 mã lực. Nếu dành thời gian và tiền bạc vào việc nghiên cứu đường ống khí động sao cho giảm Cd từ 0,36 xuống 0,29, chúng ta có thể làm được điều tương tự như trên.

Đối với kiểu dáng fastback, dòng không khí sẽ dễ dàng di chuyển theo đường viền nóc và giảm lực cản đáng kể, trái ngược với loại ba khoang.

Kiểu dáng fastback (đuôi lướt)

Trong những năm 1960, các kỹ sư chuyên chế tạo xe đua bắt đầu quan tâm đến ngành khí động học. Họ phát hiện ra rằng nếu giảm độ dốc của đuôi xe 20º trở xuống, dòng không khí sẽ dễ dàng chạy theo đường viền nóc và giảm lực cản đáng kể. Họ gọi kiểu thiết kế này là “fastback”. Kể từ đó, rất nhiều mẫu xe đua như Porche 935 / 78 "Moby Dick" được trang bị phần đuôi dài và thấp.

Đối với loại xe 3 khoang, dòng không khí sẽ di chuyển thẳng tới phần cuối theo đường viền nóc. Việc hạ phần đuôi một cách đột ngột sẽ tạo ra vùng áp suất thấp xung quanh, hút dòng không khí ngược trở lại và gây hiện tượng gió xoáy làm giảm hệ số cản.

Nếu góc đuôi rơi vào khoảng 30-35º, dòng không khí sẽ trở nên bất ổn định, từ đó giảm độ cân bằng của xe khi chạy ở vận tốc lớn. Trước đây đã từng có nhiều mẫu xe tương tự được chế tạo do sự thiếu hiểu biết của các nhà sản xuất.

Lực nâng khí động

Lực nâng cũng là một yếu tố khí động quan trọng. Vì khoảng cách di chuyển của dòng không khí trên trần xe luôn lớn hơn dưới gầm nên vận tốc tương ứng cũng nhỉnh hơn. Theo nguyên lý Bernoullis, sự khác biệt về vận tốc sẽ tạo ra áp suất ngược tác dụng lên bề mặt trên, gọi là “lực nâng”.

Tương tự lực cản, lực nâng tỷ lệ thuận với diện tích (diện tích bề mặt thay cho diện tích mặt trước), bình phương vận tốc và hệ số nâng (CI) phụ thuộc vào hình dáng xe. Khi chạy ở tốc độ cao, lực nâng có thể tăng tới một mức nào đó gây tình trạng mất cân bằng cho xe. Lực nâng tập trung chủ yếu ở phần đuôi do vùng áp suất thấp tồn tại xung quanh. Nếu không cân bằng hiệu quả lực nâng, cặp bánh sau sẽ dễ trượt và rất nguy hiểm khi chạy ở tốc độ khoảng 257 km/h.

Vấn đề càng trở nên phức tạp hơn đối với kiểu dáng fastback vì diện tích bề mặt tiếp xúc dòng không khí cực lớn. Cân bằng cả lực nâng và lực cản hoàn hảo dường như là nhiệm vụ bất khả thi. Tuy nhiên, nếu nghiên cứu ngành khí động học nhiều hơn, chúng ta có thể tìm ra giải pháp để đạt được cả hai yếu tố quan trọng kể trên.

Các biện pháp cải thiện khí động học

Cánh đuôi (tấm lệch dòng sau)

Tác dụng của cánh đuôi là hướng phần lớn dòng không khí di chuyển thẳng từ trần xe ra phía sau mà không quay ngược trở lại, từ đó giảm lực nâng.

Trong thập niên 1960, các kỹ sư của hãng Ferrari đã phát hiện ra chỉ cần bổ sung cánh vào phần đuôi xe, chúng ta có thể giảm đáng kể lực nâng hoặc thậm chí tạo ra lực ép lớn đồng thời tăng lực cản.

Tác dụng của cánh đuôi là hướng phần lớn dòng không khí di chuyển thẳng từ trần xe ra phía sau mà không quay ngược trở lại, từ đó giảm lực nâng. Nếu tăng góc cánh, chúng ta có thể tạo ra hàng trăm kg lực ép. Dưới cánh sẽ chỉ còn một ít không khí di chuyển ra phía sau và thoát khỏi phần đuôi. Nhờ vậy, hiện tượng gió xoáy gắn liền với loại xe “phi” fastback sẽ biến mất mà lại duy trì được hệ số cản. Do có ít không khí di chuyển theo lộ trình này nên cánh có thể dễ dàng cản trở hiện tượng phân phối lực nâng.

Mẫu xe đầu tiên được trang bị cánh là Ferrari 246SP thường xuất hiện trong các giải đua bền năm 1962. Chỉ một năm sau, 250GTO phiên bản thương mại “vinh dự” trở thành sản phẩm đầu tiên ứng dụng cánh sau hình đuôi vịt kích thước nhỏ. Tuy nhiên, năm 1972 khi hãng Porsche cho ra lò thành viên mới 911 RS 2.7 mới là thời điểm đánh dấu sự nổi tiếng của cánh đuôi. Nhờ phần cánh hình đuôi vịt, mẫu xe này có thể giảm 75% lực nâng ở tốc độ cao. Năm tiếp theo, 911 RS 3.0 xuất hiện với phần cánh “đuôi cá voi” giúp loại bỏ hoàn toàn lực nâng. Về sau, thiết kế này trở thành thương hiệu gắn liền với những thành viên còn lại của dòng 911.

Tấm lệch dòng

Tấm lệch dòng là bộ khí động có nhiệm vụ thay đổi dòng không khí bên dưới gầm xe.

Tấm lệch dòng là bộ khí động có nhiệm vụ thay đổi dòng không khí bên dưới gầm xe. “Chắn cằm” hoặc “chắn khí” là tên dành cho tấm lệch dòng gắn xung quanh viền dưới thanh cản va trước trong khi thuật ngữ “váy” được dùng để gọi bộ phận tương tự phía sau. Để hiểu nguyên lý, đầu tiên chúng ta cần bàn đến dòng khí bên dưới gầm xe.

Các dòng không khí bên dưới gầm xe luôn luôn gây rất nhiều phiền phức. Có rất nhiều bộ phận như động cơ, hộp số, trục truyền động, bộ vi sai… nằm “lộ thiên” bên dưới gầm xe. Chúng sẽ cản trở dòng không khí, từ đó gây ra gió xoáy làm tăng lực cản cũng như lực nâng (theo nguyên lý Bernoullis).

Tấm lệch dòng được dùng để giảm dòng không khí bên dưới gầm xe bằng cách hướng chúng di chuyển dọc hai bên hông. Chỉ có như vậy mới giảm được lực cản và lực nâng do dòng không khí tạo ra. Nói chung, tấm lệch dòng đặt càng thấp thì hiệu quả càng cao. Đó là lý do tại sao dòng xe đua bền luôn đặt tấm lệch dòng gần chạm mặt đất, trái ngược với loại xe thương mại.

Gầm xe trơn nhẵn

Bằng cách ứng dụng gầm xe trơn nhẵn, chúng ta có thể giảm đáng kể tác động của dòng không khí bên dưới.

Chúng ta có thể giảm tác động của dòng không khí bên dưới bằng cách dùng loại gầm xe trơn nhẵn, tương tự như trên Ferrari F355. Gầm xe trơn nhẵn giúp tránh hiện tượng gió xoáy và giảm lực nâng hiệu quả.

Hiệu ứng mặt đất

Đối với các kỹ sư chế tạo xe đua, cánh là một giải pháp hữu hiệu để giảm lực nâng. Tuy nhiên, đây vẫn chưa phải là câu trả lời hoàn hảo cho những gì họ muốn. Một chiếc xe công thức 1 điển hình muốn ôm cua tại gia tốc ngang 4g đòi hỏi phải có lực ép lớn để duy trì độ bám của lốp. Lắp một bộ cánh đồ sộ với góc nghiêng lớn có thể thỏa mãn yêu cầu này, song lại làm giảm hệ số cản.

Trong thập niên 1970, Collin Chapman đã tìm ra một khái niệm hoàn toàn mới giúp tăng lực ép mà không thay đổi lực cản, đó chính là hiệu ứng mặt đất. Ông tích hợp một ống thông khí hẹp đầu nhưng “nở hậu” vào đuôi chiếc xe Lotus 72 của mình. Do gầm xe cực thấp nên sự kết hợp của ống thông khí và mặt đất tạo ra một đường ống kín. Khi xe chạy, không khí đi vào đường ống từ phía trước rồi dần dần mở rộng theo đường thẳng về phía đuôi. Hiển nhiên, áp suất không khí cũng giảm theo, từ đó tạo ra lực ép.

Nhờ hiệu ứng mặt đất, không khí sẽ đi vào đường ống từ phía trước rồi dần dần mở rộng theo đường thẳng về phía đuôi, từ dó giảm áp suất không khí và tạo ra lực ép.

Nhờ hiệu quả lớn hơn cánh đuôi nên hiệu ứng mặt đất nhanh chóng bị cấm ứng dụng cho dòng xe Công thức 1. Năm 1978, Gordon Murray đến từ hãng Brabham thử tái ứng dụng hiệu ứng mặt đất bằng nhiều phương thức khác nhau. Thay vì sử dụng loại ống “nở hậu”, ông chọn một chiếc quạt công suất lớn để tạo ra áp suất thấp gần đuôi. Tất nhiên, FIA một lần nữa lại cấm áp dụng ý tưởng này.

Hiệu ứng mặt đất không phù hợp cho dòng xe thương mại. Nó đòi hỏi gầm thấp sát mặt đất để tạo ra đường ống kín vốn chỉ có ở dòng xe đua. Dòng xe thương mại phải sở hữu khoảng sáng gầm lớn phù hợp với những loại đường xấu, lên và xuống dốc… Kiểu thiết kế này ảnh hưởng đáng kể đến tính hiệu quả của hiệu ứng mặt đất. Theo chân hãng Brabham, dòng xe thương mại McLaren F1 được trang bị hai chiếc quạt điện để tạo ra hiệu ứng mặt đất nhưng nói một cách thật lòng, không ai đánh giá cao lực ép của nó. Dauer 962, “mang tiếng” là xe thương mại nhưng thực chất lại là một mẫu xe đua bền cũng ứng dụng hiệu ứng mặt đất kiểu ống thông khí bình thường. Khoảng sáng gầm điều chỉnh tùy ý cho phép nó chạy trên những con đường xấu (tốc độ chậm) và tận dụng hiệu ứng mặt đất tại giải đua Autobahn của Đức. Dẫu sao, hiệu ứng mặt đất cũng có tác dụng tạo ra 40% lực ép cho dòng xe đua.

An Huy

Theo Bưu điện Việt Nam