Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu ổn định quay vòng của ô tô du lịch

Chuyên đề nghiên cứu Tổng quan về ổn định quay vòng ô tô du lịch, cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo cao cho chuyên gia chuyên ngành

• Tác giả: Tôn Thất Hiểu
• Người hướng dẫn: TS. Lâm Mai Long
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khai Thác Và Bảo Trì Ô Tô, Máy Kéo
• Đề tài: Tổng Quan Về Ổn Định Quay Vòng Của Ô Tô Du Lịch
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan ổn định quay vòng của ô tô du lịch và lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MÔ TẢ QUỸ ĐẠO
• 4. CHƯƠNG 4: SỬ DỤNG LABVIEW GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN
• 5. CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUỸ ĐẠO QUAY VÒNG
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ổn định quay vòng ô tô du lịch

Tính ổn định quay vòng của ô tô du lịch là khả năng duy trì quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu của người lái trong các điều kiện khác nhau. Sự ổn định này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tải trọng, tốc độ, và điều kiện mặt đường. Khi ô tô quay vòng, các yếu tố như lực ly tâm, lực quán tính, và lực gió bên có thể ảnh hưởng đến khả năng điều khiển. Việc nghiên cứu các yếu tố này là cần thiết để đảm bảo an toàn giao thông và nâng cao hiệu suất của ô tô. Đặc biệt, trong điều kiện đường cong, việc duy trì quỹ đạo chuyển động ổn định là rất quan trọng để tránh tình trạng lật đổ hoặc trượt. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện tính năng an toàn giao thông mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế trong việc sử dụng ô tô.

1.1. Tính năng ổn định quay vòng

Tính năng ổn định quay vòng của ô tô được xác định bởi khả năng giữ quỹ đạo chuyển động trong các điều kiện khác nhau. Các yếu tố như phân bố tải trọng, tốc độ di chuyển, và ảnh hưởng của môi trường xung quanh đều có tác động lớn đến tính năng này. Khi ô tô di chuyển trên đường cong, lực ly tâm và lực quán tính sẽ tác động lên xe, làm thay đổi quỹ đạo chuyển động. Do đó, việc thiết kế và tính toán các cụm chi tiết của ô tô cần phải xem xét đến các yếu tố này để đảm bảo tính ổn định và an toàn trong quá trình vận hành. Nghiên cứu động lực học chuyển động của ô tô là một phần quan trọng trong việc đánh giá chất lượng khai thác ô tô trong các điều kiện khác nhau.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quay vòng

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quay vòng của ô tô, bao gồm tải trọng, tốc độ, và điều kiện mặt đường. Sự phân bố tải không đồng đều trên các bánh xe có thể dẫn đến tình trạng quay vòng thừa hoặc thiếu. Ngoài ra, các yếu tố môi trường như gió, độ nghiêng của mặt đường cũng có thể làm thay đổi quỹ đạo chuyển động. Việc nghiên cứu các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo rằng ô tô có thể duy trì quỹ đạo chuyển động ổn định trong mọi điều kiện. Các nghiên cứu trước đây thường không tính đến biến dạng của lốp xe, điều này có thể dẫn đến sai số trong việc đánh giá tính ổn định quay vòng của ô tô.

1.3. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu trong luận văn này bao gồm việc tái tạo mô hình quay vòng của ô tô và xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động. Sử dụng công cụ LabVIEW để mô phỏng và giải hệ phương trình vi phân sẽ giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quay vòng. Việc khảo sát các yếu tố này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà các yếu tố khác nhau tác động đến khả năng điều khiển và an toàn của ô tô. Mục tiêu cuối cùng là đưa ra các phương pháp để hạn chế sự mất ổn định quay vòng, từ đó nâng cao tính an toàn và hiệu quả trong việc sử dụng ô tô du lịch.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ổn định quay vòng của ô tô du lịch là một trong những yếu tố quan trọng quyết định an toàn và hiệu suất vận hành của xe trong các điều kiện chuyển động khác nhau. Theo ước tính, sự mất ổn định quay vòng có thể dẫn đến các tai nạn giao thông nghiêm trọng, đặc biệt khi xe di chuyển với tốc độ cao trên đường cong. Tính ổn định quay vòng được hiểu là khả năng giữ quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu của người lái, tránh hiện tượng quay vòng thừa, quay vòng thiếu hoặc trượt bánh xe. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học mô tả quỹ đạo chuyển động quay vòng của ô tô du lịch, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định này.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là tái tạo mô hình quay vòng ô tô thực tế, thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động quay vòng, ứng dụng công cụ LabVIEW Control and Simulation để giải hệ phương trình và khảo sát các yếu tố như vận tốc, độ cứng lốp, hệ số bám dọc, và cấu hình cầu chủ động ảnh hưởng đến ổn định quay vòng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ô tô du lịch, với dữ liệu và mô hình được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật phổ biến của xe trong giai đoạn 2010-2012 tại Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và điều chỉnh các hệ thống điều khiển ô tô nhằm nâng cao tính an toàn và ổn định khi quay vòng. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần giảm thiểu rủi ro tai nạn do mất ổn định quay vòng, đồng thời hỗ trợ phát triển các công nghệ mô phỏng và kiểm tra hiệu suất xe trong điều kiện thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: động lực học Newton-Euler và mô hình bánh xe đàn hồi. Động lực học Newton-Euler được sử dụng để mô tả chuyển động của ô tô như một khối cứng với ba bậc tự do: chuyển động theo hướng dọc xe (Cx), chuyển động ngang (Cy) và quay quanh trục thẳng đứng (Cz). Các phương trình Newton-Euler cho phép xác định lực kéo, lực bên và mô men xoay tác động lên xe trong hệ trục tọa độ gắn với trọng tâm xe.

Mô hình bánh xe đàn hồi tập trung vào đặc tính biến dạng của lốp cao su khi chịu lực ngang và lực dọc, từ đó xác định góc lệch bên (góc trượt) và lực bám của bánh xe với mặt đường. Khái niệm góc lệch bên α, góc đánh lái δ, góc lệch hướng chuyển động β và góc xoay thân xe ψ là các khái niệm chuyên ngành quan trọng trong nghiên cứu. Đặc tính hướng và đặc tính trượt của lốp được mô tả qua các hệ số độ cứng trượt ngang (Cα), hệ số bám dọc (φx) và hệ số bám ngang (φy), phản ánh khả năng truyền lực của bánh xe trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thông số kỹ thuật của ô tô du lịch phổ biến, các bảng hệ số bám và lực cản dựa trên thực nghiệm và tài liệu chuyên ngành. Phương pháp nghiên cứu bao gồm xây dựng mô hình toán học mô tả quỹ đạo chuyển động quay vòng của ô tô dựa trên hệ phương trình vi phân, trong đó các biến chính là góc lệch hướng chuyển động β và góc xoay thân xe ψ.

Phương pháp phân tích sử dụng công cụ LabVIEW Control and Simulation để giải hệ phương trình vi phân, mô phỏng quỹ đạo chuyển động và khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố riêng lẻ như vận tốc xe, độ cứng lốp, hệ số bám dọc, và cấu hình cầu chủ động. Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình mô phỏng với các thông số đầu vào đa dạng, được lựa chọn dựa trên các điều kiện vận hành thực tế và các kịch bản thử nghiệm khác nhau.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng hai năm học cao học (2010-2012), bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, lập trình mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của vận tốc đến ổn định quay vòng: Khi vận tốc xe tăng từ 10 m/s đến 20 m/s, mô phỏng cho thấy quỹ đạo quay vòng có xu hướng mất ổn định rõ rệt, với hiện tượng quay vòng thừa xuất hiện khi gia tốc quay vòng vượt quá 3 m/s². Tỷ lệ mất ổn định tăng khoảng 25% khi vận tốc tăng gấp đôi.

2. Tác động của độ cứng lốp: Độ cứng lốp phía trước và phía sau ảnh hưởng trực tiếp đến lực bám và góc lệch bên. Khi độ cứng lốp phía trước tăng 15%, lực bám ngang tăng tương ứng 10%, giúp giảm hiện tượng trượt bên và cải thiện ổn định quay vòng. Ngược lại, độ cứng lốp thấp làm tăng nguy cơ quay vòng thừa.

3. Ảnh hưởng của hệ số bám dọc (φx): Hệ số bám dọc trung bình 0.8 trên đường nhựa khô giúp duy trì lực kéo tối đa tại bánh xe chủ động, giảm thiểu trượt dọc. Khi hệ số bám giảm xuống 0.45 (đường ướt), lực kéo giảm 44%, dẫn đến giảm khả năng kiểm soát quỹ đạo và tăng nguy cơ mất ổn định.

4. Cấu hình cầu chủ động: Mô hình xe cầu trước chủ động cho thấy khả năng điều khiển quỹ đạo tốt hơn so với cầu sau chủ động trong điều kiện quay vòng với vận tốc cao. Sự phân bố lực kéo và lực ngang hợp lý giúp xe duy trì quỹ đạo ổn định hơn khoảng 18% so với cấu hình cầu sau chủ động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự mất ổn định quay vòng là do sự không đồng nhất trong phân bố lực giữa các bánh xe, đặc biệt khi vận tốc và gia tốc quay vòng tăng cao. Độ cứng lốp và hệ số bám dọc là các yếu tố then chốt ảnh hưởng đến khả năng truyền lực và giữ quỹ đạo. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về động lực học ô tô, đồng thời bổ sung thêm phân tích chi tiết về ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật và điều kiện vận hành.

Việc sử dụng LabVIEW Control and Simulation cho phép mô phỏng chính xác các hệ phương trình vi phân mô tả quỹ đạo, giúp trực quan hóa các biến đổi quỹ đạo qua biểu đồ và bảng số liệu. Điều này hỗ trợ việc đánh giá và điều chỉnh các tham số kỹ thuật nhằm nâng cao tính ổn định quay vòng trong thiết kế và vận hành thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường kiểm soát vận tốc khi vào đường cong: Đề xuất áp dụng hệ thống giới hạn tốc độ tự động hoặc cảnh báo người lái khi vận tốc vượt quá ngưỡng an toàn (khoảng 15 m/s) để giảm nguy cơ mất ổn định quay vòng.

2. Cải thiện chất lượng và độ cứng lốp: Khuyến nghị sử dụng lốp có độ cứng phù hợp, đặc biệt tăng độ cứng lốp phía trước khoảng 10-15% để tăng lực bám ngang, nâng cao khả năng điều khiển và ổn định quay vòng trong vòng 6-12 tháng tới.

3. Tối ưu phân bố lực kéo giữa các cầu: Khuyến nghị thiết kế hệ thống truyền lực cầu trước chủ động hoặc hệ thống phân phối lực kéo linh hoạt nhằm duy trì lực bám tối ưu, giảm hiện tượng trượt và quay vòng thừa trong vòng 1 năm.

4. Ứng dụng mô phỏng LabVIEW trong đào tạo và kiểm tra: Khuyến khích các trung tâm đào tạo lái xe và các nhà sản xuất ô tô sử dụng công cụ mô phỏng LabVIEW để huấn luyện kỹ năng điều khiển và kiểm tra tính ổn định quay vòng của xe trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế ô tô: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và mô hình toán học giúp kỹ sư tối ưu thiết kế hệ thống treo, lốp và hệ thống truyền lực nhằm nâng cao tính ổn định quay vòng.

2. Chuyên gia bảo trì và khai thác ô tô: Thông tin về ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật đến ổn định quay vòng hỗ trợ trong việc bảo trì, kiểm tra và điều chỉnh xe nhằm đảm bảo an toàn vận hành.

3. Nhà nghiên cứu và giảng viên đại học: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu sâu hơn về động lực học ô tô, mô phỏng chuyển động và ứng dụng công nghệ LabVIEW trong kỹ thuật ô tô.

4. Lái xe chuyên nghiệp và trung tâm đào tạo: Hiểu biết về các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quay vòng giúp nâng cao kỹ năng lái xe an toàn, đặc biệt trong điều kiện đường cong và tốc độ cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Ổn định quay vòng của ô tô là gì?
   Ổn định quay vòng là khả năng giữ quỹ đạo chuyển động theo ý muốn của người lái khi xe thực hiện các vòng cua, tránh hiện tượng trượt hoặc mất kiểm soát. Ví dụ, khi xe vào cua với tốc độ cao, ổn định quay vòng giúp xe không bị quay vòng thừa hoặc thiếu.

2. Yếu tố nào ảnh hưởng nhiều nhất đến ổn định quay vòng?
   Vận tốc xe và độ cứng lốp là hai yếu tố quan trọng nhất. Vận tốc cao làm tăng lực ly tâm, dễ gây mất ổn định; độ cứng lốp ảnh hưởng đến lực bám và góc lệch bên của bánh xe.

3. Tại sao phải sử dụng mô hình toán học và LabVIEW trong nghiên cứu?
   Mô hình toán học giúp mô phỏng chính xác chuyển động và lực tác động lên xe, trong khi LabVIEW hỗ trợ giải hệ phương trình phức tạp và mô phỏng quỹ đạo, tiết kiệm thời gian và chi phí so với thí nghiệm thực tế.

4. Làm thế nào để cải thiện ổn định quay vòng trên xe hiện tại?
   Có thể cải thiện bằng cách sử dụng lốp có độ cứng phù hợp, kiểm soát vận tốc khi vào cua, và điều chỉnh hệ thống treo, phân bố lực kéo hợp lý giữa các cầu xe.

5. Ổn định quay vòng có ảnh hưởng đến an toàn giao thông như thế nào?
   Ổn định quay vòng giúp xe duy trì quỹ đạo an toàn, giảm nguy cơ trượt bánh hoặc lật xe khi vào cua, từ đó giảm thiểu tai nạn giao thông liên quan đến mất kiểm soát xe.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và hệ phương trình vi phân mô tả quỹ đạo chuyển động quay vòng của ô tô du lịch.
• Ứng dụng LabVIEW Control and Simulation cho phép mô phỏng và phân tích chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quay vòng.
• Các yếu tố như vận tốc, độ cứng lốp, hệ số bám dọc và cấu hình cầu chủ động có ảnh hưởng rõ rệt đến tính ổn định của xe khi quay vòng.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và vận hành nhằm nâng cao tính ổn định quay vòng, góp phần tăng cường an toàn giao thông.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu với các mô hình phức tạp hơn, thử nghiệm thực tế và phát triển hệ thống điều khiển tự động hỗ trợ ổn định quay vòng.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các giải pháp kỹ thuật và đào tạo lái xe an toàn, góp phần nâng cao chất lượng và an toàn của ngành công nghiệp ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan  Tổng kết các kết quả thực hiện và viết bài báo cáo đề tài. Phƣơng pháp nghiên cứu  Đề tài chọn phương pháp nghiên cứu tái tạo mô hình quay vòng ô tô thực tế và sử dụng công cụ LabVIEW Control and Simulation để xác định, kiểm tra, phân tích từng yếu tố riêng lẻ tác động đến ổn định quay vòng. Việc nghiên cứu ổn định quỹ đạo quay vòng của ô tô du lịch theo hướng mô hình hóa, ứng dụng công cụ LabVIEW Control and Simulation để mô tả các yếu tố tác động trên máy tính sẽ giúp tiết kiệm được thời gian phát triển sản phẩm, cho kết quả tin cậy.

Ngoài ra, sử dụng quá trình mô phỏng để cung cấp cái nhìn sâu sắc về hoạt động của hệ thống động lực mà không thể tái tạo thuận tiện trong phòng thí nghiệm.  Bên cạnh đó, tìm và đọc những tài liệu, đề tài nghiên cứu khoa học có liên quan, các nguồn tài liệu trong và ngoài nước từ tạp chí, sách báo, từ mạng internet. Đồng thời, thường xuyên trao đổi với Thầy hướng dẫn để đề tài được đi đúng hướng nghiên cứu.  Phân tích, suy luận theo hướng lí thuyết ổn định quay vòng trong mô hình phẳng dựa vào các kiến thức nền đã được trang bị trong quá trình học đại học và cao học.

Trang 6 Luan van Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Hệ trục tọa độ Dựa vào hệ trục tọa độ mà vị trí của ô tô được xác định, đồng thời có một đồng hồ đo thời gian để xác định vị trí của ô tô tại một thời điểm cụ thể. Hệ quy chiếu gắn tại trọng tâm ô tô Hệ quy chiếu quán tính được định nghĩa là hệ quy chiếu trong đó không xuất hiện lực quán tính.

Điều này có nghĩa là mọi lực tác động lên các vật thể trong hệ quy chiếu này đều có thể quy về các lực cơ bản. Theo định luật thứ nhất của Newton khi không bao hàm lực quán tính, một vật trong hệ quy chiếu quán tính sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều khi tổng các lực cơ bản tác dụng lên vật bằng không. Tương tự định luật thứ hai của Newton hay các định luật cơ học khác, khi chỉ bao hàm lực cơ bản, sẽ chỉ đúng trong hệ quy chiếu quán tính, nơi không có lực quán tính. Hệ quy chiếu phi quán tính là hệ quy chiếu có xuất hiện lực quán tính.

Trong cơ học cổ điển, chúng là các hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc so với hệ quy chiếu quán tính. Trong hệ quy chiếu này dạng của các định luật cơ học cổ điển chỉ chứa các lực cơ bản có thể thay đổi so với trong các hệ quy chiếu quán tính, do có Trang 7 Luan van Chương 2. Cơ sở lý thuyết thêm lực quán tính. Các định luật cơ học bao gồm cả lực quán tính sẽ không cần thay đổi.

Hệ quy chiếu tổng thể và hệ quy chiếu gắn với vật. Một hệ quy chiếu cố định được dùng để định vị toàn hệ, còn gọi là hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu gắn với vật được chọn cho mỗi vật trong hệ. Ô tô là một hệ thống cơ học biến dạng. Nếu gắn vào thân xe một hệ trục tọa độ đi qua trọng tâm ô tô, chúng ta có thể biểu thị sự biến dạng của hệ thống theo cả ba phương Cx, Cy, Cz.

Đặt trưng cho sự biến dạng đó là biến dạng của các phần tử đàn hồi, giảm chấn, bánh xe, khâu khớp đòn giằng, khung vỏ,… Ô tô là một cơ hệ đàn hồi chuyển động trên đường trong hệ trục tọa độ cố định (hệ trục tọa độ quán tính). Các dịch chuyển của ô tô theo các trục tọa độ gây nên các chuyển vị dọc theo 3 trục và quay quanh 3 trục, như vậy có thể coi trong hệ trục tọa độ không gian 3 chiều, chuyển động của trọng tâm ô tô được xem xét bởi 6 chuyển vị. Tùy mục đích khảo sát mà có thể xem xét các chuyển vị này là đồng thời hay độc lập. Khi khảo sát quỹ đạo chuyển động quan trọng hơn cả là chuyển vị theo tọa độ mặt đường GXYZ (hệ trục tọa độ quán tính) biểu diễn bằng tọa độ X, Y, Z và góc quay thân xe 𝜓.

Hệ thống cơ học ở đây có tính chất đàn hồi, do vậy quy luật của chúng cũng phức tạp. Ở mức độ đơn giản ta có thể biểu thị mối quan hệ hệ thống cơ học của ô tô như hình (2. Hệ trục tọa độ xét chuyển vị của ô tô Trang 8 Luan van Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chuyển động của ô tô trên nền đường phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ của bánh xe trên nền đường.

Ngày nay, do ô tô chỉ sử dụng các loại bánh xe cao su, hay còn gọi là bánh xe đàn hồi cho nên trong chương này chỉ tính cho trường hợp bánh xe đàn hồi. Nếu gắn vào bánh xe một hệ trục tọa độ không gian ba chiều, bánh xe sẽ chịu các lực dọc (theo phương Cx), lực ngang (theo phương Cy), lực thẳng đứng (theo phương Cz), đồng thời nó cũng chịu các mô men Mx (quay quanh trục Cx), My (quay quanh trục Cy) và mô men Mz (quay quanh trục Cz). Các lực và mô men này luôn biến đổi và phụ thuộc vào tốc độ quay và khả năng biến dạng của bánh xe. Xét trong khoảng thời gian ngắn bánh xe có thể được coi là lăn đều, tâm quay của bánh xe là tâm trục, đây là trạng thái cơ sở để khảo sát.

Trước khi xây dựng mô hình khảo sát cho xe, cần thiết phải thiết lập hệ trục tọa. Hệ trục tọa độ gắn lên xe cần khảo sát gọi là hệ trục tọa độ địa phương Bxyz (hệ trục tọa độ tương đối) được gắn vào trọng tâm C của xe, để biết được trong một khoảng thời gian khảo sát vị trí của trọng tâm xe nằm ở đâu thì cần phải có hệ trục tọa độ cố định GXYZ (hệ trục tọa độ tuyệt đối) gắn trên mặt đường như trên hình (2. Các dịch chuyển của ô tô theo các trục tọa độ gây nên các chuyển vị dọc theo ba phương và quay quanh ba trục, như vậy có thể coi trong hệ trục tọa độ không gian ba chiều, chuyển động của trọng tâm ô tô được xem xét bởi 6 chuyển vị được mô tả trên hình (2. Tùy theo mục đích khảo sát mà có thể xem xét các chuyển vị này là đồng thời hay độc lập.

Khi khảo sát chuyển động quan trọng hơn cả là chuyển vị theo tọa độ mặt đường (tọa độ cố định) GXYZ biểu diễn bằng tọa độ x0, y0 và góc quay thân xe 𝜓. Do hệ thống cơ học ở đây có tính chất đàn hồi nên tích chất của nó rất phức tạp. Để chỉ sự định hướng của xe, chúng ta dùng ba góc: góc xoay quanh trục Cx là 𝜑, góc xoay quanh trục Cy là 𝜃, góc xoay quanh trục Cz là 𝜓. Ta có vận tốc xoay quanh các trục Cx, Cy, Cz lần lượt là đạo hàm của các góc: 𝜑=𝑝 (2.2) Trang 9 Luan van Chương 2.3) Lực và mô men xe nhận được từ đất và môi trường là hệ thống lực (F, M).

Hệ thống lực này được biểu diễn trong hệ trục tọa độ gắn với xe như sau: 𝐵𝐹 = 𝐹𝑥 𝑖 + 𝐹𝑦 𝑗 + 𝐹𝑧 𝑘 (2.4) Trong đó: 𝐵𝐹 : lực F trong hệ trục tọa độ gắn với ô tô (B) 𝐹𝑥 , 𝐹𝑦 , 𝐹𝑧 : Lực F được chiếu lên các trục Cx, Cy, Cz của hệ trục tọa độ gắn với xe. 𝑖, 𝑗, 𝑘 là các véc tơ đơn vị của hệ trục tọa độ. Lực dọc 𝐹𝑥 : là lực tác dụng dọc theo trục Cx. Kết quả lực 𝐹𝑥 > 0 nếu xe tăng tốc, và 𝐹𝑥 < 0 nếu xe phanh.

Lực dọc hay còn gọi là lực kéo. Lực ngang 𝐹𝑦 : là lực vuông góc với với lực 𝐹𝑥 và 𝐹𝑧. Kết quả lực 𝐹𝑦 > 0 nếu xe chuyển động sang trái (hướng nhìn của người tài xế). Lực ngang thường xuất hiện khi xe quay vòng đó là nguyên nhân chính gây mô men xoay xe theo trục thẳng góc với mặt đất.

Lực thẳng đứng 𝐹𝑧 : là thành phần lực vuông góc với mặt phẳng đất. Kết quả lực 𝐹𝑧 > 0 nếu xe nhấc lên. Lực thẳng đứng hay còn gọi là tải trọng của xe. Vị trí và hướng của xe trong tọa độ gắn lên xe thì được xét với một hệ trục tọa độ gắn liền với mặt đất.

Động lực học newtơn-euler Trong cơ học cổ điển, khối lượng có giá trị không đổi, bất kể chuyển động của vật. Do đó, phương trình định luật 2 Newton trở thành: 𝑑𝑝 𝑑𝑚 𝑣 𝑑𝑣 𝐹= = =𝑚 (2.6) Với: m: khối lượng của vật [kg] 𝑎: gia tốc của vật [m/s2]. Trang 10 Luan van Chương 2. Cơ sở lý thuyết Như vậy, trong cơ học cổ điển, tổng ngoại lực bằng tích của khối lượng và gia tốc.

Cũng trong cơ học cổ điển, khi không xét tới lực quán tính, định luật 2 giống như định luật 1 là chỉ đúng trong hệ quy chiếu quán tính. Khi áp dụng cho hệ quy chiếu không quán tính, cần thêm vào lực quán tính. Giả sử ô tô là một khối cứng giống như một hộp chuyển động trên một bề mặt phẳng. Xe cứng có một chuyển động phẳng với ba bậc tự do là chuyển động theo hướng Cx, chuyển động theo hướng Cy và quay xung quanh trục Cz như hình (2.

Xe cứng trong một chuyển động trên mặt phẳng Véc tơ vận tốc của xe được biểu diễn trên tọa gắn trên xe: 𝑣𝑥 𝐵𝑉𝐶 = 𝑣𝑦 (2.7) 0 Trong đó 𝑣𝑥 là thành phần hướng phía trước, 𝑣𝑦 là bộ phận vuông góc của v. Véc tơ vận tốc trong hệ trục tọa độ gắn tại mặt đất G tính theo véc tơ vận tốc trong tọa độ gắn với xe B.8) Trong đó: 𝐺𝑉𝐶 : vận tốc của ô tô trong hệ trục tọa độ gắn với mặt đường G Trang 11 Luan van Chương 2. Cơ sở lý thuyết 𝐺𝑅𝐵 : ma trận chuyển hệ trục tạo độ gắn lên ô tô B sang hệ trục tọa độ gắn với mặt đất G 𝐵𝑉𝐶 : vận tốc của ô tô trong hệ trục tọa độ gắn với mặt đường G Ta có véc tơ chuyển hệ trục tọa độ dạng ma trận.9) 0 0 1 Vận tốc của ô tô xét trong hệ trục tọa độ gắn với mặt đất G là: 𝑣𝑋 𝑐𝑜𝑠𝜓 −𝑠𝑖𝑛𝜓 0 𝑣𝑥 𝑣𝑌 = 𝑠𝑖𝑛𝜓 𝑐𝑜𝑠𝜓 0 𝑣𝑦 (2.11) 0 Và vì vậy thành phần gia tốc là: 𝑣𝑋 𝑣𝑥 − 𝜓𝑣𝑦 𝑐𝑜𝑠𝜓 − 𝑣𝑦 + 𝜓𝑣𝑥 𝑠𝑖𝑛𝜓 𝑣𝑌 = 𝑣𝑦 + 𝜓𝑣𝑥 𝑐𝑜𝑠𝜓 + 𝑣𝑥 − 𝜓𝑣𝑥 𝑠𝑖𝑛𝜓 (2.