Khảo sát ảnh hưởng khí động học khung vỏ ô tô tới lực cản và lực nâng ở vận tốc cao

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đƣợc sự
hƣớng dẫn tận tình của TS Trần Thanh Tùng. Các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày
trong luận văn là trung thực, khách quan và chƣa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào.
Các thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS Trần Thanh Tùng

Nguyễn Thanh Hà


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới giáo viên
hƣớng dẫn chính: Tiến sĩ Trần Thanh Tùng, th y đã tận tình hƣớng dẫn, định
hƣớng, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn T i ế n s ĩ D ư ơ n g N g ọ c K h á n h trong suốt
quá trình tôi thực hiện luận văn, thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện kế hoạch học tập và nghiên cứu.
Xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy trong Bộ môn Ô tô và xe
chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội với
những góp ý rất thiết thực trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cơ quan của tôi đang công tác: Phòng
Kỹ thuật - Công nghệ, Binh đoàn 11/Bộ Quốc phòng đã tạo điều kiện, ủng hộ,
giúp đỡ tôi về mọi mặt trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới các bạn đồng nghiệp vì sự giúp đỡ thiết thực cho
luận văn này.

Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2017
Học viên

Nguyễn Thanh Hà


MỘT SỐ KÝ HIỆU
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị
(Thứ nguyên)

FA
FL

Lực khí động theo phƣơng dọc

N

Lực nâng

N

Cd

Hệ số cản khí động theo phƣơng dọc

-

Cl

Hệ số nâng
Diện tích cản chính diện
Diện tích sàn xe

A
D

m2
m2

Khối lƣợng riêng của không khí
U∞

Vận tốc dòng khí ở vô cùng

Re
M

Số Reynolds
Số Mach

-

Hệ số độ nhớt động lực
Fms

Lực cản do ma sát

Fca

Lực cản do chênh áp
Áp suất

p
Cp
L

kg/m3
m/s

N.s/m2
N
N
Pa

Hệ số áp suất không thứ nguyên
Thông số hình học đặc trƣng
Độ nhớt động học của không khí

T

Ten-sơ ứng suất của dòng rối

K

Động năng của dòng rối

m
m2/s
J/kg (m2/s2)

Hệ số tán xạ năng lƣợng của dòng rối

-

Hệ số tán xạ năng lƣợng của dòng rối

-

i


Bảng 3.1.
Bảng 3.2.
Bảng 3.3

DANH MỤC CÁC BẢNG
So sánh Cd, Cl của xe Sedan và Hatchback tại vận tốc 30 (m/s)
Ảnh hưởng của vận tốc đến hệ số Cd, Cl của xe Sedan
Bảng số liệu mô tả sự thay đổi hệ số Cd, Cl khi thay đổi góc vát
DANH MỤC ĐỒ THỊ HÌNH ẢNH

Hình 1.1.

Sơ đồ hiệu suất của ô tô khi chạy tốc độ thấp

Hình 1.2.

Sơ đồ hiệu suất của ô tô khi chạy tốc độ thấp

Hình 1.3.

Lực tác dụng lên xe khi xe chuyển động

Hình 1.4.

Lực tác dụng lên vật nằm trong dòng chảy

Hình 1.5.

Dòng khí tác dụng lên xe khi chuyển động ở tốc độ cao

Hình 1.6.

Hệ số cản một số vật thể đơn giản

Hình 1.7.

Sự hình thành vùng xoáy áp suất phía sau vật cản

Hình 1.8.

Trƣờng hợp coi Fca=0 hay FA=Fms

Hình 1.9.

Ảnh hƣởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy

Hình 1.10.

Hệ số cản và hình dạng khí động học

Hình 1.11.

Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản

Hình 1.12.

Một trong những hình dạng có hệ số cản nhỏ

Hình 1.13.

Hệ số cản không của xe du lịch

Hình 1.14.

Đồ thị biến thiên hệ số cản của ô tô du lịch

Hình 1.15.

Mô hình khí trôi qua cánh của cánh máy bay

Hình 1.16.

Lực nâng

Hình 1.17.

Dòng khí bao quanh các dạng vỏ xe khi chuyển động

Hình 1.18.

Vùng xoáy phía sau khi xe chuyển động

Hình 1.19.

Các vùng xoáy trên vỏ xe ô tô du lịch

ii


Hình 1.20.

Phân bố áp suất không thứ nguyên trên vỏ xe

Hình 1.21.

Ảnh hƣởng của cấu trúc đuôi xe tới hệ số lực cản khí động

Hình 1.23.

Ảnh hƣởng của bán kính góc lƣợn giữa kính chắn gió và tấm nóc xe với hệ
số cản không khí
Ảnh hƣởng của chiều cao sàn xe tới các lực khí động

Hình 3.1.

Mô hình xe Hatchback

Hình 3.2.

Mô hình xe Sedan

Hình 3.3.

Giới hạn vùng tính toán tiêu chuẩn

Hình 3.4.

Giới hạn vùng tính toán đƣợc thiết lập

Hình 3.5.

Mô hình chia lƣới của xe Sedan

Hình 3.6.

Mô hình chia lƣới xe Hatchback

Hình 3.7.

Biểu đồ phân bố vận tốc của dòng khí bao quanh xe Hatchback

Hình 3.8.

Biểu đồ phân bố vận tốc và áp suất của dòng khí bao quanh xe Sedan

Hình 3.9.
Hình 3.10.
Hình 3.11.

Phân bố áp suất trên xe Hatchback
Phân bố áp suất thân xe Hatchback
Phân bố áp suất trên vỏ xe Sedan

Hình 3.12.

Phân bố áp suất thân xe Sedan

Hình 3.13.

Đồ thị biểu diễn sự ảnh hƣởng của vận tốc với hệ số cản Cd

Hình 3.14.

Đồ thị biểu diễn sự ảnh hƣởng của vận tốc với hệ số lực nâng Cl

Hình 3.15.

Đồ thị phân bố áp suất trên đƣờng giao giữa mặt phẳng thẳng đứng với
thân xe ở v = 30m/s ở xe Sedan

Hình 3.16.

Chiều cao của xe Sedan

Hình 3.17.

Thay đổi góc vát của xe trên mô hình 3D

Hình 3.18.

Biểu đồ vận tốc xe khi vát 8 độ

Hình 3.19.

Biểu đồ vận tốc không khí bao quanh xe khi vát 10 độ

Hình 3.20.

Biểu đồ vận tốc khi vát xe 15 độ

Hình 3.21.

Đồ thị áp suất dọc theo thân xe

Hình 1.22.

iii


MỞ ĐẦU
Hiện nay ô tô vẫn là phƣơng tiện chính trong các phƣơng tiện đƣợc sử dụng
khi tham gia giao thông tại Việt Nam và trên thế giới, với sự phát triển về công
nghệ hiện đại thì ngày càng có nhiều công trình nghiên cứu về ô tô đƣợc ứng dụng.
Tại Việt Nam và các nƣớc trên thế giới, hệ thống giao thông hiện đại, hệ thống
giao thông thông minh cho phép phƣơng tiện di chuyển với tốc độ cao ngày càng

phổ biến, những tuyến đƣờng cho phép chạy xe với vận tốc tối đa từ 120 - 200
km/h hầu nhƣ xuất hiện trên tất cả các nƣớc, vùng lãnh thổ, từ đó rút ngắn khoảng
cách giữa các vùng miền, quốc gia, các vùng lãnh thổ, cải thiện đáng kể sự chênh
lệch giữa các nền kinh tế, văn hóa.
Để đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả, tiết kiệm, các phƣơng tiện nói
chung và xe ô tô nói riêng khi hoạt động, đặc biệt là ở tốc độ cao cần quan tâm lƣu
ý đến tác động của các yếu tố khí động. Trong khuôn khổ nghiên cứu của Luận
văn, trên cơ sở tính toán, khảo sát sẽ góp phần tạo cơ sở lý thuyết vững chắc để từ
đó có những đề xuất sát thực tế khắc phục những kết quả không mong muốn xảy ra.
Trong giai đoạn hiện nay, trƣớc sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cuộc sống của
con ngƣời đƣợc nâng cao cả về vật chất và tinh thần, nhu cầu tham gia giao thông
các phƣơng tiện ngày càng tăng, tai nạn giao thông gia tăng, vì vậy, vấn đề an toàn
khi sử dụng các phƣơng tiện tham gia giao thông luôn đƣợc đặt ra đối với các nhà
kỹ thuật ôtô. Sự chuyển động an toàn của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái
chuyển động của ôtô khi có các yếu tố khác tác động.
Mục đích của luận văn:
- Nghiên cứu tổng quan về động lực học ô tô;
- Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá dạng khí động học vỏ xe du lịch;
- Đề xuất các giải pháp cải thiện dạng khí động học nhằm giảm thiểu lực cản
khí động tác dụng lên ô tô khi chuyển động ở tốc độ cao.

1


Đối tượng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn đƣợc lựa chọn là ô tô du lịch với mẫu xe
tham khảo cụ thể là ô tô du lịch MAZDA 3 (phiên bản Hatchback và phiên bản Sedan).
Phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu, khảo sát ảnh hƣởng của khí động đến lực
cản, lực nâng trên mô hình vỏ xe du lịch ở vận tốc cao (bỏ qua gƣơng chiếu hậu,

gạt mƣa, các khe gờ trên vỏ, kính. …).
Nội dung nghiên cứu
Luận văn gồm các nội dung chính nhƣ sau:
1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;
2. Xây dựng mô hình mô phỏng khí động học vỏ xe du lịch;
3. Nghiên cứu khí động học vỏ ô tô du lịch bằng phần mềm;
4. Kết luận.

2


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC Ô TÔ
1.1 Sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.
1.1. 1. Nhu cầu về ô tô hiện nay
Theo số liệu của Tổng cục Thống kê năm 2015, tại Việt Nam, sản phẩm ô tô
tăng cao so với năm 2014: 54,5%. Số ngƣời có nhu cầu sử dụng ô tô là 54%, theo kết
quả khảo sát của Tổ chức GlobalWebIndex thì chi tiết các phƣơng tiện thƣờng xuyên
đƣợc sử dụng tại Việt Nam: Xe ô tô cá nhân: 54%; Xe gắn máy (điện hoặc xăng):
50%; Taxi: 30%; Xe buýt: 27%; Các ứng dụng gọi xe: 17%; Chƣơng trình chia sẻ
phƣơng tiện (Dùng chung xe): 13%; Xe ôm: 12%; Tàu hoả: 4%.

Trên thế giới, qua số liệu sản xuất ô tô trên toàn cầu để đánh giá về nhu cầu ô tô
trong cuộc sống con ngƣời, các số liệu mới nhất về ngành công nghiệp ô tô toàn thế
giới năm 2014 hiện chƣa đƣợc công bố, nhƣng hãng thống kê Statista ƣớc tính, năm
2014, số lƣợng xe du lịch (passenger car) dự kiến đƣợc sản xuất trên toàn thế giới vào
khoảng 72 triệu chiếc. Trƣớc đó, vào năm 2013, toàn thế giới sản xuất ra 87,3 triệu ô
tô các loại, trong đó xe du lịch chiếm 65,44 triệu chiếc. Với 87 triệu xe các loại sản
xuất trong năm 2013, thì cứ mỗi giây toàn thế giới sản xuất ra trung bình 2,7 xe. Nếu
chỉ tính trung bình mỗi xe dài 5m, thì năm 2013 thế giới đã sản xuất ra một đoàn xe dài
435 nghìn km. Theo Hiệp hội Các nhà sản xuất ô tô thế giới (OICA), năm 2012, toàn

thế giới có khoảng 1,143 tỷ xe ô tô các loại đang lƣu hành, trong đó riêng Mỹ gần 251
3


triệu xe. Toàn châu Âu hiện có 368 triệu xe, riêng 27 quốc gia thuộc Liên minh châu
Âu và các nƣớc thuộc Hiệp hội mậu dịch tự do châu Âu chiếm 291 triệu xe. Với 1,143
tỷ xe đang lƣu thông, và cũng tính trung bình mỗi xe chỉ dài 5m, thì khi toàn bộ xe trên
thế giới xếp thành một hàng, chiều dài của đoàn xe này là 5,7 triệu km, tức hơn 140 lần
chu vi trái đất (tham khảo tại www.Xedoisong.vn).
Qua con số trên cho thấy nhu cầu sử dụng xe ô tô phục vụ đời sống là rất cao, ô
tô vẫn là phƣơng tiện chính hiện tại và trong thời gian dài tiếp theo.
1.1.2. Định hướng phát triển
Ở Việt Nam, Thủ tƣớng Chính phủ đã có Quyết định số 1168/QĐ-TTg ngày
16/7/2014 về chiến lƣợc phát triển ngành ô tô Việt Nam đến năm 2025 tầm nhìn đến
năm 2035. Trong giai đoạn “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến
năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030”, Chính phủ đã nhấn mạnh tầm quan trọng của lĩnh
vực sản xuất ô tô du lịch và đƣa ra định hƣớng cụ thể: “…chú trọng phát triển các loại xe
khách tầm trung và tầm ngắn,… Tập trung đầu tƣ cải tiến, nâng cấp công nghệ để nâng
cao chất lƣợng sản phẩm, hoàn thiện hệ thống dịch vụ bán hàng, nâng cao năng lực cạnh
tranh, đáp ứng phần lớn nhu cầu trong nƣớc, từng bƣớc tham gia xuất khẩu”.
Tính đến thời điểm hiện tại thì châu Á vẫn là nơi sản xuất nhiều ôtô nhất trên
thế giới với sự nổi lên của các quốc gia nhƣ: Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài
Loan, Thái Lan... Theo số liệu của năm 2014 tổng hợp từ 50 quốc gia thì tổng số xe
hơi đƣợc sản xuất trên toàn thế giới vào khoảng 91,31 triệu chiếc, sản lƣợng xe của các
hãng xe đến từ Nhật Bản chiếm gần 30% và dẫn đầu thế giới. Số lƣợng xe sản xuất của
top 5 quốc gia theo thứ tự lần lƣợt: Trung Quốc (23,72 triệu chiếc), Mỹ (11,65 triệu
chiếc), Nhật Bản (9,77 triệu chiếc), Đức (6,12 triệu chiếc), Hàn Quốc (4,52 triệu
chiếc). Cũng theo số liệu thống kê, tổng số xe bán ra trong năm 2014 của 85 quốc gia
trên toàn thế giới vào khoảng 87,67 triệu xe. Có thể chƣa phải những ý tƣởng mang ý
nghĩa “đại cách mạng” trong ngành công nghiệp ôtô thế giới nhƣng trong năm 2016

này, một số xu hƣớng thiết kế, chế tạo xe cũng nhƣ các hƣớng phát triển mới sau đây
đƣợc đánh giá sẽ là những kim chỉ nam cho sự phát triển của các hãng xe lớn.

4


1.1.3. Xu hướng công nghệ và thực trạng
Hiện nay nhiều hãng sản xuất ô tô trên thế giới đang từng bƣớc từng bƣớc đẩy
mạnh sản xuất các mẫu xe hơi với dung tích động cơ lớn hơn nhiều so với truyền
thống trƣớc đây, vì vậy tốc độ tối đa cũng tăng lên đáng kể. Xu hƣớng hiện nay ngoài
vấn đề tiết kiệm, chất lƣợng tốt thì ngƣời tiêu dùng còn hƣớng tới yếu tố thiết kế ấn
tƣợng và tính tiện dụng cao. Vì thế, sự cạnh tranh về mức giá dần mất ý nghĩa, thay
vào đó là thỏa mãn và gợi mở nhu cầu khách hàng. Xe ô tô hiện nay không chỉ là
phƣơng tiện mà còn là nơi thƣ giãn, cảm nhận những thành tựu công nghệ, ví dụ hiển
thị hình ảnh trên kính lái HUD Head-Up Display (HUD) đang là một trong những
công nghệ đƣợc ngƣời mua xe yêu thích nhất, với chức năng biến chiếc kính chắn gió
trên ô tô thành màn hình hiển thị hình ảnh một cách sống động chứ không chỉ dùng để
chắn gió đơn thuần. Công nghệ HUD giúp ngƣời điều khiển phƣơng tiện theo dõi tốc
độ, hƣớng chuyển động, các thông số vận hành và tín hiệu cảnh báo ngay trên kính lái
mà không cần phải nhìn xuống bảng điều khiển trung tâm. Ngoài ra, chức năng điều
khiển bằng giọng nói và các chức năng tự động khác đƣợc số đông ngƣời sử dụng ƣa
chuộng. Với động cơ dung tích lớn, công nghệ tự động đƣợc ứng dụng tối đa, các nhà
sản xuất và ngƣời sử dụng vẫn đặt vấn đề an toàn, hiệu quả lên hàng đầu. Để giải quyết
những yêu cầu ngày càng cao của ngƣời sử dụng đối với những chiếc xe ô tô hiện đại,
một trong những vấn đề quan trọng cần đƣợc ƣu tiên đầu tƣ nghiên cứu là tối ƣu hóa
dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn
chuyển động.
1.2. Khí động lực học và các thông số đặc trưng
Khí động lực học là môn học nghiên cứu về dòng chảy của chất khí, đƣợc
nghiên cứu đầu tiên bởi George Cayley. Giải pháp cho các vấn đề khí động lực học

dẫn đến các tính toán về tính chất khác nhau của dòng chảy, nhƣ vận tốc, áp suất, mật
độ và nhiệt độ, nhƣ là các hàm của không gian và thời gian. Khi hiểu đƣợc các tính
chất này của chất khí, ngƣời ta có thể tính toán chính xác hay xấp xỉ các lực và
các mômen lực lên hệ thống dòng chảy.

5


Khí động lực học sử dụng các phân tích toán học và các kết quả thực nghiệm.
Chuyên ngành này có nhiều ứng dụng, ví dụ nhƣ nó là nền tảng cho việc thiết kế máy
bay, nghiên cứu vỏ ô tô, và ứng dụng rộng rãi trong xe đua. Các vấn đề về khí động lực
học đƣợc chia ra làm nhiều loại, có thể phân loại theo môi trƣờng dòng chảy, khí động
học ngoại biên và khí động học nội biên. Khí động học ngoại biên là ngành nghiên cứu
dòng chảy xung quanh vật rắn, môn này có các ứng dụng nhƣ tính toán lực nâng và lực
kéo lên cánh máy bay, lực hãm tạo nên ở mũi tên lửa. Khí động học nội biên nghiên cứu
về dòng khí qua các động cơ phản lực hay qua các ống của máy điều hòa.
Một vật chuyển động qua một chất lƣu (không khí, nƣớc) bao giờ cũng phải
chịu một sự cản trở nào đó, đối với chuyển động của nó. Lực do chất lƣu tác dụng vào
vật nhất thiết làm cho chuyển động của vật bị thay đổi phần nào. Chúng ta có thể nghĩ
rằng lực hãm là khá lớn nếu vật chuyển động trong một chất lỏng, nƣớc chẳng hạn,
nhƣng nếu chất lƣu là một chất khí (không khí chẳng hạn) thì ta có thể cho rằng lực sẽ
nhỏ đến mức không ảnh hƣởng thực tế nào vào chuyển động của vật. Tuy nhiên, nhƣ
chúng ta thấy, lực mà chúng ta thƣờng gọi là sức cản của không khí không phải bao
giờ cũng có thể dễ dàng bỏ qua nhƣ vậy. Sức cản của không khí là một biểu hiện của
lực khí động lực - lực do không khí tác dụng vào một vật chuyển động (khi một vật
chuyển động trong nƣớc, thì lực gọi là lực thủy động lực). Những lực nhƣ vậy đƣợc
quy về lực động lực vì chúng do chuyển động sinh ra, hơn nữa, lực tồn tại hoặc do vật
đứng yên trong chất lƣu chuyển động, cũng nhƣ do vật chuyển động trong chất lƣu
đứng yên: tức là lực đƣợc tạo ra bởi chuyển động tƣơng đối.
Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển động của dòng chảy hay biến thiên

các thuộc tính áp suất, vận tốc... của ô tô khi chuyển động trong môi trƣờng có vai trò
hết sức quan trọng khi tối ƣu hóa để mang lại hiệu quả cao nhất.

6


Hình 1.1. Sơ đồ hiệu suất của ô tô khi chạy tốc độ thấp

Hình 1.2. Sơ đồ hiệu suất của ô tô khi chạy tốc độ cao
Khi ô tô chuyển động trong không khí ở tốc độ thấp thì tổn thất do tác dụng của
gió chỉ khoảng 3%. Khi chạy ở tốc độ cao, thì tổng hao công suất tăng tới 11% công
suất truyền từ động cơ.
Ô tô chuyển động sinh ra các lực cản lực nâng của không khí đối với xe ô tô.
Các lực này rất lớn khi xe chạy ở tốc độ cao. Nó ảnh hƣởng đến khả năng điều khiển
của xe cũng nhƣ khả năng chuyển động của xe.

7


Khi sử dụng phƣơng pháp tính toán động học chất lƣu CFD (Computational
Fluid Dynamics) có thể giải quyết rất tốt bài toán khi xe chạy trong môi trƣờng chất
lƣu có độ chính xác cao. Ngày nay CFD đƣợc kết hợp cả thực nghiệm thuần túy và kết
quả của lời giải số, các phƣơng pháp này hỗ trợ nhau, bổ sung và là tiêu chuẩn để đánh
giá nhau, trong đó CFD có vai trò quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu từ tính toán lý
thuyết đến thiết kế công nghệ. Để ứng dụng đƣợc CFD giải bài toán cụ thể là khảo sát
khí động trên 2 mẫu xe Sedan và Hatchback các thay đổi của lực cản, lực nâng khi
thay đổi góc thoát xe thì cần hiểu biết về lý thuyết cơ bản của CFD, các phƣơng trình
mô tả lƣu chất. Từ đó ta có thể hiểu rõ và lựa chọn thuật giải phù hợp.
Theo lý thuyết thì khi chuyển động, ôtô phải khắc phục nhiều loại lực cản: lực
cản lăn, lực quán tính, lực ma sát và nhất là lực cản của gió khi xe lao nhƣ bay về phía

trƣớc.

Hình 1.3. Lực tác dụng khi xe ô tô chuyển động
- Lực cản lăn liên quan đến chất lƣợng mặt đƣờng, chất lƣợng săm lốp;
- Lực quán tính liên quan đến khối lƣợng và gia tốc của xe;

8


- Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn, lực
cản của gió lại liên quan đến hình dạng khí động học và tốc độ của xe. Đây cũng là loại
lực cản phức tạp nhất khi ô tô chuyển động trong môi trƣờng không khí, sự tƣơng tác
của vỏ xe với môi trƣờng sinh ra các lực và mô men có ảnh hƣởng xấu tới chất lƣợng
vận hành của ô tô. Hệ quả trực tiếp của sự tƣơng tác trên là lực cản không khí làm gia
tăng mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô, đặc biệt là ở vận tốc cao do lực này tỷ lệ với bình
phƣơng của vận tốc.
Ngoài ra, lực nâng làm giảm khả năng bám đƣờng, còn các mô men thì có thể
gây nên hiệu ứng lật xe, đây là những yếu tố này ảnh hƣởng trực tiếp đến an toàn
chuyển động.
Để giảm tối đa những ảnh hƣởng xấu nêu trên, cần có những nghiên cứu sâu về
khí động học vỏ xe ngay trong quá trình thiết kế.
1.2.1. Cơ sở lý thuyết
Các lực sinh ra bởi sức cản nhớt và sức cản do hình dạng đƣợc phân bố trên
toàn bộ bề mặt của vật nhúng chìm, tuy nhiên trong thực tế ngƣời ta thƣờng cộng và
quy chúng về hai thành phần: lực cản - tác dụng ngƣợc với chiều chuyển động tƣơng
đối của vật đối với chất lƣu (tức là đối song với vector vận tốc) và lực nâng - tác dụng
vuông góc với một phƣơng chuyển động, lực nâng ở đây phải đƣợc hiểu nhƣ một lực
ngang hoặc hƣớng sang bên, có thể làm cho vật bị lệch theo phƣơng bất kỳ nào vuông
góc với vận tốc, chứ không phải nhƣ một lực hƣớng lên (chống lại trọng lực).
Trong khuôn khổ Luận văn này sẽ đi nghiên cứu ảnh hƣởng của lực cản không

khí, lực nâng khi xe chuyển động ở tốc độ cao.
Đối tƣợng nghiên cứu của khí động học là dòng chảy quanh một vật cản đang
chuyển động bằng phƣơng pháp Ơle với hệ tọa độ gắn với vật. Để đơn giản hóa
phƣơng pháp mô tả, ngƣời ta coi một vật chuyển động với vận tốc V trong môi trƣờng
không khí tĩnh tƣơng đƣơng với vật đứng yên trong dòng khí có vận tốc V.

9


Hình 1.4. Lực tác dụng lên vật nằm trong dòng chảy
1.2.2. Lực cản không khí (FA)
Khi xe chuyển động ở tốc độ cao, lực cản tác dụng nhƣ một lực làm giảm tốc,
nói chung, là giảm tốc độ chuyển động của xe.

Hình 1.5. Dòng khí tác dụng lên xe khi chuyển động ở tốc độ cao

10


Lực cản không khí bao gồm hai thành phần sau đây:
- Lực cản chính diện: Lực cản này sinh ra do sự xoáy lốc của dòng khí, nói cách
khác, lực cản sinh ra bởi sự gia tăng áp suất không khí ở phía trƣớc xe và sự giảm áp
suất ở phía sau xe.
- Lực cản do ma sát giữa vỏ xe và dòng khí chuyển động ở gần vỏ xe với nhau:
Do lớp không khí này tác động lên lớp không khí khác, vận tốc của các lớp không khí
gần vỏ xe cao hơn so với vận tốc của lớp không khí ở xa vỏ xe, do vậy tạo nên ma sát
giữa các lớp không khí .Vận tốc của xe càng lớn thì khối lƣợng không khí tham gia vào
chuyển động càng nhiều và tổng lực ma sát càng cao.
Trên cơ sở thực nghiệm ngƣời ta thiết lập đƣợc công thức tính lực cản không
khí nhƣ sau:

FA =

1
A.
2

.Cd .V2

(1.1)

ρ:
Khối lƣợng riêng không khí (ρ = 1,24 kg/m3);
A:
Diện tích chính diện của ô tô;
V:
Vận tốc tƣơng đối của ô tô với không khí.
Cd:
Hệ số cản không khí (không thứ nguyên), Cd phụ thuộc
hình dáng, chất lƣợng bề mặt ô tô, vỏ ô tô càng trơn nhẵn, hình dạng ô tô càng có dạng
khí động học thì Cd càng nhỏ. Dạng khí động học tốt nhất là dạng một giọt nƣớc rơi tự
do trong không khí;
Trong đó

Hình 1.6. Hệ số cản của một số vật thể đơn giản

11


Trị số của Cd thấp khi xe có dạng khí động tốt, nhƣ vậy lực cản không khí
cũng sẽ nhỏ hơn. Về nguyên tắc, có thể xác định Cd bằng một phép đo trực tiếp với

cách làm tiêu chuẩn là đặt vật (hoặc một mô hình theo tỉ lệ thích hợp) trong một
ống thổi, để lợi dụng sự kiện là lực cản chỉ phụ thuộc vận tốc tƣơng đối của xe và
không khí.
Nhƣ phần trên đã trình bày, lực cản không khí tác động lên ô tô phụ thuộc hệ
số cản không khí Cd (phụ thuộc nhiều vào hình dạng thân xe), công thức (1.1) cho
thấy hệ số Cd không có thứ nguyên, nó không đặc trƣng cho một đại lƣợng vật lý
nào mà chỉ phụ thuộc vào hình dạng khí động học của xe (đây là thông số đặc biệt
quan trọng trong nghiên cứu khí động học). Công thức trên cũng cho thấy, để giảm
lực cản của không khí lên xe đang chuyển động thì chỉ có cách duy nhất hợp lý là
giảm hệ số Cd. Bởi vì, nếu giảm A thì sẽ giảm thể tích sử dụng, làm ô tô trở nên
chật chội, nếu giảm V thì tốc độ chuyển động giảm, làm năng suất vận chuyển
giảm theo. Vì vậy, tất cả các nỗ lực trong nghiên cứu khí động học ô tô ngày nay
tập trung chủ yếu vào việc cải thiện hình dáng khí động học vỏ xe nhằm tối ƣu hóa
hình dạng khí động học của xe, giảm thiểu những tác động xấu khi xe chuyển
động ở tốc độ cao.
Trong thực tế, tính toán lực cản không khí cho xe hơi là điều rất khó vì thân xe
là tổng hợp của nhiều dạng vật thể đơn giản với những hệ số cản không khí khác nhau.
Lực cản không khí có thể phân tích thành 2 thành phần: cản do ma sát Fms và cản do
chênh áp Fca, do vậy Cd cũng đƣợc chia thành 2 thành phần tƣơng ứng.
Cd = Cms + Cca

(1.2)

Nếu nhƣ thành phần cản do ma sát phụ thuộc chủ yếu vào độ nhám bề mặt
của vỏ xe thì thành phần cản do chênh áp lại phức tạp hơn rất nhiều, nó phụ thuộc
chủ yếu vào hình dạng khí động học của vật cản. Hình 1.7. mô tả dòng khí chảy
quanh một vật cản, có thể nhận thấy rằng, ban đầu dòng chảy ôm lấy vật và đƣợc
coi là bám vào nó cho tới điểm A, tại đây, dòng chảy tách khỏi vật làm xuất hiện
một vùng xoáy phía sau nó, vùng xoáy này có áp suất p2 rất thấp (thƣờng là chân

12


không), trong khi phía trƣớc của vật lại chịu áp suất p 1 lớn, do vậy sinh ra độ
chênh áp p:

Hình 1.7. Sự hình thành vùng xoáy áp thấp phía sau vật cản.
p = p1 - p2

(1.3)

Nhƣ vậy, có thể viết:
FA = Fms + A. p

(1.4)

Trong đó A. p = Fca là thành phần lực cản do chênh áp. Lực này phụ thuộc
chủ yếu vào độ chênh áp và diện tích của vùng xoáy.
Phạm vi của vùng xoáy đƣợc xác định bởi điểm tách dòng (điểm A trên hình
1.7), đây là điểm mà dòng chảy bắt đầu tách khỏi vật cản và là khởi đầu của vùng
xoáy. Các nghiên cứu cho thấy, trong một môi trƣờng xác định (có độ nhớt xác
định) vị trí của điểm A phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: vận tốc dòng chảy và hình
dạng của vật cản (vận tốc của dòng chảy mà càng lớn thì điểm A càng dịch về phía
trƣớc làm diện tích vùng xoáy sẽ tăng lên và ngƣợc lại; còn hình dạng của vật cản
là lý tƣởng về mặt khí động học thì điểm A gần nhƣ không tồn tại mà dòng chảy sẽ
bao kín vật cản nhƣ thể hiện).

13

Hình 1.8. Trường hợp có thể coi Fca

a)FA ≈ Fms

0, hay: FA

Fms

b) FA >> Fms

Hình 1.9. Ảnh hưởng của hình dạng của vật cản tới sự hình thành vùng xoáy
Tuy nhiên, trên thực tế, phần lớn các vật (trong đó có các vỏ xe ô tô) có hình
dạng khí động không thể là lý tƣởng, khi đó, tƣơng quan giữa các thành phần Fms và
Fca hoàn toàn phụ thuộc vào hình dạng khí động học của vật. Trên hình 1.9 thể hiện
sự tạo thành vùng xoáy tuỳ theo hình dạng khí động học của vật cản: Có trƣờng
hợp vật có dạng khí động lý tƣởng nên không tạo vùng xoáy và thành phần cản do
chênh áp rất nhỏ, trƣờng hợp vật có dạng khí động xấu, ở đây lực cản do chênh áp

14


Fca chiếm tỷ lệ lớn trong FA. Đối với những vật có dạng khí động học tốt (cánh máy
bay, cánh tua bin, chân vịt,...) thì lực cản có thể tính nhƣ sau:
FA = Fms (1 + k)

(1.5)

Với: k = 0,1 ÷ 0,15 có nghĩa là lực cản do ma sát chiếm tỷ lệ từ 85 đến 90%.
Các nghiên cứu đã khẳng định rằng, muốn cải thiện tác dụng của lực cản đối
với ô tô nói chung và ô tô du lịch nói riêng thì cần thay đổi hình dạng khí động học

vỏ xe. Trong đó, thành phần cản do chênh áp vẫn chiếm tỷ lệ áp đảo và muốn giảm
lực cản thì biện pháp duy nhất là cải thiện hình dạng khí động học vỏ xe.

Hình 1.10. Hệ số cản và hình dáng khí động học
Nhƣ vậy, giảm Cd đồng nghĩa với việc cải thiện hình dạng khí động học của
ô tô. Quá trình hoàn thiện dạng khí động học vỏ xe ô tô con theo lịch sử phát triển
đƣợc mô tả trên hình, có thể nhận thấy rằng, trong giai đoạn trƣớc năm 1930 với
những chiếc ô tô có hình dáng giống xe ngựa cổ xƣa, hệ số cản rất lớn (0,65÷1,0).
Sau đó, vào những năm 1970, hệ số này giảm xuống gần giá trị 0,4 và ngày nay
nó chỉ còn là 0,28 - 0,32 và một số loại xe đã có thể đạt đƣợc Cd = 0,25 ÷ 0,27. Tuy
nhiên, sau năm 2000, khi những chiếc ô tô gần nhƣ đã hoàn thiện về hình dạng khí
động học thì việc giảm đƣợc dù chỉ 0,01 trong Cd ngày càng trở nên khó khăn
hơn, nó đòi hỏi phải có nghiên cứu toàn diện hơn, sâu sắc hơn, trang thiết bị thử

15


nghiệm hiện đại hơn cùng với những chi phí cao hơn rất nhiều. Vì vậy, trong giai
đoạn này, đồ thị mô tả Cd theo thời gian gần nhƣ nằm ngang.

Hình 1.11. Quá trình cải thiện hình dạng khí động học ô tô nhằm giảm hệ số cản
Trong tự nhiên, vật có hình dạng khí động học lý tƣởng chính là giọt nƣớc
rơi trong không khí. Nếu những chiếc ô tô cũng có hình dạng nhƣ vậy thì lực cản
khí động là nhỏ nhất.

Hình 1.12. Một trong những dạng có hệ số cản nhỏ
Trên hình 1.12 mô tả một số dạng vỏ xe điển hình có hệ số cản nhỏ hơn 0,2
và thậm chí có thể đạt giá trị 0,1, tuy nhiên, những chiếc xe với kiểu dáng nhƣ vậy
khó có thể đáp ứng đƣợc thị hiếu của ngƣời tiêu dùng hiện nay nên không thể
xuất hiện phổ biến đƣợc, ngƣời ta thƣờng chỉ gặp các dạng vỏ xe nhƣ vậy trên các

đƣờng đua.
Hình 1.13 cho thấy, nếu có giải pháp tạo dáng hợp lý thì có thể giảm đáng kể
hệ số cản, hệ số cản xe du lịch có thể đạt 0,2-0,45

16


Hình 1.13. Hệ số cản của xe du lịch
Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thì việc tạo dáng không chỉ nhằm vào
mục đích giảm tối đa lực cản khí động mà còn phải đạt đƣợc tính thẩm mỹ cao.
Chính vì vậy, vẫn tồn tại những dạng vỏ xe có hình dáng vuông vắn, góc cạnh tiếp
nhận lực cản khí động lớn với hệ số Cd lớn hơn 0,7. Các kết quả nghiên cứu về khí
động ô tô: Hệ số cản khí động giảm dần theo thời gian và ngày càng khó khăn trong
việc nghiên cứu giảm hệ số cản khí động .

Hình 1.14. Đồ thị biến thiên hệ số cản của ô tô du lịch
17


1.2.3. Lực nâng (FL)
Lực nâng là thành phần tƣơng tác giữa một vật và chất lƣu (không khí,
nƣớc..) hƣớng vuông góc với phƣơng chuyển động, lực nâng đƣợc sinh ra bởi bất kì
tác dụng nào làm cho chất lƣu đổi hƣớng khi nó chảy qua vật. Nếu chất lƣu thu
đƣợc một thành phần vận tốc vuông góc với phƣơng ban đầu của nó, do kết quả
tƣơng tác của nó với một vật nhúng chìm, thì vật phải tác dụng một lực vào chất lƣu
để cho nó một gia tốc theo phƣơng ấy. Theo định luật Newton thứ ba (nguyên lí về
tác dụng và phản tác dụng), chất lƣu phải tác dụng vào vật một lực bằng ngƣợc
chiều. Nhƣ vậy, nếu vật làm ngoặt chất lƣu sang trái, thì vật sẽ chịu một lực đẩy
sang phải. Trong số các tác dụng có thể tạo ra lực đẩy, có vật có hình dạng hoặc
xoay hƣớng bất đối xứng đối với dòng chất lƣu; vật đang quay; và mặt bên của vật

gồ ghề (tức là một mặt nhẵn hơn mặt kia).
Ta xem xét một vật thắng đƣợc trọng lực và bay lên đƣợc là nhờ lực nâng
khí động lực học hay còn gọi là lực nâng. Là kết quả của sự chênh lệch áp suất
không khí tại mặt trên và mặt dƣới của vật thể khi dòng khí chuyển động chảy bao
vật thể. Để có lực nâng khí động lực học thì thiết diện vật thể phải không đối xứng
qua trục chính và đƣờng biên của mặt trên phải lớn hơn của mặt dƣới, những vật
thể có hình dạng thiết diện nhƣ vậy đƣợc gọi là có hình dạng khí động lực học. Khi
không khí chảy bao quanh hình khí động sẽ có lực nâng khí động lực.
Để rõ hơn ta xem xét dòng khí qua cánh máy bay

Hình 1.15. Mô hình khí trôi qua cánh của cánh máy bay

18


Khi không khí chảy qua hình khí động là cánh, tại mặt dƣới sẽ có áp suất cao
hơn so với mặt trên và hệ quả là sẽ xuất hiện một lực tác động từ dƣới lên vuông
góc với cánh. Lực nâng có độ lớn bằng diện tích cánh nhân với chênh lệch áp suất
hai mặt, độ chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng thiết diện cánh tức là phụ
thuộc vào hiệu suất khí động học của cánh, góc tấn (góc chảy của không khí tƣơng
đối với vật khí động và vận tốc dòng chảy. Nhƣ vậy, khi vận tốc dòng chảy đạt đến
độ lớn nào đó thì chênh lệch áp suất (đồng nghĩa với lực nâng) sẽ đủ để thắng trọng
lực và vật thể có thể bay lên đƣợc. Muốn có lực nâng đủ thì vận tốc và diện tích
cánh phải đủ: cánh càng rộng thì máy bay có thể cất cánh với vận tốc nhỏ hơn,
ngƣợc lại cánh càng nhỏ thì đòi hỏi vận tốc càng lớn để cất cánh. Trong máy bay có
cánh cố định vật thể khí động học để tạo lực nâng là đôi cánh của máy bay đƣợc
gắn cố định vào thân. Vận tốc ngang của máy bay (cũng đồng nghĩa với vận tốc
dòng chảy bao máy bay nếu xét trong hệ quy chiếu gắn với máy bay) có đƣợc nhờ
lực tác động ngang sinh ra nhờ động cơ (có thể thông qua cánh quạt hoặc dòng khí
phản lực). Động cơ quay cánh quạt (hoặc phụt dòng khí phản lực) sẽ tạo phản

lực đẩy máy bay chuyển động tƣơng đối với không khí về phía trƣớc, khi chuyển
động tƣơng đối nhƣ vậy cánh máy bay sẽ bị dòng khí chảy bao bọc xung quanh và
tạo hiệu ứng lực nâng khí động lực học tác động từ dƣới lên, khi vận tốc máy bay
đạt đến giá trị nào đó lực nâng sẽ đủ lớn để thắng trọng lực và máy bay sẽ bay
đƣợc. Các cơ cấu điều khiển bay của máy bay để thực hiện các chuyển động bay:
cất cánh, hạ cánh; vòng trái, phải; nghiêng cánh; nâng, hạ độ cao khi bay bằng;
hƣớng mũi bay lên trên, xuống dƣới.
Tƣơng tự nhƣ vậy, trên ô tô theo lý thuyết khí động học, khi xe

lệch áp suất tạo nên lực nâng xe lên làm giảm sức bám mặt đƣờng của lốp.

19


Ở tốc độ cao, lực nâng có thể tăng quá mức và gây mất ổn định ảnh hƣởng 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 trƣợt, và nhƣ vậy rất nguy hiểm, nhất là khi xe
chạy ở tốc độ cao hơn 120 - 200 km/giờ.
Khi xe chuyển động với vận tốc cao, lực nâng hay nén: Có thể cùng lúc xuất
hiện ở nhiều vị trí khác nhau và tác dụng vào chuyển động của xe. Cả hai loại lực
này đều cần thiết cho tính năng ổn định của xe nếu chúng không vƣợt quá trị số cho
phép. Xe đua thƣờng có dạng thân tạo nên hợp lực là lực nén giúp xe bám sát mặt
đƣờng hơn, trong khi các loại xe du lịch khác lại có hợp lực là lực nâng để giúp xe
chuyển động dễ dàng hơn. Trị số lực nâng sẽ lớn nhất khi dòng không khí di
chuyển đến phía sau xe vì tiết diện cản gió của thân xe ở vị trí này giảm nhanh đột
ngột. Khi vƣợt quá trị số cho phép lực nâng này sẽ làm giảm khả năng bám đƣờng
của hai bánh xe sau.

Hình 1.16. Lực nâng

20