Đường nét của gió vẽ nên: Vũ điệu giữa khí động học và thiết kế ô tô

Tatra T77 năm 1934 đạt hệ số cản khí 0,212, một con số mà không mẫu xe nào vượt qua trong hơn sáu mươi năm.
Tatra T77 năm 1934 đạt hệ số cản khí 0,212, một con số mà không mẫu xe nào vượt qua trong hơn sáu mươi năm.

Chia sẻ trang này

Thiên khí động lực học là ngành khoa học đo lường cách thân xe "cộp sát" với không khí và thay đổi thiết kế sâu sắc nhất. Mỗi dòng xe mới ra lò qua hầm gió đều ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu hao nhiên liệu, tốc độ, quãng đường và độ ổn định; vì vậy từ những hình dạng giọt nước của thập niên 1920 đến những lưới tản nhiệt kín của ngày nay, nét dáng ô tô luôn được định hình lại bởi chính những đường nét mà cơn gió vẽ ra.

Điểm nổi bật

  • Giá trị Cd của viên gạch xấp xỉ 1,0; còn hình dạng giọt nước giảm xuống còn 0,05.
  • Rumpler Tropfenwagen, với giá trị Cd 0,28 đo được trong hầm gió năm 1979, vượt xa thời đại của nó.
  • Tatra T77 (1934), với Cd 0,212, giữ kỷ lục cho đến khi GM EV-1 ra đời năm 1995.
  • Chrysler Airflow là cuộc cách mạng kỹ thuật nhưng lại là thất bại thương mại: năm đầu tiên, các mẫu xe truyền thống đã bán gấp 2,5 lần so với nó.
  • Thị trường nắp lưới tản nhiệt chủ động dự kiến sẽ tăng từ mức 5,5 tỷ đô la năm 2025 lên 9,25 tỷ đô la vào năm 2032.

Cd là gì và tại sao nó lại đứng trung tâm của mọi cuộc tranh luận này?

Hãy bắt đầu từ đầu nhất. Hệ số cản, hay Cd, là con số thể hiện một vật thể di chuyển "mượt" trong không khí đến mức nào. Điểm hay nhất là: nó không phụ thuộc vào kích thước xe. Một chiếc bán tải khổng lồ và một chiếc xe đô thị tí hon về lý thuyết có thể có cùng Cd; nhưng để tính tổng lực cản không khí, Cd được nhân với diện tích mặt cắt phía trước (Cd × ft²). Nghĩa là xe to, dù cùng Cd, vẫn đẩy nhiều không khí hơn.

Nếu so sánh với đời sống thường ngày: khi bạn đưa tay ra ngoài cửa sổ xe, sự khác biệt giữa lực đẩy cảm nhận khi lòng bàn tay phẳng và khi bàn tay dựng nghiêng chính xác là điều mà Cd mô tả. Một thân xe góc cạnh như viên gạch có Cd xấp xỉ 1,0; một thân xe hình viên đạn có 0,295; còn hình dạng khí động học nhất - giọt nước - đạt mức đáng kinh ngạc 0,05. Như vậy là thiên nhiên đã vẽ ra câu trả lời trước các kỹ sư gần một thế kỷ. Nhưng chúng ta sẽ sớm đến với phần điều gì xảy ra khi cố gắng áp hình dạng giọt nước lên ô tô.

Giấc mơ giọt nước: Thập niên 1920 và những Streamliner đầu tiên

Damla formundan ilham alan ilk streamliner'lar, 1920'lerde aerodinamiğin otomobil tasarımına girişinin öncüsü oldu.

Thực ra ý tưởng này đã rất lâu đời. Năm 1804, Sir George Cayley mô tả hình dạng đường dòng lý tưởng là "hình cầu dẹt rất dài"; năm 1865, Samuel Calthorpe đăng ký bằng sáng chế "tàu hỏa kháng cản không khí". Và đây là điều bất ngờ: chiếc ô tô đầu tiên vượt qua mốc 100 km/h là La Jamais Contente (1899) - một chiếc xe điện! Nghĩa là chính động cơ điện đã bao quanh thân xe đầu tiên phá kỷ lục tốc độ; gió và điện đã gặp nhau ngay từ ngày đó.

Cuộc thử nghiệm ô tô chở khách đầu tiên được ghi nhận là chiếc Alfa Romeo mà Castagna chế tạo cho một nhà quý tộc Ý năm 1914; nhưng thân xe nặng đến mức không mang lại lợi thế về tốc độ. Bước nhảy vọt thực sự đến từ Rumpler Tropfenwagen (1921): với động cơ W6 đặt giữa và hệ thống treo độc lập trục đòn, chiếc xe hình giọt nước này đo được Cd 0,28 trong hầm gió năm 1979. Đừng bỏ qua chi tiết này: VW Passat chỉ đạt được giá trị tương tự vào năm 1988. Nghĩa là một chiếc xe sản xuất năm 1921, sau cả sáu mươi năm vẫn có thể sánh ngang với các thế hệ đương thời.

Trong khi đó, Paul Jaray đã đưa kinh nghiệm chế tạo khí cầu lên ô tô và nhận bằng sáng chế streamliner được nộp vào năm 1922. Các hãng như Mercedes, Opel, Maybach đã sử dụng thân xe theo giấy phép của Jaray; nghĩa là ngay từ những năm đầu tiên, khí động học đã trở thành một mối quan tâm được bán dưới dạng giấy phép.

Tatra và Đuôi Kamm: Những câu trả lời thanh lịch nhất của vật lý

Chiếc Tatra của Hans Ledwinka, bắt đầu từ năm 1921, đã vẽ nên khuôn mẫu cho những chiếc streamliner với khung gầm nền, treo độc lập và động cơ sau làm mát bằng không khí. Tatra T77 (1934), với giá trị Cd 0,212, đã không bị bất kỳ phương tiện sản xuất nào vượt qua cho đến năm 1995 - tức là hơn sáu mươi năm; GM EV-1 chỉ mới vượt qua vào năm đó với mức 0,195. Chiếc nguyên mẫu Schlörwagen năm 1939 thì ghi dấu một con số Cd 0,186. Để so sánh: Ford Probe V đến năm 1985 mới chỉ đạt được 0,137.

Nhưng niềm ngưỡng mộ hình giọt nước có một cái giá bí mật: kết hợp hình giọt nước cộng động cơ sau đẩy tâm áp suất về phía trước, tâm trọng lượng về phía sau. Kết quả? Sự bất định về hướng. Schlörwagen thất bại chính vì lý do đó và cực kỳ nhạy cảm với gió thổi ngang. Nghĩa là thân xe trơn tru nhất không phải lúc nào cũng là thân xe an toàn nhất.

Đúng lúc này, Wunibald Kamm xuất hiện trên sân khấu. Giải pháp của nhà khí động học người Đức Kamm trong thập niên 1930 khá đơn giản: bạn cắt cái đuôi dài bất khả thi của hình giọt nước tại điểm nơi thân xe thu hẹp xuống còn khoảng 50% tiết diện ngang tối đa. Kết quả là vừa có một chiếc xe dùng được vừa có độ cản thấp - Kammback chính là thế. Có phải không thể tranh cãi? Không. Một số phân tích kỹ thuật cho rằng, thuần túy về mặt cản gió, đuôi dài với dòng khí bám hoàn toàn vẫn tốt hơn; "Trong đuôi Kamm không có phép màu!" - họ nói vậy. Ưu thế thực sự của đuôi Kamm đến từ tính thực dụng: từ thực tế rằng trên đời không ai sẽ lái một chiếc xe hình giọt nước dài sáu mét.

Chrysler Airflow: Chiếc ô tô làm đúng mọi thứ nhưng không bán được

Năm 1934, Chrysler đưa ra thị trường chiếc ô tô sản xuất cỡ lớn hoàn chỉnh đầu tiên của Mỹ dựa trên đường dòng khí: Airflow. Đội ngũ gồm Carl Breer, Fred Zeder và Owen Skelton đã thực hiện các thử nghiệm hầm gió với sự hợp tác của Orville Wright; đến tháng 4 năm 1930, ít nhất 50 mô hình thu nhỏ đã được thử nghiệm. Câu chuyện thú vị nhất cũng ở đây: người ta phát hiện ra rằng một thiết kế hai hộp khi lộn ngược lại sẽ khí động học hơn, và Chrysler đã công bố điều này tại Detroit với một màn trình diễn khung gầm "đi lùi". Theo tôi, đó là hình ảnh đẹp nhất của chất hài kỹ thuật.

Về mặt cơ khí, nó cũng mang tính cách mạng: động cơ đưa lên phía trước, hành khách chuyển lên phía trên cầu xe; phân bố trọng lượng khoảng 54% phía trước nhưng khi chở tải gần như ngồi ổn ở tỷ lệ 50:50. Thân xe thép hoàn chỉnh mang đến một kết cấu nhẹ nhưng chắc chắn. Vậy kết quả ra sao? Tổng sản lượng dưới 29.600 chiếc. 2.000-3.000 chiếc đầu tiên gặp lỗi sản xuất (bao gồm cả việc liên kết động cơ bị gãy ở tốc độ 80 dặm/giờ). Trong năm đầu tiên, các dòng sedan và coupe truyền thống của Chrysler đã bán gấp 2,5 trên 1 so với Airflow. Ngón tay chỉ trích thường hướng về lưới tản nhiệt "thác nước" gây tranh cãi và cảm nhận "khối u vô danh" của diện mạo hợp nhất.

Phần thú vị nhất của câu chuyện là: Lincoln Zephyr vốn yếu hơn về mặt cơ khí nhưng lại đạt được thành công về doanh số vì vẫn giữ được tính biểu tượng của phần đầu xe. Nghĩa là công chúng mua câu chuyện đúng chứ không phải vật lý đúng. Bài học này vẫn còn giá trị đến ngày nay. Ồ, một lưu ý: Trên những chiếc streamliner thập niên 1930, lực nâng về bản chất vẫn chưa thực sự được hiểu rõ; các cánh gió và rào cản khí động mà các nhà thiết kế hiện đại sử dụng khi đó chưa hề tồn tại. Nghĩa là những thân xe đó chỉ bị đẩy tới, chứ không bị ép xuống đường.

Sau thập niên 1970: Hình dạng nêm và cuộc đua hệ số Cd

Suốt ba-bốn thập kỷ trở lại đây, một hình dạng thống trị đường nét của ô tô: th. Phần đầu nghiêng dốc từ dưới lên, rồi đường nóc kéo dài về phía sau và đột ngột kết thúc - theo cách gọi của Jalopnik, đó là cách đọc hiện đại của Kammback. Hình nêm phổ biến vì cả lý do khí động lẫn bố trí không gian; nhưng sự chuyển đổi này cũng có cái giá của nó. Dù các nhà thiết kế có ấp ủ những giấc mơ lớn, cuối cùng họ vẫn phải khuất phục trước các định luật vật lý; cuộc tranh luận xem khí động học có "giết chết" sự sáng tạo thiết kế hay không vẫn đang tiếp diễn. Nếu bạn hỏi tại sao không phải chiếc xe nào cũng hình giọt nước hoàn hảo, câu trả lời rất đơn giản: sự khác biệt hóa và nhu cầu thị trường. Nếu xe của tất cả mọi người đều giống nhau như một giọt nước thì chuyện này sẽ rất nhàm chán, đúng không?

Trong giai đoạn này, những "khoản đầu tư" nhìn thấy được gắn trên thân xe cũng trở nên tiêu chuẩn hóa. Cánh gió là một thiết bị nhằm phá vỡ chuyển động khí bất lợi trên thân xe; bằng cách dẫn hướng dòng khí, nó cải thiện lực cản và mức tiêu hao nhiên liệu ở tốc độ cao. Các phiên bản chủ động thì tạo ra sự khác biệt rõ rệt so với loại thụ động: trong một nghiên cứu trên Miata, cánh gió sau điều chỉnh được cho thời gian một vòng nhanh hơn 0,28 giây so với cánh gió cố định dài. Các nhà sản xuất như BMW cũng sử dụng cánh gió điều chỉnh được và khe dẫn khí trên các mẫu sedan. Và đừng quên những điểm mấu chốt: cản trước, gạt nước, gương chiếu hậu, mặt trên nắp cốp và các điểm tiếp xúc lốp-đường - đây là những khu vực mà khí động học phải vất vả nhất.

Thời đại điện hóa: Lưới tản nhiệt đóng, cánh gió ẩn và Togg

Hôm nay, mặt visible rõ nhất của cuộc chiến nằm ngay mũi xe: cửa chụp tản khí chủ động. Nó mở để cấp khí cho động cơ lạnh và đóng lại khi không cần thiết, giảm lực cản; khi đóng, nó giảm lượng phát thải CO₂ và mức tiêu hao nhiên liệu. Thị trường của bộ phận nhỏ bé này được dự báo sẽ tăng từ mức 5,54 tỷ đô la năm 2025 lên 9,25 tỷ đô la vào năm 2032, với tốc độ tăng trưởng hàng năm 7,6%; đến năm 2026, các nền tảng động cơ đốt trong được dự đoán chiếm 46% trong các lưới tản nhiệt chủ động. Các nhà cung cấp như Magna tiếp tục phát triển lĩnh vực này với các giải pháp như StyleShutter, vốn cũng cải thiện thẩm mỹ. Trên xe điện, lưới tản nhiệt gần như đóng hoàn toàn - vì không cần lỗ hổng trước một động cơ có hệ thống làm mát không quá khẩn cấp. Tối ưu khí động học hiện là công nghệ then chốt để tăng hiệu quả nhiên liệu, kéo dài quãng đường EV và nâng cao hiệu năng vận hành. Một ghi chú từ mặt trận Formula 1: Những chiếc xe năm 2026 có cánh gió sau chủ động, do người lái mở trên đoạn thẳng và tự động khép lại khi phanh hay nhả ga; Trong khi đó, cánh gió sau của Ferrari xoay hoàn toàn khi ở vị trí mở đã gây ra tranh cãi sôi nổi.

Vậy Türkiye đang ở đâu trong bức tranh này? T10X của Togg được giới thiệu trên trang chính thức là chiếc SUV điện nổi bật với "những đường nét khí động học"; Được biết, trước khi sản xuất hàng loạt vào năm 2022, nguyên mẫu đã được tối ưu hóa về khí động học và khí âm học. Đáng chú ý hơn nữa là T10F: nhờ thiết kế khí động học, được giới thiệu là mẫu fastback có tầm hoạt động dài nhất của hãng, với hơn 600 km. Nói cách khác, từ ý tưởng đuôi xe cắt ngắn của Kamm đến nay, phương trình vẫn vậy: thân xe trơn thấm, tầm hoạt động dài hơn. Các nguồn thông tin ô tô tiếng Thổ Nhĩ Kỳ cũng đưa ra cùng kết luận đó: Giảm lực cản không khí làm tăng hiệu suất, độ hiệu quả, độ ổn định và an toàn; Ngoài ra còn khiến chiếc xe trông thanh lịch và hiện đại hơn.

Nhà thiết kế và kỹ sư có thể hòa giải được với nhau không?

Bài học lớn nhất rút ra từ lịch sử là: Di sản của Airflow nằm trong công thức "cuộc cách mạng kỹ thuật nhưng thất bại thương mại". Nếu vật lý đã nói hết mọi thứ nhưng con người lại không yêu vẻ ngoài của chiếc xe, thì doanh số sẽ không nghe theo vật lý. Tin tốt là: động lực học chất lỏng tính toán (CFD) đang làm dịu cuộc xung đột xưa cũ ấy bằng cách củng cố sự hợp tác về hiệu quả và hiệu suất giữa nhà thiết kế và kỹ sư. Thay vì nắn xong tượng điêu khắc rồi mới đưa vào hầm gió, giờ đây từng nét vẽ có thể được thử nghiệm hàng nghìn lần trên máy tính. Theo tôi, đây chính là bàn đàm phán lành mạnh nhất từng được thiết lập giữa thiết kế hữu hình và vật lý vô hình. Nếu là bạn, bạn sẽ lắng nghe bên nào trước: đôi mắt mình, hay hầm gió?

Nguồn tham khảo