BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------

ĐINH VĂN TÙNG

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT
KHÍ ĐỘNG HỌC XE CON TRONG CARSIM

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HỒNG THĂNG BÌNH

HÀ NỘI 2014


MỤC LỤC

MỤC LỤC ..................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG ........................................................6
1.1. Các vấn đề về khí động học ..............................................................................6
1.1.1. Các loại khí động học .................................................................................6
1.1.2. Các lực và mơ men khí động ....................................................................16
1.1.3. Sự ảnh hưởng của hình dạng ơ tơ đối với các lực và mơ men khí
động….…………………………………………………………………….…..23
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .....................................................32
1.3. Nội dung, phương pháp và ý nghĩa của đề tài nghiên cứu .............................33

1.3.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................33
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................34
1.3.3. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu ..................................................................34
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU PHẦN MỀM CARSIM ...............................................35
2.1. Giới thiệu Carsim............................................................................................35
2.1.1. Các mơ hình trong CarSim .......................................................................35
2.1.2. Mơ hình chủng loại xe sử dụng trong CarSim .........................................43
2.2. Một số ứng dụng điển hình của CarSim ........................................................46
2.2.1. Đánh giá các bộ phận cấu thành của xe bằng mô phỏng HIL kết hợp phần
mềm hiển thị thời gian thực Labview.................................................................46
2.2.2. Mơ phỏng động lực học của xe ................................................................48
2.3. Mơ hình khí động học .....................................................................................49
CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT KHÍ ĐỘNG HỌC SỬ DỤNG
CARSIM ...................................................................................................................52
3.1. Xác định các lực và mơ men khí động ...........................................................52
3.1.1. Lực và mơ men khí động tác dụng lên xe trong q trình tăng tốc và
phanh ..................................................................................................................52

1


3.1.3. Lực và mơ men khí động tác dụng lên xe khi xe đánh lái hình sin ..........60
3.2. Sự tác động của gió tới trạng thái chuyển động của ơ tô ................................62
3.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của lực phân bố khí động tới tính năng vận hành của
xe ............................................................................................................................66
KẾT LUẬN ..............................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71

2



DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Sơ đồ các lực khí động ...............................................................................6
Hình 1. 2: Phân loại khí động học ...............................................................................7
Hình 1. 3: Sự thay đổi hệ số khí động theo phương tác động .....................................8
Hình 1. 4: Lực khí động tác dụng lên mặt trước của xe ..............................................9
Hình 1. 5: Sự phân bố lực cản khí động tác dụng lên mặt trước của xe ...................10
Hình 1. 6: Mối quan hệ giữa hệ số khí động và hình dáng mui xe ...........................10
Hình 1. 7: Sơ đồ dịng chảy khí động ........................................................................11
Hình 1. 8: Các nhân tố ảnh hưởng tới sự phân bố lực khí động ...............................12
Hình 1. 9: Sự phân bố áp lực khí động lên trần xe....................................................13
Hình 1. 10: Sự thay đổi hệ số khí động dưới gầm xe ................................................14
Hình 1. 11: Lực cản khí động qua xe ........................................................................14
Hình 1. 12: Các giải pháp về kết cấu ........................................................................15
Hình 1. 13: Phương và chiều của các lực và mơ men khí động ................................16
Hình 1. 14: Hình dáng khí động của đi xe ............................................................18
Hình 1. 15: Mối qua hệ giữa hệ số cản khí động với kích thước vật cản .................20
Hình 1. 16: Sơ đồ lực tác dụng của khí động lên xe .................................................21
Hình 1. 17: Sự ảnh hưởng của khí động học đối với đặc tính phanh ........................22
Hình 1. 18: Sự ảnh hưởng của biên dạng xe tới mô men lắc dọc và lực nâng ..........24
Hình 1. 19: Sự thay đổi của hệ số lực bên, lực nâng theo biên dạng xe ..................25
Hình 1. 20: Sự phụ thuộc của hệ số mơ men xoay khi biên dạng xe thay đổi ..........26
Hình 1. 21: Sự thay đổi hệ số lực cản và lực nâng khi dịng khí thực hiện làm mát 27
Hình 1. 22: Sự ảnh hưởng của lốp tới lực nâng khí động .........................................28
Hình 1. 23: Sự thay đổi của các hệ số khí động khi lấp thêm các chi tiết phụ .........30
Hình 1. 24: Sự thay đổi hệ số khí động khi thêm vào các bộ phận tách khí ở đi..31
Hình 1. 25: Sự thay đổi hệ số khí động khi thay đổi tải trọng lên nóc xe .................32
Hình 2. 1: Các thơng số của mơ hình hệ thống treo ..................................................37
Hình 2. 2: Các thơng số của mơ hình hệ thống lái ....................................................38
Hình 2. 3: Các thơng số của mơ hình hệ thống phanh ..............................................39


3


Hình 2. 4: Các thơng số của mơ hình lốp ..................................................................40
Hình 2. 5: Các thơng số của mơ hình hệ thống động lực ..........................................41
Hình 2. 6: Các thơng số của mơ hình hệ chiếu sáng .................................................42
Hình 2. 7: Mơ hình các xe sử dụng trong CarSim (Hatch back, Sport Car) .............43
Hình 2. 8: Mơ hình xe sử dụng trong CarSim (hatchback, sedan, sportcar, SUV, GT,
minivan) ....................................................................................................................44
Hình 2. 9: Mơ hình xe sử dụng trong CarSim (tractor, wheeler, utility, axle boat
trailer, pickup, fomula, stock car) .............................................................................45
Hình 2. 10: Sơ đồ mơ phỏng HIL..............................................................................46
Hình 2. 11: Kết quả mơ phỏng hiển thị trên labview ................................................47
Hình 2. 12: Các bước mơ phỏng động lực học của xe ..............................................48
Hình 2. 13: Màn hình chính khi khảo sát khí động ...................................................50
Hình 2. 14: Hệ số lực cản khí động đối với dịng xe Sedan và SUV ........................51
Hình 3. 1. Cài đặt các thơng số cho xe thí nghiệm ...................................................53
Hình 3. 2: Khai báo các kích thước hình học của xe ................................................53
Hình 3. 3: Cài đặt thơng số khí động cho xe .............................................................54
Hình 3. 4: Vận tốc dài của xe trong q trình khảo sát khí động ..............................54
Hình 3. 5: Góc trượt khí động trong q trình mơ phỏng .........................................55
Hình 3. 6: Lực khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh ............56
Hình 3. 7: Mơ men khí động tác dụng lên xe trong quá trình tăng tốc và phanh .....57
Hình 3. 8: Các thơng số hình học của dịng xe SUV ................................................58
Hình 3. 9: Kích thước hình học của xe Van cỡ lớn...................................................59
Hình 3. 10: Lực khí động tác dụng lên xe SUV và xe VAN ....................................59
Hình 3. 11: Quy luật đánh lái của vơ lăng vành lái ...................................................60
Hình 3. 12: Sự thay đổi của góc trượt khí động tác động lên xe ..............................61
Hình 3. 13: Sự thay đổi của lực khí động khi xe đánh lái hình sin ...........................61

Hình 3. 14: Mơ men khí động tác dụng lên xe ..........................................................62
Hình 3. 15: Mơ hình đường thí nghiệm ....................................................................63
Hình 3. 16: Đặc tính của gió bên...............................................................................64

4


Hình 3. 17: Lực cản gió tác động lên xe ...................................................................64
Hình 3. 18: Mơ men của gió tác động lên xe ............................................................65
Hình 3. 19: Vận tốc dịng khí động ...........................................................................65
Hình 3. 20: Góc xoay thân xe....................................................................................66
Hình 3. 21: Hệ số khí động hình parabol ..................................................................67
Hình 3. 22: Đồ thị vận tốc của xe khi Cfx = 0,28 .....................................................67
Hình 3. 23: Đồ thị vận tốc của xe khi Cfx = 0,8 .......................................................68

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG
1.1.

Các vấn đề về khí động học

1.1.1. Các loại khí động học
Lực khí động gồm ba thành phần: Một thành phần có phương vng góc với
vectơ vận tốc, chiều hướng lên trên gọi là lực nâng và một thành phần cùng phương
ngược chiều với vectơ vận tốc gọi là lực cản.
Ngoài các thành phần trên, lực khí động cịn bao gồm lực ép xuống (down
force), lực này cùng phương ngược chiều với lực nâng. Lực này có tác dụng làm
tăng tải trọng trên các bánh xe mà không cần tăng trọng lượng của ô tơ do đó tăng

độ bám đường của lốp.

Hình 1. 1: Sơ đồ các lực khí động
1.1.1.1.

Phân chia lực khí động

6


Sự phân chia lực cản khí động học là để thiết lập mối quan hệ giữa nguyên
nhân và ảnh hưởng của lực cản. Điều này rất khó thực hiện do sự tương tác giữa các
miền dịng chảy xung quanh ơ tơ. Lực cản có thể được xem xét từ hai quan điểm
khác nhau:
- Sự phân bố lực cản.
- Ảnh hưởng của lực cản
Sự phân loại này là cơ sở của tất cả những sự khảo sát đối với lực cản.

Hình 1. 2: phân loại khí động học
Với loại thân trơn khơng có các chi tiết kèm theo, lực cản thường phân bố ở
bốn khu vực : Mui xe, sườn, thân, phần đi xe.
Sự đóng góp của các thành phần đối với lực cản tổng cộng được trình bày
trên hình 1.3 với các góc nghiêng khác nhau. Lực cản ở mui xe CB rất nhỏ. Lực cản
phía trước được đặc trưng bởi hệ số cản trước CF* không bị ảnh hưởng bởi sự thay
đổi hình dạng đi. Tuy nhiên, khi tăng góc nghiêng của chiều tác động, sẽ có sự
thay đổi trong sự phân chia lực cản xung quanh ô tô. Tỉ lệ được biểu diễn bởi phần
thân phía trước CB giảm trong khi với phần thân phía sau CS tăng.

7



Hình 1. 3: Sự thay đổi hệ số khí động theo phương tác động
1.1.1.2.

Nguồn gốc của lực cản.

Lực cản thường xuất hiện ở các vị trí: phần đầu, kính chắn gió, cột A, đi,
gầm, nóc, bánh xe,…
a) Phần đầu
Phần đầu ơ tơ có thể xem như một khối vng. Dịng khơng khí xung quanh
khối này được mơ tả trên hình 1.4, để đơn giản, dịng khơng khí làm mát đi vào ô tô
được giả thiết là bị chặn lại.

8


Hình 1. 4: Lực khí động tác dụng lên mặt trước của xe
Điểm tách dòng được tạo ra trên bề mặt thẳng đứng phía trước. Vì khơng khí
phía trước ơ tơ có xu hướng chạy lên trên và qua hai bên sườn xe hơn là chảy qua
gầm nên nó cùng phương với phương chuyển động của ơ tơ. Dịng chảy bị lệch
đáng kể tại nút giao giữa mặt trước, capô và chắn bùn. Nếu khơng có các biệt pháp
đặc biệt, dòng chảy này sẽ gây ra sự tách dòng, với kết quả là sự phân bố áp lực gần
các cạnh của phần thân phía trước sẽ lệch so với dịng chảy lý tưởng. Sự hút gió tại
các cạnh trước của capơ và chắn bùn ít hơn so với dịng lý tưởng (hình 2.5). Do đó
áp lực dịng chảy ở phần đầu xe lớn hơn ở dòng chảy lý tưởng và một thành phần
của lực cản được tạo ra. Hình dạng của phần đầu ô tô cũng ảnh hưởng đến sự phân
bố lực cản. Điều này được thể hiện trên hình 1.5
Để ngăn sự tách dòng xảy ra trong thực tế do độ lệch khác nhau từ hình dạng
ban đầu. Trong mặt cắt dọc, các thông số cần quan tâm là độ dốc của mui xe, độ dốc
của capô và bán kính góc lượn với capơ. Trong hình chiếu đứng là độ cơn và bán

kính. Nếu bán kính cạnh phía trước tăng lên, lực cản của các phần liên quan sẽ giảm
nhanh. Sau đó, khi đạt đến một giá trị nào đó, lực cản khơng đổi. Sự tách dịng
khơng cịn xảy ra và dòng chảy thực tế gần với dòng lý tưởng. Điều này có nghĩa là
việc bo trịn các cạnh trước có tác dụng ngăn sự tách dịng qua đó giảm thiểu sự
đóng góp của phần thân phía trước đối với lực cản.
9


Hình 1. 5: Sự phân bố lực cản khí động tác dụng lên mặt trước của xe
Tham số hình học thứ hai cần quan tâm là góc nghiêng của mui xe. Tác dụng
của độ nghiêng trên mui xe đối với lực cản cũng chịu ảnh hưởng bão hịa, khơng có
sự giảm lực cản khi giảm độ nghiêng.

Hình 1. 6: Mối quan hệ giữa hệ số khí động và hình dáng mui xe

10


Tham số thứ ba là góc nghiêng của mặt trước, ảnh hưởng của nó đối với lực
cản được trình bày trong hình 1.6. Trong thực tế, ảnh hưởng này là nhỏ có thể do sử
dụng bán kính góc trước lớn.
b) Kính chắn gió và cột A
Sơ đồ của dịng chảy xung quanh kính chắn gió được hiển thị trong hình 2.8. Sự
tách dịng xuất hiện ở ba vị trí khác nhau.

Hình 1. 7: Sơ đồ dịng chảy khí động
- Ở đáy (chân) kính chắn gió, khoảng lõm được tạo ra bởi khớp nối với capơ
- Phần trên kính chắn gió, chỗ nối với nóc.
- Ở cột A
Những nhân tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố lực cản trên kính chắn gió

được làm rõ trong 1.8. Hai trong số chúng, độ đảo và bán kính cột A đã được phân
tích chi tiết hơn. Bán kính cột A khơng chỉ liên quan đến lực cản mà còn liên quan
đến tiếng ồn gió.
Khi tăng góc nghiêng kính chắn gió, lực cản sẽ giảm nhưng khơng nhiều.
Với các góc nghiêng > 60 gần như khơng có sự cải thiện về lực cản. Ngồi ra khi
kính chắn gió có góc nghiêng lớn sẽ gây ra một số vấn đề liên quan đến khả năng
quan sát và nhiệt độ cao trong buồng lái.

11


Hình 1. 8: Các nhân tố ảnh hưởng tới sự phân bố lực khí động
Góc nghiêng kính chắn gió ảnh hưởng gián tiếp đến lực cản. Góc nghiêng
lớn tạo ra ít áp lực ngược hơn ở phần tiếp xúc với nóc. Ngồi ra khi góc nghiêng
kính lớn hơn, khơng khí bị đẩy ra phía cột A sẽ ít hơn và vì vậy dịng xốy tạo ra sẽ
tiêu tốn ít năng lượng hơn.
c) Nóc
Nóc cũng là phần chịu tác động của lực cản. Hệ số cản có thể giảm bằng
cách làm tăng độ cong của nóc xe theo chiều dọc. Tuy nhiên nếu độ cong quá lớn
thì hệ số cản CD lại có thể tăng. Những ảnh hưởng thuận lợi của sự tạo vịm phụ
thuộc vào sự duy trì đủ độ lớn bán kính cong tại vị trí giữa kính chắn gió với nóc và
giữa nóc với kính chắn gió sau (cửa sau). Vì vậy các áp lực ngược tại các vị trí này
khơng lớn và độ chênh lệch áp suất tương ứng nhỏ.

12


Hình 1. 9: Sự phân bố áp lực khí động lên trần xe
Tuy nhiên khi thiết kế độ cong của nóc phải đảm bảo diện tích mặt trước của
chiếc xe không đổi, nếu không lực cản sẽ tăng mặc dù đã giảm hệ số cản C D như

trên đồ thị phía trên của hình 1.9.
d) Gầm xe
Mặt dưới của hầu hết các gầm xe đều là các mặt nhám. Mức độ tăng của lực
cản liên quan đến các xe có gầm nhẵn có thể thấy trên hình 1.10. Thực tế là một
gầm xe nhẵn làm giảm lực cản một cách đáng kể. Tuy nhiên sự thay đổi này sẽ
phức tạp và khó thực hiện.

13


Hình 1. 10: Sự thay đổi hệ số khí động dưới gầm xe
e) Lực cản từ dịng khơng khí qua một chiếc xe.
Trong ơ tơ có một vài đường ống dẫn khí để dẫn khơng khí đến bộ tản nhiệt
cho nước làm mát, ngồi ra khơng khí cịn được cung cấp đến động cơ để đốt cháy
nhiên liệu. Khơng khí sạch cần được đưa vào khoang hành khách và thoát ra ngồi.
Áp lực tổn thất do dịng chảy đi qua những ống dẫn riêng biệt sẽ tạo ra lực cản. Tuy
nhiên, với ô tô chỉ các lực cản phụ gây ra bởi dịng khơng khí đi qua bộ tản nhiệt là
đáng kể. Sự đóng góp của các ống dẫn bên trong đối với lực cản là rất nhỏ.

Hình 1. 11: Lực cản khí động qua xe

14


Các lực tạo ra bởi dịng khơng khí làm mát được tính tốn dựa trên các định
luật bảo tồn. Nếu khơng khí làm mát được đẩy lên phía trên, nó sẽ tạo ra áp lực
ngược. Vì lý do đó mà loại ống dẫn khơng khí này thường được dùng trên xe đua.
Lực cản tổng cộng do luồng khơng khí làm mát bao gồm hai thành phần:
- Sự tổn thất áp lực bên trong ống dẫn khơng khí làm mát
- Lực cản giao thoa. Khơng khí đi qua một chiếc xe có thể làm thay đổi luồng

khơng khí xung quanh thân của nó, do đó tác động đến lực cản bên ngồi. Thơng
thường sự giao thoa lực cản là tích cực, tuy nhiên trong một số trường hợp nó lại có
ảnh hưởng tiêu cực. Luồng khơng khí làm mát chủ yếu thay đổi dịng chảy bên dưới
một chiếc xe. Góc lắc ngang ở trước bánh xe sẽ tăng lên, do đó lực cản của các bánh
xe tăng. Để làm chậm quá trình tăng của lực cản này, các nhà thiết kế đã tạo ra các
lối thốt cho khơng khí ở các bên sườn xe hình 1.12

Hình 1. 12: Các giải pháp về kết cấu

15


Tuy nhiên, trong thực tế hai thành phần của lực cản thường không tách biệt
nhau. Tổng của cả hai thành phần được xác định bằng phép đo sự khác biệt trong
lực cản giữa các hình dạng với các cửa hút và đóng luồng khơng khí làm mát đi vào.
Hình 1.12 đưa ra một vài dạng của ống dẫn khơng khí làm mát và chỉ ra ảnh
hưởng của chúng đối với lực cản khơng khí làm mát. Mục tiêu của sự khảo sát này
là đạt được lượng khơng khí làm mát lớn nhất, biểu hiện như vận tốc vR ở két làm
mát với lực cản phụ nhỏ nhất. Sự tối ưu này đạt được với biến thể C. Trong biến thể
này, hầu như các vận tốc tương tự vR thì đạt được như trong phiên bản tiêu chuẩn A,
nhưng lực cản khơng khí làm mát được giảm 1/2 . Phiên bản C chỉ dành cho xe đua,
không áp dụng cho các xe thơng thường, bởi vì khơng khí làm mát được làm nóng
sẽ đi vào cửa nạp khơng khí sạch của khoang hành khách ở phía trước kính chắn
gió.
1.1.2. Các lực và mơ men khí động
Khi một chiếc xe chuyển động, khơng khí xung quanh nó gây ra lực cản và
lực nâng. Lực cản khơng khí gồm hai thành phần chính: Lực cản do hình dạng xe
tạo ra và lực cản do ma sát giữa khơng khí với vỏ xe. Những tác động loại này làm
giảm tốc độ, tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và gây khó khăn cho việc điều khiển xe.
Lực cản tỉ lệ với hệ số cản, diện tích mui xe và vận tốc của xe.


Hình 1. 13: Phương và chiều của các lực và mơ men khí động

16


Lực nâng cũng là một yếu tố khí động học quan trọng. Vì khoảng cách di
chuyển của dịng khơng khí trên nóc xe ln lớn hơn dưới gầm xe nên vận tốc
tương ứng cũng lớn hơn. Theo nguyên lý Becnuli, sự khác biệt về vận tốc sẽ tạo ra
áp suất ngược tác dụng lên bề mặt trên gọi là lực nâng. Tương tự như lực cản, lực
nâng cũng tỉ lệ với diện tích bề mặt, vận tốc xe và hệ số nâng và phụ thuộc vào hình
dáng của xe. Khi ô tô chạy với 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, hai
bánh xe phía sau dễ bị trượt có thể dẫn đến trường hợp xe bị mất ổn định.
1.1.2.1.

Sự ổn định hướng chuyển động

Dịng khơng khí xung quanh ơ tơ khơng những tạo ra các lực cản mà còn gây
ra các lực và mơ men khí động học khác ảnh hưởng đến sự ổn định hướng chuyển
động của ơ tơ.
Khơng khí phía trước xe tạo ra lực nâng và mô men lắc dọc, điều này dẫn
đến thay đổi tải trọng thẳng đứng do đó ảnh hưởng đến khả năng bám đường của
lốp. Các lực và mô men ảnh hưởng đến sự ổn định hướng chuyển động của ô tô khi
chuyển động thẳng cũng như sự ổn định trong quá trình thay đổi hướng chuyển
động.
Thơng qua gió tự nhiên, dịng chảy xung quanh ô tô sẽ trở nên bất đối xứng.
Lực bên, mô men lắc, mô men xoay, lực nâng, mô men lắc dọc thay đổi, điều này
dẫn đến sự lệch hướng chuyển động.

Trong thực tế, ảnh hưởng của các lực và mô men khí động học đối với sự ổn
định đáng chú ý nhất là gió bên. Điều này đặc biệt đúng trong sự dao động hoặc qua
những chướng ngại vật ở những chỗ rộng. Những sự thay đổi nhanh ở hướng và tốc
độ gió xung quanh xuất hiện. Trong những trường hợp này, sự tương tác giữa lực
khơng khí và lực quán tính quyết định sự ổn định hướng chuyển động.

17


Sự đánh giá chủ quan sự ổn định hướng chuyển động và cảm giác an tồn
được xác định khơng chỉ bằng độ bám đường của ô tô dưới ảnh hưởng của các lực
khí động học. Các đặc tính của hệ thống treo và hệ thống lái cũng tác động đến sự
đánh giá của lái xe.
Cho đến đầu những năm 1930, điều kiện đường xá và các điều kiện kỹ thuật
chỉ cho phép lái xe ở tốc độ thấp, do đó khí động học chưa có nhiều ý nghĩa đối với
sự ổn định hướng chuyển động.
Để giảm lực cản, phần khuyết của bánh xe được bao bọc. Sau đó, nhờ những
phát minh trong giao thơng đường bộ, ảnh hưởng của khí động học đối với trạng
thái lái xe đã trở nên rõ ràng hơn. Các nhà khí động học, những người đang nghiên
cứu để tìm cách giảm lực cản đã thiết kế những chiếc xe có hình dáng khí động mới
thay thế cho những chiếc xe đồ sộ, đó chính là chiếc xe đi lướt có thiết kế mảnh,
với hệ số cản thấp hơn.

Hình 1. 14: Hình dáng khí động của đi xe
Tuy nhiên, so với những thân xe có cạnh vng thơng thường, những hình
dạng này bất lợi đối với sự ổn định hướng chuyển động. Lực nâng phía sau đi
dưới tác dụng của gió bên cũng như mơ men lắc đều tăng mạnh. Sau đó là sự xuất
hiện với số lượng lớn những chiếc xe với động cơ đặt phía sau.

18



Sự thay thế của những hình dạng tinh giản ở cuối những năm 1930 với các
tấm chắn tích hợp đã khơng thay đổi đáng kể tình trạng này. Những hình dạng mở
với đường biên được bo tròn đã tạo ra sự liên hệ giữa mô men lắc và lực nâng phía
sau cao. Việc đưa vào những chiếc cánh phía sau ở những năm 1960 đã mang đến
một vài sự cải thiện đối với sự ổn định hướng chuyển động. Mô men lắc đã giảm
trong cả hai trường hợp. Những cạnh vng ở phía sau cũng dẫn đến sự giảm lực
nâng ở phía sau.
Trong những năm 1970 - 1980 động cơ phía trước đã trở thành tiêu chuẩn
cho những chiếc xe con. Sự tăng tải trọng ở cầu trước và giảm khoảng cách giữa
trọng tâm và tâm lực bên khí động học đã cải thiện sự ổn định hướng chuyển động.
Đó cũng là một thực tế hữu ích, một hình dạng cơ sở mới đã được thiết kế cho
những chiếc xe vừa và nhỏ. Nó được đặc trưng bởi mơ men lắc thấp và sự giảm lực
nâng phía sau.
Những chiếc xe với hình dạng thấp ở phía trước, cao ở phía sau hầu như
khơng có tác động nào đối với lực nâng. Tuy nhiên, những hình dạng mới giảm
đáng kể lực cản khí động học lại làm tăng mơ men lắc. Sự tăng mô men lắc đáng
chú ý nhất trên các hình dạng 3 hộp và đi lướt, sự bo trịn ở hình chiếu bằng phía
sau và độ cơn ở các cột phía sau và cửa sổ sau là nguyên nhân. Với sự giảm lực cản
khí động học, các lực bên ở phía sau được giảm nhiều hơn phía trước, do đó làm
tăng mơ men lắc.
1.1.2.2.

Sự cân bằng động học

Sự cân bằng động học có nghĩa là một sự thay đổi hướng gió phía trước tạo
ra một mơ men lắc chống lại xu hướng làm quay xe để giảm sự thay đổi này. Nếu
một mô men lắc được tạo ra bởi gió bên có xu hướng làm tăng sự nhiễu loạn của xe
tức là động học khơng ổn định.

Trên hình 1.15, một dòng chảy cố định xung quanh mui xe và đuôi xe sẽ gây
ra một mô men lắc tương đối lớn. Nếu tỉ số giữa sự thay đổi mô men lắc và góc lắc
là dương, chiếc xe khi đó được coi là có động học khơng ổn định (trường hợp a),

19


một dịng chảy tách ở phía sau xe sẽ giảm sự khơng ổn định này (trường hợp b). Ví
dụ, lực bên ở đi xe có thể được tăng bằng cách gắn cánh rộng ở phía sau, cánh
này sẽ tạo ra mơ men lắc cân bằng động học (trường hợp c).

Hình 1. 15: Mối qua hệ giữa hệ số cản khí động với kích thước vật cản
Tuy nhiên, điều này khơng phù hợp với những chiếc xe thơng thường, chỉ có
thể áp dụng cho xe đua.
Sự cân bằng động học của xe có thể chịu ảnh hưởng bởi thiết kế của mui xe
cho các xe có dạng hộp. Với các xe có mui gồm các cạnh nhọn, sự cân bằng động
học cũng được đưa ra nhưng chỉ trong một khoảng giới hạn của góc lắc. Những xe
có cạnh trước bo trịn là những xe có động học khơng ổn định.
1.1.2.3.

Ảnh hưởng của lực và mơ men khí động đối với hiệu quả phanh

Các lực khí động học khơng chỉ tác động đến trạng thái lái thơng thường,
chúng cịn đóng một vai trò quan trọng đối với sự dao động phanh, đặc biệt khi

20


phanh ở tốc độ cao. Lúc đầu, lực phanh được hỗ trợ bởi lực cản khí động học. Phụ
thuộc vào tốc độ của ô tô, lực nâng ở cầu trước và cầu sau sẽ thay đổi . Tổng tải

trọng của bánh xe thay đổi có thể ảnh hưởng đến hiệu quả phanh và sự ổn định
hướng chuyển động của xe trong q trình phanh. Cơng suất hãm của phanh khơng
có sự điều khiển lực hãm, chủ yếu phụ thuộc vào sự phân bố lực phanh giữa cầu
trước và cầu sau.

Hình 1. 16: Sơ đồ lực tác dụng của khí động lên xe
Sự phân bố tải trọng bánh xe và lực phanh đạt được ở cầu trước và cầu sau
cũng bị ảnh hưởng bởi lực nâng. Các lực được xác định như sau:
D = cDA


2

V2 = KDV2

FLFA = cLF A
FLRA = cLR A

21


2


2

V2= KFAV2
V2= KRAV2



Sự ổn định phanh là một chỉ tiêu quan trọng trong thiết kế hệ thống phanh.
Sự chuyển động an toàn của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái chuyển động
của nó khi phanh. Các trạng thái thường xảy ra là ô tô không thể điều khiển hướng
chuyển động theo quỹ đạo của đường khi phanh. Trạng thái này gắn liền với sự bó
cứng các bánh xe ở các cầu. Ở đây ta giả thiết rằng sự bó cứng xảy ra ở từng cầu.
Có hai khả năng xảy ra:
- Bó cứng cầu sau trước.
- Bó cứng cầu trước trước.
Khi các bánh xe cầu trước bị hãm cứng, khả năng dẫn hướng sẽ bị mất, tuy
nhiên chiếc xe vẫn có tính ổn định hướng chuyển động. Mơ men lắc gây ra sẽ được
cân bằng bởi mô men do các lực bên ở cầu sau. Trường hợp các bánh xe cầu sau bị
hãm cứng, xe sẽ mất ổn định. Đặc biệt ở tốc độ cao hoặc khi hệ sô bám thấp, điều
này có thể dẫn đến khả năng mất điều khiển
Sự ổn đinh phanh còn phụ thuộc vào lực phanh tới hạn. Sự tăng lực nâng ở
cầu trước hoặc giảm lực nâng ở cầu sau sẽ tăng lực phanh tới hạn, do đó sẽ cải thiện
sự ổn định khi phanh.

Hình 1. 17: Sự ảnh hưởng của khí động học đối với đặc tính phanh

22


Xét ảnh hưởng của khí động học đối với đặc tính phanh của ơ tơ khơng có hệ
thống chống bó cứng bánh xe (hình 1.17). Trong hình ta thấy một đường cong phân
bố lực phanh lý tưởng cho các dạng khí động học khác nhau. Trong một hệ thống
phanh với một sự phân bố lực phanh cố định, sự phanh già (khóa cứng) sẽ xuất hiện
ở hệ sơ ma sát tĩnh ỡ = 0,8 (đường cong 1). Với các tấm chắn (thiết bị cản) phía
trước và phía sau cùng với sự giảm lực nâng tổng cộng, cầu trước bị khóa trước và
xe vẫn có trạng thái phanh ổn định (đường cong 2). Với một lực nâng âm ở cầu
trước (đường cong 3) được tạo ra bằng cách bổ xung một tấm chắn phía sau(giảm

lực nâng phía sau - đường cong sẽ thu được hệ số cao hơn và sự ổn định của xe
được cải thiện. Các tấm chắn phía sau điều chỉnh được được sử dụng trên một số xe
để cải thiện sự ổn định lái ở tốc độ cao cũng có thể đóng góp vào sự ổn định phanh.
Có thể điều chỉnh một đường parabol phân bố lực phanh thực tế gần với
đường parabol phân bố lực phanh lý tưởng bằng cách sử dụng một van cân bằng
phanh. Điều này sẽ dẫn đến quãng đường phanh ngắn hơn mà khơng làm mất hiệu
quả phanh. Hệ thống chống bó cứng về cơ bản sẽ ngăn sự khóa cứng các bánh xe
trong q trình phanh, do đó xe vẫn có tính ổn định hướng chuyển động, không phụ
thuộc vào các ảnh hưởng của lực nâng. Mỗi sự giảm lực nâng ở cầu trước và cầu
sau sẽ tạo ra sự tăng lực phanh có ích và giảm qng đường phanh.
1.1.3. Sự ảnh hưởng của hình dạng ơ tơ đối với các lực và mơ men khí động
Các hình dạng đặc trưng cơ bản là các yếu tố xác định các đặc tính khí động học
của ơ tơ. Đặc tính khí động học của các hình dạng cơ bản:
- Lực nâng và mơ men lắc dọc
- Lực bên
- Mô men xoay
1.1.3.1.

Lực nâng và mô men lắc dọc

Ta biết rằng độ lớn của lực nâng, sự khác nhau giữa lực nâng phía trước và
lực nâng phía sau là các nhân tố quyết định đến sự ổn định hướng chuyển động của
ô tô.
23


Hình 1. 18: Sự ảnh hưởng của biên dạng xe tới mô men lắc dọc và lực nâng
Điều đầu tiên được nghiên cứu là ảnh hưởng của việc bo tròn những cạnh ở
các góc (vng góc).Việc bo trịn các cạnh sẽ làm giảm sự tách dòng ở các vùng bị
ảnh hưởng. Tốc độ của dịng chảy qua ơ tơ đã được tăng lên, áp lực không ổn định

trên các bề mặt cao hơn của nó đã giảm tương ứng với sự tăng lực nâng (hình 1.18).
Một ảnh hưởng đáng chú ý đạt được bằng cách bo trịn các cạnh phía dưới
của mui xe. Dịng khơng khí đi vào khu vực gầm xe đầu tiên tăng tốc ở đó, do bị
vướng bởi các bánh xe đã giảm xuống. Điều này tạo ra một sự tăng áp lực giữa
đường và gầm xe và kết quả là tăng lực nâng tổng cộng, lực nâng phía trước.
Mỗi phương pháp tạo ra điểm đình trệ ở phía trước sẽ đẩy dịng khơng khí đi
lên nhiều hơn và làm giảm lực nâng. Các ví dụ điển hình là các tấm chắn ở phía
trước dốc về phía sau và tấm chắn ở phía trước có cạnh nhọn, thấp. Điều này ảnh
hưởng rõ rệt đến hình dạng của mui xe hiện đại. Ngoài ra để giảm lực nâng có thể
sử dụng kính chắn gió với độ nghiêng lớn.
1.1.3.2.

Lực bên

Ảnh hưởng của việc bo tròn các cạnh đối với lực, mơ men xoay được thể
hiện trên hình 1.19. Sự bo trịn các cạnh phía trước (capơ-1) và các cạnh bên (4) dẫn

24