Sinh viên khoa Công nghệ Ô tô nghiên cứu chế tạo thiết bị đo xác định hệ số cản không khí trong thiết kế khung vỏ ô tô

Công trình nghiên cứu về đo lường các tác động ngoại lực lên ô tô, để từ đó có thể ứng dụng vào thực tế trong sản xuất thân vỏ ô tô, tăng tính hiện đại hóa và “tính mới” trong nền công nghiệp xe hơi, tăng tuổi thọ của xe trước thời tiết của một nước châu Á, đặc biệt là thời tiết của Việt Nam. Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu còn được ứng dụng trong một số lĩnh vực công nghiệp.

Nhóm thực hiện gồm 03 sinh viên: Lý Xuân Thanh, Lê Quang Hà, Nguyễn Trọng Đức đến từ Lớp Ôtô 3-K11, Ôtô 1-K12, Khoa Công nghệ Ôtô. Giảng viên hướng dẫn: Tiến sĩ Vũ Hải Quân.

Nhóm sinh viên nghiên cứu đến từ khoa Công nghệ Ô tô, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Hiện nay ở Việt Nam mức độ sử dụng ô tô ngày càng tăng cao, cơ sở hạ tầng, đường sá giao thông phát triển rất tích cực, tốc độ di chuyển của các phương tiện vận tải hành khách cũng được nâng lên rõ rệt. Tại Việt Nam, có một số doanh nghiệp đầu tư sản xuất và lắp ráp ô tô phục vụ giao thông nhưng các cơ sở lắp ráp xe hiện nay đều chỉ lắp ráp dựa trên các bộ phụ tùng nhập khẩu. Phần công việc chính được thực hiện trong nước là sản xuất khung vỏ với các công nghệ hàn, sơn và lắp ráp nội thất nhưng chất lượng còn ở mức độ hạn chế.

Vấn đề nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu của vỏ xe nhằm nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành của ô tô chưa được quan tâm đầu tư. Để ô tô Việt Nam có thể cạnh tranh được với ô tô nhập khẩu, cần đầu tư chiều sâu, đặc biệt là đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu phát triển sản phẩm có chất lượng cao, trong đó vấn đề quan trọng hàng đầu cần được ưu tiên đầu tư nghiên cứu là tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và nâng cao tính an toàn chuyển động.

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 như bay về phía trước. Lực cản lăn liên quan đến chất lượng mặt đường, chất lượng săm lốp. Lực quán tính liên quan đến khối lượng và gia tốc của xe. Lực ma sát liên quan đến vật liệu, công nghệ chế tạo và dầu mỡ bôi trơn. Còn 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 mà chúng tôi muốn đề cập đến trong bài này.

TS. Vũ Hải Quân chia vui với nhóm nghiên cứu (đạt giải Nhất) tại Hội nghị Tổng kết và trao giải Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ X, năm học 2018 - 2019

Nghiên cứu chung về khí động học và khí động học ô tô cũng như tìm hiểu về xu hướng nghiên cứu, các công trình nghiên cứu về khí động học ô tô hiện nay trên thế giới, xác định các khó khăn trong quá trình thực hiện nghiên cứu, từ đó lựa chọn được phương pháp, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu phù hợp, đặc biệt trong điều kiện khó khăn của Việt Nam hiện nay.

Qua quá trình nghiên cứu, nhóm nhận thấy các xu hướng nghiên cứu gần đây của các tác giả trên thế giới vẫn tập trung vào việc giải quyết những vấn đề chính của khí động học bằng nghiên cứu lý thuyết hoặc thực nghiệm như sau:

+ Giảm lực cản khí động nhằm cải thiện tính năng động lực học của ô tô và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.

+ Giảm tối đa các lực và mô men gây mất ổn định chuyển động nhằm nâng cao tính an toàn chuyển động, đặc biệt là đối với các loại ô tô có tốc độ cao hay trong trường hợp gặp gió ngang lớn (bão).

+ Tận dụng dòng chảy không khí để thông gió trong khoang xe, cải thiện khả năng làm mát động cơ và các cơ cấu phanh của ô tô trong quá trình chuyển động.

+ Giảm độ ồn khí động do tương tác giữa dòng chảy không khí với vỏ xe.

Trong nghiên cứu lý thuyết, vấn đề lớn nhất vẫn là nâng cao dần mức độ phức tạp của bài toán nhằm giải được phương trình Navier - Stokes ở cấp độ cao hơn. Nếu như trước đây, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình Ơ-le với mô hình phẳng thì ngày nay, vấn đề đang được quan tâm giải quyết là phương trình Reynolds trung bình hóa cho dòng chảy rối (Reynolds Average Navier Stokes - RANS).

Trong đó mô hình với 2 phương trình bổ sung (phổ biến hơn cả là mô hình k - ω) được sử dụng rộng rãi nhất. Những công bố gần đây nhất (từ 2008 - 2012) cho thấy phương trình Reynolds cho dòng rối vẫn đang tiếp tục là công cụ chính của các nhà nghiên cứu khí động học ô tô.

Mô phỏng khí động học của xe

Các phần mềm chuyên dụng cũng được sử dụng ngày càng nhiều hơn trong các nghiên cứu lý thuyết. Chẳng hạn, gần đây nhất, R. K. Petkar (3/2014) cùng các đồng tác giả đã công bố kết quả nghiên cứu lý thuyết, trong đó sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng bằng ANSYS FLUENT để đưa ra các giải pháp giảm lực cản không khí đối với ô tô đua . Những công trình khác cũng cho thấy nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng thành công phần mềm này để mô phỏng và tính toán khí động học vỏ xe ô tô, như Manan Desai (2008), Chalmers (2012)….

Trong nghiên cứu thực nghiệm, vấn đề đang được quan tâm hơn cả là hoàn thiện điều kiện thử nghiệm sao cho gần với thực tế hơn nhằm nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các kết quả đo. Mặc dù ống khí động tương thích với kích thước thực của ô tô được cho là đáng tin cậy và cho kết quả chính xác hơn, nhưng cho tới nay người ta vẫn phải sử dụng các ống khí động với các mô hình thu nhỏ vì lý do tài chính.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm chuyên dụng ANSYS - Fluent để nghiên cứu khí động học vỏ xe ô tô điện EV 2 cỡ nhỏ. Trên cơ sở mô hình tính toán được lựa chọn, nhóm đã xây dựng được mô hình mô phỏng vỏ xe điện EV 2 trong Fluent để tính toán các thông số của dòng chảy không khí bao quanh vỏ xe. Kết quả mô phỏng, tính toán khí động học mô hình vỏ xe cơ sở đã cho hệ số cản Cd =0.513. Nghĩa là vỏ xe này có hình dạng khí động học khá tốt. Tuy nhiên, các hình ảnh về phân bố áp suất, vận tốc và đường dòng bao quanh vỏ xe cho thấy còn khá nhiều khiếm khuyết trên vỏ xe cần được cải thiện để giảm lực cản khí động.

Cấu tạo mô hình ống kiểm nghiệm động lực học

Mô hình đơn giản dạng hộp chữ nhật được nhóm nghiên cứu để tính toán, khảo sát và đã xác định được quy luật ảnh hưởng của một số thông số kết cấu tới lực cản khí động. Tuy nhiên, các thông số này cũng có ảnh hưởng lớn đến không gian trong xe và đặc biệt là tính thẩm mỹ, nên việc lựa chọn chúng cần được cân nhắc một cách kỹ lưỡng.

Trên cơ sở các kết quả khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu tới lực cản khí động và qua phân tích kết cấu của một số loại vỏ xe đang được sản xuất, nhóm đã đề xuất lựa chọn một bộ thông số kết cấu mới nhằm cải thiện dạng khí động học để đạt được hệ số cản Fx nhỏ nhất trong khi vẫn thỏa mãn các yêu cầu về công năng sử dụng và tính thẩm mỹ của vỏ xe. Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy chất lượng khí động học của vỏ xe mới được cải thiện đáng kể.

Các lực xác định được trên cảm biến

Để kiểm chứng độ tin cậy và độ chính xác của mô hình tính toán lý thuyết bằng phần mềm ANSYS - Fluent, nhóm đã thực hiện nghiên cứu khí động học mô hình vỏ xe thu nhỏ tỷ lệ 1:20 trong ống khí động. Các thí nghiệm được tiến hành với các vận tốc 10,14 và 17 m/s, kết quả thu được giá trị trung bình của hệ số cản là Cd = 0.482. Đồng thời, nhóm đã thực hiện mô phỏng mô hình vỏ xe trong ống khí động bằng Fluent với các thông số và điều kiện giống hệt như khi thí nghiệm.

Như vậy, độ chênh lệch giữa kết quả tính toán mô phỏng và kết quả đo đạc bằng thí nghiệm trong cùng điều kiện như nhau là 6,1%. Mức sai số khá lớn nhưng có thể chấp nhận được nếu xét đến các giả thiết đã đưa ra khi xây dựng mô hình. Hơn nữa, các thiết bị thí nghiệm cũng có những sai số nhất định.

Bảng kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng mô hình tỷ lệ 1:30 trong ống khí động

Các kết quả nghiên cứu đã hình thành một phương pháp đánh giá khí động học vỏ xe khách, hoàn toàn khả thi trong điều kiện Việt Nam. Nếu được tiếp tục hoàn thiện, đây có thể là một công cụ hiệu quả giúp cho các nhà thiết kế cải thiện và hướng tới tối ưu hóa dạng khí động học vỏ xe nhằm giảm thiểu lực cản không khí trong quá trình chuyển động. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, vì giảm lực cản đồng nghĩa với việc giảm mức tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải độc hại ra môi trường.

Dựa trên các kết quả nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đề xuất một số hướng nghiên cứu phát triển như sau:

- Hoàn thiện mô hình tính toán: bổ sung thêm các gương chiếu hậu, mô tả các gờ, khe cửa, hốc bánh xe, mô tả bánh xe đang quay, mô tả chuyển động tương đối giữa vỏ xe và mặt đường…

- Nghiên cứu ảnh hưởng của lực nâng, ảnh hưởng của gió ngang tới tính ổn định chuyển động của ô tô, đặc biệt là đối với các ô tô có chiều cao lớn (xe khách giường nằm).