Thiết kế khí động học trên ô tô hoạt động như thế nào?

Ngày nay, chỉ số cản gió là yếu tố cần cân nhắc kỹ khi lựa chọn ô tô để đảm bảo tiết kiệm nhiên liệu, vận hành trơn tru. Tuy nhiên, những chiếc xe ô tô đầu tiên được sản xuất, vấn đề kỹ thuật, kinh tế đóng vai trò quan trọng hơn kiểu dáng khí động học.

Eduard Rumpler

Eduard Rumpler là người đầu tiên khởi xướng mô hình khí động học trên xe hơi nhờ những kinh nghiệm quý báu thu lượm từ ngành công nghiệp ô tô trong chiến tranh thế giới lần I. Sau bao nỗ lực, cuối cùng ông thuyết phục được toàn bộ giới công nghiệp ô tô tin khí động lực học tác động tích cực đến hoạt động của ô tô. 

Năm 1921, chiếc xe đầu tiên có hình giọt nước do Eduard Rumpler thiết kế chứng minh được tầm quan trọng của thiết kế khí động học khi hệ số cản gió của nó chỉ 0,27 so với mức bình thước là 0,4. Nhưng thật không may, những khó khăn trong việc phát triển động cơ đã khiến dự án không bao giờ trở thành hiện thực.

Paul Jaray

Paul Jaray (1889 – 1974)

Paul Jaray được tôn vinh với phát minh mẫu xe áp dụng khí động học khi chỉ mới 33 tuổi. Nhà kỹ sư trẻ tài ba này đã dành thời gian và công sức để nghiên cứu sức cản không khí, tính toán các thành phần khí động lực học để thiết kế nên chassis của chiếc xe mà ông tin nó sẽ là hình mẫu thiết kế trong tương lai.

Quan điểm của Paul Jaray

Khác biệt của mẫu xe Jaray thiết kế với các mẫu ô tô bấy giờ chủ yếu ở phần đầu và đuôi xe. Không theo thiết kế lưới tản nhiệt "cửa lò" đang thịnh hành thời đó, Jaray tạo phần đầu xe có độ cong giúp xe tiếp nhận được dòng khí chuyển động ngược chiều, tối thiểu được lực cản của không khí.

Dựa theo quan điểm của Jaray, phần đuôi xe được thiết kế vuông khiến xe chịu lực cản lớn hơn. Cụ thể của phát biểu ấy như sau:

• Xe được thiết kế đuôi vuông vức, khi di chuyển sẽ tạo nên một vùng chân không do dòng không khí chuyển động hỗn loạn và xoáy.
• Như vậy, áp suất lớn phía đầu, cộng với áp suất chân không phía đuôi xe khiến xe chịu một lực cản không khí lớn, xe phải sinh nhiều công hơn, tốn kém nhiên liệu hơn.

Vì thế, để hạn chế được lực cản của không khí khi di chuyển, Paul Jaray thu nhỏ phần đuôi xe thon theo quỹ đạo chuyển động giúp dòng khí dễ ra thoát ra phía sau xe, không hình thành điểm xoáy cục bộ.

Qua đó, Jaray cho răng chỉ số cản gió là đại lượng dùng để đánh giá mức độ cản trở hình học của dòng khí tới động tử chuyển động trong đó. Chỉ số cản gió là hằng số không đơn vị, phụ thuộc vào hình dạng của vật, không phụ thuộc vào vận tốc của vật đó.

Tuy nhiên, phát minh của Paul Jaray không được chú ý nhiều và đi vào quên lãng. Mãi đến những năm 1930 - 1940, khi trào lưu đua xe ô tô bỗng thịnh hành đòi hỏi các kỹ sư không ngừng cải tiến đưa ra những ý tưởng mới lạ nhằm sản xuất ra những chiếc xe càng khỏe, càng nhanh, càng tốt. Tuy nhiên, tại đường đua Le Mans năm 1937, chiếc Adler Trumpf Rennsport Coupe dung tích 1,7 lít đã gây sốc với hai chiến thắng trước những động cơ 2 lít.

Adler Trumpf Rennsport Coupe 1937.

Ngay lập tức Alder công bố lý do chiến thắng nhờ áp dụng tính công nghệ và khí động học rất cao với thân xe được sản xuất nhờ sự cộng tác với nhà khí động học nổi tiếng B.R.von Koenig-Fachsenfeld. 

Trong lúc đó, Tatra quá chú trọng vào đặc tính khí động học nên làm mất đi vẻ đẹp của mẫu xe. Vì thế, dù chỉ số cản gió của xe chỉ 0,212 nhưng vẫn dẫn đến thất bại.

Tatra 77 (1934)

Thành công của mẫu xe này là những minh chứng đầu tiên cho sự đúng đắn của Paul Jaray. Tiếp nối sự thành công này, nhiều nhà sản xuất bắt đầu quan tâm đến vai trò của khí động học, tuy nhiên phát minh này chỉ áp dụng trên những đường đua. 

Chrysler Airflow năm 1934.

Đến cuối những năm 1930, bước ngoặt trong số phận bản thiết kế của Jaray mới được tìm thấy.

Volkswagen cùng bước ngoặt của thế chiến thứ 2

Bắt đầu từ nước Đức năm 1932 sau sự khiện Adolf Hitler và đảng Quốc xã của ông ta giành chiến thắng. Hitler có tham vọng sản xuất một mẫu xe hơi phổ biến như Model T của Ford. Theo đó, Ferdinand Porsche cùng người đồng nghiệp Erwin Komenda lúc đó đang cộng tác với Volkswagen được triệu tập để lên những phác thảo chiếc xe theo ý Hitler. Tuy nhiên, khi nhìn bản thiết kế gốc của Komada, Hitler đã sửa cho nó cong hơn. Và, “Con bọ” Beetle nổi tiếng của Volkswagen ra đời và là một trong những mẫu xe thành công nhất từ trước đến nay.

General Motors – Kế thừa phát triển các thiết kế thời trước

Nhờ mẫu ô tô “con bọ”, thiết kế của Paul Jaray được áp dụng vào thức tế. Nhưng chiến tranh thế giới lần II đã chấm dứt thay đổi cục diện của ngành ô tô. Thay vì phét triển khí động học, trào lưu kế thừa ngành ô tô Mỹ rộ lên trong thời kỳ chiến tranh lạnh.

Như vậy, từ 1949 đến 1961, General Motors tiến hành hoạt động thường niên trình làng một mẫu xe trong bộ sưu tập mang tên “Dream Cars”. Các nhà chuyên môn gọi “Dream Cars” là “nỗi ám ảnh khí động học” trong tư duy thiết kế Mỹ.

Danh ca nổi tiếng thập niên 60 ở Mỹ, Bobby Darin cùng Dream Car.

Nhưng bên cạnh những mẫu concept “kỳ quặc”, 1945-1970 cũng là thời kỳ hoàn tất những đường nét cấu trúc thân xe theo triết lý hiện đại.

Harley J.Earl (1893 – 1969)

Cuối cùng, nhà thiết kế Harley J.Earl nổi tiếng của GM đã thành công kết cấu khí động học với vẻ đẹp cần có của một chiếc xe. Theo đó, ông hạ thấp thân xe xuống, biến nó từ “hình lập phương” thành “cục gạch” với hai mục đích: giảm lực cản và tăng vẻ quyến rũ. Những đường cong sắc nhọn phía cụm đèn pha, những đường gân nổi chạy dài trên cụm đèn sau, thân xe mảnh mai, uyển chuyển là vóc dáng đặc trưng nhất cho những thế hệ xe hơi “khai sinh” trong giai đoạn này.

Carmudi Vietnam là website hàng đầu trong việc cung cấp thông tin và trao đổi mua bán ô tô đáng tin cậy nhất tại Việt Nam!