Xác định các hệ số cản khí động của ô tô

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................... 9
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 10
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 11
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG Ô TÔ ..................................... 12
1.1 Vai trò của lực khí động trong chuyển động của xe ....................................12
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu khí động học xe ........................................18
1.2.1 Ảnh hưởng của hình dáng chung ô tô đến hệ số khí động ......................19
1.2.2 Ảnh hưởng của góc vát đuôi xe và góc nghiêng mặt kính trước .............22
1.2.3 Ảnh hưởng của góc vát gầm đuôi xe .......................................................24
1.2.4 Ảnh hưởng của cánh phía đuôi xe ...........................................................25
1.3 Các phương pháp xác định hệ số khí động ..................................................26
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu khí động bằng mô phỏng ...............................26
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu khí động bằng thực nghiệm ............................29
CHƢƠNG 2: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ LỰC CẢN, LỰC NÂNG BẰNG PHƢƠNG
PHÁP MÔ PHỎNG ........................................................................................ 34
2.1 Giới thiệu chung về mô phỏng số CFD........................................................34
2.1.1. Định nghĩa về CFD .................................................................................34
2.1.2. Ưu điểm và hạn chế của CFD ................................................................34
2.1.3. Các lĩnh vực chính mà CFD có thể đảm nhiệm .....................................35
2.1.4. Giới thiệu về Fluent và Gambit ..............................................................36
2.2 Thiết lập bài toán trên Fluent .......................................................................38
2.3 Xác định mô hình nghiên cứu ......................................................................42
2.3.1. Đặc điểm của mô hình lựa chọn .............................................................42
2.3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng .................................................................43
2.4 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................45
2.5 Xây dựng mô hình, chia lưới và đặt điều kiện biên. ....................................45
2.5.1 Xây dựng mô hình và chia lưới ...............................................................45

1

2.5.2. Điều kiện biên.........................................................................................48
2.5.3. Lựa chọn model tính toán .......................................................................49
2.6 Phân tích đánh giá kết quả nghiên cứu.........................................................51
2.6.1. Ảnh hưởng của vận tốc xe đến phân bố áp suất .....................................51
2.6.2. Ảnh hưởng của tốc độ xe đến phân bố đường dòng bao quanh ô tô ......53
2.6.3. Ảnh hưởng của vận tốc đến hệ số CP .....................................................56
2.6.4. Ảnh hưởng của tốc độ đến lực cản, lực nâng .........................................58
2.7 Mô phỏng với trường hợp đuôi xe thay đổi .................................................59
2.7.1. Phân bố áp suất bao quanh ô tô: .............................................................60
2.7.2. Đường dòng bao quanh ô tô ...................................................................60
2.7.3. Rối sau ô tô .............................................................................................61
2.7.4. Biểu đồ phân bố áp suất trên đường bao quanh ô tô tại mặt cắt nghiên
cứu ....................................................................................................................62
2.7.5. Ảnh hưởng của tốc độ đến hệ số lực cản, lực nâng trong trường hợp đuôi
xe thay đổi ........................................................................................................62
CHƢƠNG 3: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ LỰC NÂNG, LỰC CẢN BẰNG PHƢƠNG
PHÁP THỰC NGHIỆM ................................................................................. 64
3.1 Tìm hiểu về trang thiết bị phục vụ thí nghiệm .............................................64
3.1.1. Tìm hiểu về ống khí động ở phòng thí nghiệm ......................................64
3.1.2 Lực kế Loadcell Mavin ...........................................................................69
3.1.3 Thiết bị thu Agilent .................................................................................70
3.1.4 Mô hình xe phục vụ thí nghiệm...............................................................71
3.2 Sơ đồ đo khí động ô tô .................................................................................72
3.3 Phương pháp đo khí động ô tô .....................................................................73
3.4 Xử lý kết quả thí nghiệm ..............................................................................75
3.4.1. Kết quả thí nghiệm đo lực cản ................................................................75
3.4.2. Kết quả thí nghiệm đo lực nâng .............................................................78
3.5 Đánh giá kết quả thí nghiệm ........................................................................80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 82

2


PHỤ LỤC ........................................................................................................ 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 87

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Quan hệ giữa lực cản khí động và các lực cản khác .................................12
Hình 1.2: Hệ số cản khí động ngày càng giảm theo thời gian ..................................13
Hình 1.3: Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô [4] ..................................................................14
Hình 1.4: Luồng gió tự nhiên và luồng gió thực tác dụng lên ô tô khi nó chuyển
động ...........................................................................................................................15
Hình 1.5: Hình ảnh minh họa áp suất mui xe khi hoạt động ....................................17
Hình 1.6: Hình ảnh minh học hiện tượng tách thành và rối sau xe...........................17
Hình 1.7: Hình ảnh minh họa về lực tác động vào xe khi hoạt động ........................18
Hình 1.8: Hệ số lực cản của một số hình dạng quen thuộc [2] .................................19
Hình 1.9: Mô hình ô tô Porsche 911 .........................................................................20
Hình 1.10: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E320 ........................................................20
Hình 1.11: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E63 ..........................................................21
Hình 1.12: Ảnh hưởng của hình dạng khí động tới hệ số lực cản [3] .......................22
Hình 1.13: Ảnh hưởng của góc vát đuôi xe với dòng xe squareback .......................22
Hình 1.14: Ảnh hưởng của góc nghiêng α và β tới hệ số cản C D với dòng xe
Northback ..................................................................................................................23
Hình 1.15: Ảnh hưởng của góc nghiêng mặt kính φ độ cao z đuôi xe fast back. .....23
Hình 1.16: Ảnh hưởng của góc vát gầm đuôi xe tới hệ số cản khí động ..................24

Hình 1.17: Ảnh hưởng của góc nghiêng αw tới CD và CL..........................................25
Hình 1.18: Ảnh hưởng của cánh phía đuôi xe tới CD và CL .....................................26
Hình 1.19: Mô hình chia lưới và kết quả tính hệ số CD ...........................................27
Hình 1.20: Mô hình chia lưới ô tô xedan và hệ số cản khí động CD=0.35 ...............27
Hình 1.21. Đồ thị phân bố áp suất trên bề mặt mô hình ..........................................28
Hình 1.22: Sơ đồ thí nghiệm trên ống khí động ........................................................29

4


Hình 1.23: Các phương án xây dựng sàn mô phỏng .................................................30
Hình 1.24: Một số cách bố trí xe khi làm thí nghiệm ...............................................31
Hình 1.25: Ảnh hưởng của tỷ số e/2R tới hệ số CD và CL trong trường hợp bánh xe
quay và không quay khi làm thí nghiệm ...................................................................32
Hình 1.26: Ảnh hưởng của thay đổi độ cao gầm xe tới hệ số lực cản. .....................33
Hình 2.1: Hình ảnh minh họa về mô phỏng CFD .....................................................36
Hình 2.2: Xe BMW x6 ..............................................................................................43
Hình 2.3: Hình ảnh xe được thiết kế trên 3DS ..........................................................44
Hình 2.4 Hình ảnh xe được xây dựng solidwork ......................................................44
Hình 2.5: Hình ảnh mặt cắt dọc giữa xe....................................................................44
Hình 2.6: Hình ảnh chia lưới với số lưới 1 triệu .......................................................46
Hình 2.7: Kết quả phân bố áp suất với số lưới 1 triệu ..............................................47
Hình 2.8: Kết quả phân bố áp suất với số lưới 100.000 lưới ....................................47
Hình 2.9: Biểu đồ ảnh hưởng của số lưới tới hệ số Cp ..............................................48
Hình 2.10: Điều kiện biên cho mô hình tính toán .....................................................49
Hình 2.11: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 30 km/h
(trái) và 40 km/h (phải) .............................................................................................52
Hình 2.12: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 50 km/h
(trái) và 60 km/h (phải) .............................................................................................52
Hình 2.13: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 80 km/h

(trái) và 100 km/h (phải) ...........................................................................................52
Hình 2.14: Trường phân bố áp suất trong trường hợp xe chạy với vận tốc 130 km/h
...................................................................................................................................53
Hình 2.15: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 30 km/h
(trái) và 40 km/h (phải) .............................................................................................53
Hình 2.16: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 50 km/h
(trái) và 60 km/h (phải) .............................................................................................54

5


Hình 2.17: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 80 km/h
(trái) và 100 km/h (phải) ...........................................................................................54
Hình 2.18: Phân bố vận tốc của dòng bao quanh xe ở trường hợp vận tốc 130 km/h.
...................................................................................................................................54
Hình 1.19: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 30 km/h (trái) và 40 km/h (phải) .............55
Hình 2.20: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 50 km/h (trái) và 60 km/h (phải) .............55
Hình 2.21: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 80 km/h (trái) và 100 km/h (phải) ...........55
Hình 2.22: Rối sau ô tô chạy với vận tốc 130 km/h ..................................................56
Hình 2.23: Biểu đồ hệ số áp suất 30 km/h ................................................................56
Hình 2.24: Biểu đồ hệ số áp suất 40 km/h ................................................................56
Hình 2.25: Biểu đồ hệ số áp suất 50 km/h ................................................................57
Hình 2.26: Biểu đồ hệ số áp suất 60 km/h ................................................................57
Hình 2.27: Biểu đồ hệ số áp suất 80 km/h ................................................................57
Hình 2.28: Biểu đồ hệ số áp suất 100 km/h ..............................................................57
Hình 2.29: Biểu đồ hệ số áp suất 130 km/h ..............................................................58
Hình 2.30: Biểu đồ hệ số lực nâng ............................................................................58
Hình 2.31: Biểu đồ hệ số lực cản ..............................................................................59
Hình 2.32:Hình ảnh đuôi xe sửa đổi để nghiên cứu ảnh hưởng của đuôi đến đặc
tính khí động xe .........................................................................................................59

Hình2.33: Phân bố áp suất bao quanh ô tô theo các trường hợp khác nhau .............60
Hình 2.34: Đường dòng bao quanh ô tô ....................................................................61
Hình 2.35: Rối sau ô tô .............................................................................................62
Hình 2.36: phân bố áp suất trên đường bao quanh ô tô tại mặt cắt nghiên cứu ........62
Hình 2.37: Hệ số lực cản so với các góc thay đổi của đuôi xe .................................63
Hình 2.38: Hệ số lực nâng so với các góc thay đổi của đuôi xe ...............................63

6


Hình 3.1: Ống khí động AF 6116 (Đặt ở nhà T – ĐHBK HN) ................................64
Hình 3.2:Tiết diện đầu vào với lưới tổ ong dạng lục giác ........................................65
Hình 3.3: Đoạn làm thẳng trước khi vào buồng thử .................................................66
Hình 3.4: Buồng thử bằng vật liệu trong suốt ...........................................................66
Hình 3.5: Phần ống loe ..............................................................................................67
Hình 3.6: Hai quạt hướng trục quay ngược chiều nhau ............................................67
Hình 3.7: Phần ống ra................................................................................................68
Hình 3.8: Phần giá đỡ ống khí động .........................................................................68
Hình 3.9: Hộp điều khiển điện ..................................................................................69
Hình 3.10: Loadcell Mavin .......................................................................................70
Hình 3.11: Thiết bị thu Agilent .................................................................................70
Hình 3.12: Mô hình xe phục vụ thí nghiệm ..............................................................71
Hình 3.13: Mô hình thí nghiệm thiết kế bằng Solid work ........................................72
Hình 3.14: Mô hình đo lực nâng thiết kế bằng solidwork ........................................73
Hình 3.15: Tín hiệu điện áp khi chưa bật ống khí động ............................................74
Hình 3.16: Đồ thị giá trị điện áp trong quá trình đo..................................................75
Hình 3.17: Mô hình thí nghiệm lực cản thực tế ........................................................75
Hình 3.18: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của cả hệ thống ở vận tốc
30km/h .......................................................................................................................76
Hình 3.19: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của bộ gá ở vận tốc 30km/h ...76

Hình 3.20: Đồ thị hệ số lực cản mô phỏng và thực nghiệm......................................78
Hình 3.21: Mô hình đo lực nâng thực tế ...................................................................78
Hình 3.22: Đồ thị giá trị điện áp và lực nâng quy đổi của hệ thống ở vận tốc 30km/h
...................................................................................................................................79

7


Hình 3.23: Đồ thị hệ số lực nâng tìm được theo phương pháp mô phỏng và thực
nghiệm .......................................................................................................................80
Hình 3.24: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của cả hệ thống ở vận tốc
40km/h .......................................................................................................................84
Hình 3.25: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của bộ gá ở vận tốc 40km/h ...84
Hình 3.26: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của cả hệ thống ở vận tốc
50km/h .......................................................................................................................84
Hình 3.27: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của bộ gá ở vận tốc 50km/h ...85
Hình 3.28: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của cả hệ thống ở vận tốc
60km/h .......................................................................................................................85
Hình 3.29: Đồ thị giá trị điện áp và lực cản quy đổi của bộ gá ở vận tốc 60km/h ...85
Hình 3.30: Đồ thị giá trị điện áp và lực nâng quy đổi của hệ thống ở vận tốc 40km/h
...................................................................................................................................86
Hình 3.31: Đồ thị giá trị điện áp và lực nâng quy đổi của hệ thống ở vận tốc 50
km/h ...........................................................................................................................86
Hình 3.32: Đồ thị giá trị điện áp và lực nâng quy đổi của hệ thống ở vận tốc 60km/h
...................................................................................................................................86

8


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phân chia phần tử và thời gian tính toán theo 2 phương pháp DIVK và DWT
...................................................................................................................................28
Bảng 2.1: Thiết lập điều kiện biên cho bài toán........................................................51
Bảng 2.2: Hệ số lực nâng, lực cản tính toán dựa trên các trường hợp mô phỏng .....58
Bảng 2.3: Điều kiện biên thiết lập cho bài toán ........................................................60
Bảng 2.4: Hệ số lực cản tích theo dữ liệu mô phỏng ................................................63
Bảng 3.1: Kết quả thực nghiệm hệ số lực cản với các vận tốc khác nhau của xe .....77
Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm hệ số lực nâng với các vận tốc khác nhau của xe ..79

9


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu của luận văn này là hoàn toàn có thật, do chính bản
thân tôi tổ chức thí nghiệm và nghiên cứu theo sự hướng dẫn của PGS. Võ Văn
Hƣờng và PGS. Nguyễn Phú Hùng. Các số liệu tham khảo từ các tài liệu đều
được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo
Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2013
Người thực hiện

Nguyễn Mạnh Phú

10


MỞ ĐẦU
Hiện nay ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu khí động ô tô còn khá mới mẻ. Hình
dáng khí động của ô tô ảnh hưởng rất nhiều tới lực cản và lực nâng của xe, điều này
làm tổn hao rất nhiều tới công suất của động cơ, giảm lực bám của xe với mặt
đường… Việc nghiên cứu xác định các hệ số của lực cản, lực nâng góp phần vào sự

đánh giá hình dáng khí động của ô tô từ đó tối ưu hóa được hình dáng khí động của
xe. Với những yêu cầu bức thiết trên chúng tôi quyết định tiến hành đề tài nghiên
cứu “Xác định các hệ số cản khí động của ô tô”.
Chúng tôi tiến hành nghiên cứu xác định các hệ số lực cản, lực nâng của ô tô
bằng 2 phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, ngoài ra còn khảo sát sự thay đổi
lực cản, lực nâng khi đuôi xe thay đổi. Ở đây chiếc xe được lựa chọn là BMW X6
rất phổ biến ở Việt Nam. Luận văn gồm có 3 chương cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về khí động ô tô
Chương này trình bày một cách tổng quan nhất về:
 Ý nghĩa của việc giảm thiểu hệ số cản khí động
 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng khí động như các góc vát,
góc lượn…đến hệ số CD, CL.
 Các nghiên cứu về phương pháp mô phỏng và thực nghiệm nhằm xác định
hệ số CD, CL.
Chương 2: Xác định hệ số lực cản, lực nâng bằng phương pháp mô phỏng
Nội dung chủ yếu của chương 2 gồm:
 Giới thiệu phần mềm nghiên cứu, cách thức để xây dựng 1 bài toán khí
động học bằng phương pháp mô phỏng.
 Xác định được hệ số cản khí động bằng phương pháp mô phỏng.
 Mô phỏng và tính toán CD và CL khi đuôi xe thay đổi.
Chương 3: Xác định hệ số lực cản, lực nâng bằng phương pháp thực nghiệm
Nội dung chủ yếu của chương 3 gồm:
 Trình bày về cấu tạo, hoạt động của các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm.
 Trình bày về sơ đồ thí nghiệm, phương pháp tiến hành và kết quả thí
nghiệm thu được.

11


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG Ô TÔ

1.1 Vai trò của lực khí động trong chuyển động của xe
Nghiên cứu đặc tính khí động học của xe đóng vai trò hết sức quan trọng
trong quá trình thiết kế và hoàn thiện một mẫu xe. Đặc tính khí động học của xe tốt
sẽ dẫn đến giảm được sự tiêu hao nhiên liệu và dẫn đến giảm được sự phát thải của
xe. Đặc tính khí động học của xe được đánh giá chủ yếu thông qua hai thông số là
hệ số lực cản và lực nâng. Theo tính toán thì hệ số cản khí động giảm khoảng 2%
thì lượng nhiên liệu tiêu thụ giảm xuống 1%. Một chiếc xe có hình dạng khí động
tốt sẽ có hệ số lực cản CD nhỏ và có lực nâng phù hợp giúp cho xe bám đường tốt.
Trên thế giới, rất nhiều các nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm hiểu,
đánh giá đặc tính khí động học của xe thông qua một trong hai thông số là hệ số lực
nâng và lực cản. Liên quan đến hệ số lực cản, nghiên cứu của David Piech.JD mang
tên “ Aerodynamic Development at Navistar” vào năm 2012 [1] tập trung vào việc
đánh giá các thành phần sinh lực cản của xe tải. Trường hợp nghiên cứu là khi xe
chạy trên đường với tốc độ 55 mph. Kết quả thu được từ nghiên cứu này cho thấy
lực cản của hệ thống truyền lực là 18%, lực cản lăn của xe là 32% và lực cản khí
động chiếm khoảng 50%. Như vậy, có thể thấy rằng lực cản khí động học chiếm tỷ
lệ quan trọng trong các thành phần sinh lực cản của xe (hình 1.1).

Hình 1.1: Quan hệ giữa lực cản khí động và các lực cản khác

12


Như vậy, để giảm thiểu lực cản, vấn đề được quan tâm nhất đó chính là hình
dạng khí động của xe. Do đó, trong việc thiết kế và chế tạo xe hơi ngày nay vấn đề
luôn được quan tâm hàng đầu đó là thiết kế hình dạng cho một chiếc xe.
Theo thời gian, cùng với rất nhiều các nghiên cứu được tiến hành, hệ số cản
khí động không ngừng được cải thiện. Ở những năm 50 hệ số cản khí động dao
động từ 0.4 đến 0.55 và hiện nay hệ số này dao động trong khoảng 0.25 đến 0.35
(Hình 1.2). Dễ dàng nhận thấy trong hình là hệ số lực cản giảm khi thay đổi hình

dạng thiết kế của xe.

Hình 1.2: Hệ số cản khí động ngày càng giảm theo thời gian
Trong thực tế, khi xem xét xe chuyển động trong gió xiên trên đường thẳng
thì sẽ chịu 6 thành phần lực khí động đó là: Lực cản FD, lực nâng FL, lực ngang FS,
Momen MP quay quanh Oy, momen MR quay quanh Ox, momen MY quay quanh
Oz. Người ta có biểu diễn các lực này bằng các công thức sau:

Trong đó CD, CS, CL, CR, CP, CY là các hệ số khí động ô tô.
Việc xác định được các 6 hệ số này cho phép ta xác định được các lực cản và
momen cản tương ứng. Trên cơ sở đó có thể tính toán được các phản lực từ mặt

13


đường lên bánh xe. Từ đó có thể đánh giá được khả năng bám đường, hiệu quả
phanh…
Hình 1.3 dưới đây thể hiện sơ đồ lực tác dụng lên xe khi xe hoạt động.

Hình 1.3: Sơ đồ lực tác dụng lên ô tô [7]
Nếu coi xe là cứng tuyệt đối thì điều kiện cân bằng lực và momen đối với
tâm trọng lực có tất cả 6 phương trình.
Phương trình cân bằng lực:

Phương trình cân bằng momen:

14


Ở đây FD là lực cản, FS là lực bên, FL là lực nâng, MR momen quay quanh

trục x, MP momen quay quanh trục y, MY momen quay quanh trục z.
T1, T2, T3, T4 là các lực kéo sinh ra ở các bánh xe.
i1, i2 nhận các giá trị bằng 0 hoặc bằng 1 tùy thuộc vào cầu nào chủ động.
Các phương trình lực và momen trên tạo thành 1 bộ gồm có 6 phương trình
với tổng cộng 16 ẩn số chưa biết trong đó: Gồm có 12 thành phần lực cản và gồm 4
thành phần lực kéo.
Ở đây xi,yi,zi là tọa độ tâm của bánh xe :
Ta có: x1=x2=a; x3=x4=-b; y1=y3=-c/2 và y2=y4=c/2
Và

z1-z2+z3-z4=0

(1.8)

Nếu chúng ta giả sử rằng mỗi phản lực dọc tỷ lệ với độ dịch chuyển và độ
cứng của hệ thống treo ở tất cả các bánh là như nhau thì dẫn tới phương trình phản
lực dọc:
(1.9)
Ta có công thức tính lực cản lăn:
(1.10)
Trong đó fr là hệ bám.
Trong thực tế thì kể cả khi không có gió thì lúc xe chạy vẫn có luồng gió tác
dụng vào xe.

Hình 1.4: Luồng gió tự nhiên và luồng gió thực tác dụng lên ô tô khi nó chuyển động
Khi xe chạy với vận tốc là vo và hướng gió trời là
sự tác dụng lên xe là va và hướng của nó tạo với trục ox góc

15

khi đó luồng gió thực
. Các vận tốc và các


góc này được thể hiện ở hình 1.4. Từ hình vẽ này ta có biểu thức vecto:
. Từ biểu thức này ta có thể tính được quan hệ giữa vận tốc gió trời,
vận tốc gió thực tác động lên xe và vận tốc của xe theo biểu thức:

Khi luồng gió va này tác động vào xe sẽ tạo nên các lực và momen cản, tuy
nhiên để xác định chính phương trình lực và momen này thì rất phức tạp.
Từ các phương trình đã tìm được, ta có thể giải ra phản lực tại các bánh xe
như sau:

Dễ dàng nhận thấy rằng phản lực bánh xe có sự phụ thuộc vào các lực khí
động và trong đó lực cản FD, lực nâng FL cùng góp phần vào việc quyết định sự tăng
hay giảm đối với phản lực bánh xe. Nếu F D tăng, FL giảm thì phản lực tăng và
ngược lại.
Đối với lực cản khí động của xe là loại lực, tương tự như bất kỳ vật thể nào
chuyển động trong môi trường khí, xảy ra do sự sai khác của phân bố áp lực trên bề
mặt trước và sau. Nó bao gồm lực ma sát giữa môi chất với bề mặt xe và lực sinh ra
do áp lực của không khí tác động trực tiếp lên xe. Nhưng do lực ma sát quả nhỏ so
với áp lực khí nên khi tính toán người ta chỉ quan tâm đến lực cản là áp lực.
Lực cản khí động của ô tô bao gồm hai thành phần lực chính. Một là thành
phần áp suất phía đầu mũi xe, phần áp suất này được tạo ra do chuyển động của xe
làm các phần tử khí bị nén lại và làm tăng áp suất của vùng không khí trước mui xe.

16


Đồng thời các phân tử khí này cũng di chuyển dọc theo thân xe làm áp suất thấp

hơn áp suất khí tại phần đầu mui xe.

Áp suất tăng lên

Hình 1.5: Hình ảnh minh họa áp suất mui xe khi hoạt động
Phần thứ hai là phần chân không phía cuối xe, sau khi xe chuyển động thì
phần trống ở cuối xe tạo ra một vùng chân không. Dòng khí khi ấy có xu hướng
điền đầy vào khu vực này và kết quả là các phân tử khí sẽ nhanh chóng lấp đầy vào
khu vực này. Nhưng do xe chuyển động liên tục nên việc khí lấp đầy hoàn toàn
vùng chân không này là không thể và kết quả là vùng chân không này hút liên tục
chiếc xe trở lại phía sau làm tăng giá trị lực cản và hiện tượng này gọi là hiện tượng
tách thành.
Hiện tượng tách
thành

Hình 1.6: Hình ảnh minh học hiện tượng tách thành và rối sau xe
Thông qua những nghiên cứu các nhà nghiên cứu đã tổng hợp được công
thức tính toán về lực cản khí động tổng thể như sau
1

FD = CD 2 AV

2

(1.17)

Trong đó: FD là lực cản khí động tổng thể tác động lên xe
V là vận tốc di chuyển của xe
A là diện tích bề mặt tiếp xúc trực tiếp thường là mặt chiếu cạnh
CD là hệ số lự cản của xe

17


Tương tự như lực cản, khi di chuyển trong môi chất do biên dạng ô tô khác
nhau sẽ có sự khác biệt giữa vận tốc của mặt trên và mặt dưới của ô tô. Theo
nguyên lý Bernoulli thì nó sẽ gây ra sự chênh áp giữa mặt trên và mặt dưới của ô tô
tạo ra lực tác động lên bề mặt của xe.
Bên cạnh việc tạo ra lực nâng cũng có một số vị trí như góc trên kính chắn
gió tạo ra lực ép xuống bên dưới.

Hình 1.7: Hình ảnh minh họa về lực tác động vào xe khi hoạt động
Ta có công thức tính toán như sau:
1

FL = CL 2 AV

2

(1.18)

Trong đó: FL là lực nâng khí động tổng thể tác động lên xe
V là vận tốc di chuyển của xe
A là diện tích bề mặt tiếp xúc trực tiếp thường là mặt chiếu bằng
CL là hệ số lự nâng của xe
Như vậy lực nâng của ô tô cũng tỉ lệ thuận với diện tích mặt tiếp xúc và bình
phương vận tốc. Vì thế khi xe di chuyển với vận tốc cao sẽ rất nguy hiểm vì nó làm
giảm độ bám dính của lốp lên đường. Qua đó các nhà thiết kế phải tính toán sao cho
đảm bảo giữa vận tốc của ô tô và tính an toàn, đặc biệt là đối với những xe có vận
tốc cao như xe đua hay xe có kiểu dáng thể thao.

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu khí động học xe
Ngay từ những năm 50, các nghiên cứu liên quan đến khí động học của xe đã
được rất nhiều trung tâm nghiên cứu, nhiều hãng trên thế giới quan tâm. Ban đầu,
các nghiên cứu xuất phát từ việc xác định đặc tính khí động của các hình dạng cơ

18


bản của các vật thể. Hình 1.8 thể hiện các đặc tính khí động thông qua hệ số lực cản
của các hình dạng khác nhau.

Hình 1.8: Hệ số lực cản của một số hình dạng quen thuộc [2]
Như vậy, có thể thấy rằng để thiết kế một chiếc xe có hệ số cản khí động hợp
lý thì xe có hình dạng profil, nửa profil là hợp lý nhất. Đây có thể coi là xuất phát
điểm cho việc hình thành ý tưởng thiết kế hình dạng khí động học của xe.
Tuy nhiên, trong thiết kế không phải lúc nào ta cũng có thể tuân theo hoàn
toàn hình dạng như thống kê ở trên vì nó còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau
như tính năng chuyên chở, khối lượng xe, tính năng sử dụng…. Chính vì vậy, hiện
nay rất nhiều hình dạng xe khác nhau được thiết kế và đưa vào sử dụng.
1.2.1 Ảnh hƣởng của hình dáng chung ô tô đến hệ số khí động
Tổng quan về kiểu dáng công nghiệp ô tô hiện nay, theo những khảo sát và
đánh giá chung, thế giới đang sử dụng ba mẫu xe thịnh hành nhất:
- Mẫu ô tô Fast back: Phổ biến ở các dòng xe tốc độ cao như Bugati, Posche,
Áton Martin, ... với đặc điểm kiểu dáng khí động đuôi phía sau dốc thẳng xuống,

19


nhằm hạn chế tối đa lực cản khí động, thông thường các dòng xe này có hệ số lực
cản không khí CD<0.3.

Hình 1.9: Mô hình ô tô Porsche 911
- Mẫu ô tô thứ hai rất phổ biến từ các dòng xe hạng trung đến các dòng xe
hạng sang là mẫu Notch back dạng chữ V phía duôi đằng sau, hay còn gọi là dòng
sedan, loại này hệ số lực cản khí động cũng tương đối nhỏ CD =0,32-0,34.

Hình 1.10: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E320
- Loại phổ biến thứ ba là loại ô tô Square back với hệ số lực cản khí động CD
từ 0,414-0,44. Hiện nay, các kiểu dáng xe tương tự Square back nhưng có phần đuôi
phía sau nhô cao hơn được sử dụng rộng rãi trên chủng loại xe thể thao đa dụng
SUV.

20


Hình 1.11: Mô hình ô tô Mercedes-Benz E63
Ngoài ra, chúng ta thấy trên thị trường còn có loại ô tô Pick-up, theo kết quả
khảo sát và tính toán, chúng có hệ số lực cản trong khoảng từ 0,463-0,491. Bên
cạnh đó còn có rất nhiều các kiểu dáng ô tô được thiết kế riêng nhằm phục vụ các sở
thích cũng như mục đích đặc biệt.
Sau nhiều năm phát triển và nghiên cứu về khí động ô tô, người ta vẫn muốn
giữ được phong cách cho 1 chiếc ô tô nhưng yêu cầu chiếc ô tô đó phải có sức cản
khí động nhỏ. Nhiều nghiên cứu đã ra đời, tuy nhiên có thể đúc kết lại như sau:
Hình dáng của chiếc ô tô ảnh hưởng trực tiếp tới hệ số cản của xe, tại những điểm 1,
2, 3, 4, 5, 6, 7 như hình vẽ bắt buộc phải làm cong đi r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7. Ta có thể
sử dụng các miếng ốp A, A+B, A+B+C, A+B+C+D, A+B+C+E theo các nghiên
cứu thì hệ số cản sẽ giảm đi lần lượt tương ứng là -4%,-13%,-17%,-19%,-21%.[10]

21

Hình 1.12: Ảnh hưởng của hình dạng khí động tới hệ số lực cản
Những nghiên cứu về khí động ô tô khác xa so với thực tế. Có những nghiên
cứu tìm ra xe có CD=0.15 (Năm 1922 của Klemperer) nhưng phải đến 40 năm sau
người ta mới sản xuất ra một chiếc xe có hệ số cản như vậy.
1.2.2 Ảnh hƣởng của góc vát đuôi xe và góc nghiêng mặt kính trƣớc
Dòng chảy của chất khí qua phía trên nóc của xe đặc biệt thú vị, ảnh hưởng
của góc nghiêng của bề mặt này được nghiên cứu rộng rãi trong 20 năm qua (ví dụ
như Janssen & Hucho 1975; Morel 1978a,b; Ahmed 1984). Bản chất của dòng chảy
phía trên này có quan hệ mật thiết với hình dạng phía đuôi xe. Góc nghiêng không
hợp lý sẽ tạo ra dòng xoáy lớn hay nhỏ phía sau xe [10].

Hình 1.13: Ảnh hưởng của góc vát đuôi xe với dòng xe squareback

22


Ở hình vẽ trên thì ta có thể nhận thấy góc nghiên α vào khoảng 150 thì lực
cản khí động sẽ là nhỏ nhất. Lực cản khí động sẽ lớn nhất khi góc nghiêng này bằng
300.
Một số những nghiên cứu khác về góc nghiêng ở đuôi xe notchback
(Nouzawa et al 1990) đã chỉ cho thấy rằng nếu với nhiều các góc α khác nhau như
150,250,300,350,500,900 thì góc nghiêng α lớn hơn hoặc bằng 250 trở đi thì lực cản
xe sẽ lớn nhất khi góc β xấp xỉ 250.

Hình 1.14: Ảnh hưởng của góc nghiêng α và β tới hệ số cản CD với dòng xe Northback
Nghiên cứu đối xe Fastbacks về góc nghiêng mặt kính phía trước và góc
nghiên phần đuôi xe thể hiện như hình vẽ.

Hình 1.15: Ảnh hưởng của góc nghiêng mặt kính φ độ cao z đuôi xe fast back.

23


Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng vỏ ô tô con tới sự thay đổi
gia trị CD trên hình trên: Khi giảm góc nghiêng mặt kính trước một lượng Δφ và
nâng cao phần đuôi xe một lượng +Δz cho phép giảm bớt giá trị CD. Chính vì vậy
xu hướng ngày nay cấu tạo vỏ xe theo cấu trúc fastback.
1.2.3 Ảnh hƣởng của góc vát gầm đuôi xe
Góc vát gầm đuôi xe αw cũng ảnh hưởng rất nhiều tới trị số CD và CL. Nghiên
cứu với những dòng xe fastback, squareback, northback (Bearman P.W., De Beer
D., Hamidy E., Harvey J.K., The effect of a moving Floor on Wind-Tunnel
Simulation of Road Vehicles) cho thấy: Đối với dòng xe fastback và northback thì
khi làm vát lên góc ϑ = 3-40 thì lực cản CD có xu hướng giảm xuống. Ngược lại với
dòng xe squareback thì khi tăng góc vát ϑ đồng nghĩa với tăng hệ số cản CD.

Hình 1.16: Ảnh hưởng của góc vát gầm đuôi xe tới hệ số cản khí động
Cụ thể với xe fastback khi lw/lc=0.326 và xe northback lw/lc=0.176 thì ảnh hưởng
của CD và CL với αw được thể hiện như đồ thị dưới. Ta nhận thấy khi góc vát càng
lớn, hệ số CL sẽ càng giảm thậm chí khi góc αw =3-40 thì CL sẽ chuyển từ dương
sang âm tức là lực nâng dương sẽ chuyển sang lực nâng âm [10].

24


Hình 1.17: Ảnh hưởng của góc nghiêng αw tới CD và CL
1.2.4 Ảnh hƣởng của cánh phía đuôi xe
Trong quá trình nghiên cứu, nhiều nỗ lực để tìm ra cách giảm lực cản, tuy
nhiên khi xe chạy với tốc độ cao một vấn đề khác rất được quan tâm đó là lực nâng.
Vì khi chạy với tốc độ cao, sẽ có 2 dòng khí một dòng đi dưới gầm xe và một dòng

đi lướt qua mặt trên của xe. Dòng khí bên trên thông thường sẽ có vận tốc lớn hơn
làm cho áp suất phía trên nhỏ hơn phía dưới . Kết quả là xe chịu lực nâng. Việc xe
chịu lực nâng sẽ dẫn tới làm giảm trọng lượng bám của xe, bánh xe sẽ dễ bị trượt
gây nguy hiểm. Có nhiều nghiên cứu mục đích làm tăng trọng lượng bám của xe khi
xe chạy ở tốc độ cao. Năm 1982, người ta đã tìm ra mẫu xe có hệ số lực nâng là
CL=-2 và nó tạo ra được 1 lực hướng xuống ở vận tốc 300km/h xấp xỉ bằng hai lần
trọng lượng của xe.

25