ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP MAI THỊ THU HÀ
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
MƠ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MAI THỊ THU HÀ
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
MƠ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
Chun ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 62520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
PHỊNG QUẢN LÝ ĐT
SAU ĐẠI HỌC
KHOA CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN
KHOA HỌC
PGS.TS. Nguyễn Văn Dự
THÁI NGUN – 2014
1.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây 6
1.3. Mục tiêu nghiên cứu 10
1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 10
1.4.1. Nội dung nghiên cứu 10
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 10
1.4.3. Các thiết bị thí nghiệm 10
1.5. Các kết quả đã đạt được 10
1.6. Cấu trúc luận văn 11
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÙNG CON QUAY HỒI CHUYỂN.12
2.1. Giới thiệu 12
2.2. Cơ sở lý thuyết cân bằng dùng con quay hồi chuyển 12
2.2.1. Con quay hồi chuyển 12
2.2.2. Ngun lý hoạt động 17
2.3. Đặc tính động lực học của con quay hồi chuyển 19
2.4. Mơ hình và đặc điểm các cơ cấu 27
2.5. Ứng dụng của con quay hồi chuyển 31
2.6. Kết luận 34
Chương 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 35
3.1. Giới thiệu 35
3.2. Thiết kế và chế tạo 35
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> iii
3.2.1. Khung xe 36
3.2.2. Động cơ 38
3.2.3. Con quay 39
3.3. Các thiết bị đo 45
3.3.1 Thiết bị đo lực 45
3.3.2 Thiết bị thu thập dữ liệu 46
3.4. Lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm 47
3.5. Kết luận 47
Kỹ thuật Cơng nghiệp – Đại học Thái Ngun đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian
học tập của tơi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> vTĨM TẮT
Luận văn này trình bày kết quả mơ hình thử nghiệm xe hai bánh tự cân bằng
dạng hai bánh dọc (In - line wheels), có kết cấu kiểu xe máy, xe đạp hai bánh, dựa
trên ngun lý con quay hồi chuyển nhằm xây dựng mơ hình thực nghiệm, phân tích
các quan hệ lực, momen với khả năng tự cân bằng của xe.
Khả năng cân bằng của mơ hình xe khi khơng sử dụng các giải thuật điều
khiển và thơng qua các thí nghiệm thực, khả năng chịu momen xung gây lật xe cũng
như quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển có tác dụng cản lật đã được
xác định bằng thực nghiệm.
Một mơ hình xe hai bánh dọc dùng con quay trục đứng đã được thiết kế, chế
tạo để thực hiện thí nghiệm xác định khả năng chịu momen lật dạng va đập (xung)
cũng như momen cản lật của xe.
Thực nghiệm cho thấy, với con quay trục đứng có momen qn tính là 0,063
kg.m
2
, quay với tốc độ 3307 vòng/phút, mơ hình có thể chịu được động năng va đập
tới 32582.19 J mà xe khơng đổ. Ý tưởng xe hai bánh chịu va chạm đột ngột khơng bị
lật đổ là có thể thực hiện được.
Nghiên cứu đã kiểm chứng và lượng hóa được một đặc tính về quan hệ cơ học
của con quay hồi chuyển. Con quay hồi chuyển là một cơng cụ hữu ích dùng để
chuyển đổi momen chủ động, tác dụng trong mặt phẳng chứa hai bánh xe, thành momen
Hình1.8. Hình ảnh mẫu xe moto chạy bằng điện, khơng đổ.
9
Hình 1.9. Hai con quay hồi chuyển dùng để giữ cân bằng cho xe C1.
9
Hình 2.1. Mơ hình một con quay đơn giản.
12
Hình 2.2. Mơ hình con quay hồi chuyển.
13
Hình 2.3. Hình ảnh con quay hồi chuyển.
14
Hình 2.4. Hình ảnh một con cù đơn giản.
14
Hình 2.5. Con quay trong khớp vạn năng.
15
Hình 2.6. Tương tác lực trong con quay.
15
Hình 2.7. Tiến động của con quay quanh trục cố định.
16
Hình 2.8. Ngun lý hoạt động của con quay
17
Hình 2.9. Ảnh chụp thực nghiệm kiểm chứng hiện tượng con quay hồi chuyển
18
Hình 2.10. Tiến động của con quay quanh trục cố định
18
Hình 2.11. Sơ đồ minh họa con quay hồi chuyển [20]
19
Hình 2.12. Sơ đồ phân tích lực [20]
22
38
Hình 3.6. Con quay
39
Hình 3.7. Hình ảnh máy tiện vạn năng MAZAK
40
Hình 3.8. Đồng hồ đo tốc độ quay
41
Hình 3.9. Bản vẽ chi tiết giá treo động cơ
42
Hình 3.10 Gối đỡ vòng bi
44
Hình 3.11. Bản vẽ lắp mơ hình xe hai bánh dọc tự cân bằng.
44
Hình 3.12. Mơ hình một xe hai bánh tự cân bằng
45
Hình 3.13. Loadcell (Cảm biến trọng lực)
45
Hình 3.14. Bộ tiếp nhận dữ liệu DAQ NI USB-6008
46
Hình 3.15. Lắp đặt loadcell vào cơ hệ.
47
Hình 4.1. Sơ đồ thu thập tín hiệu momen lật từ Load cell
48
Hình 4.2. Hình ảnh của hệ thống thiết bị trong thí nghiệm
48
Hình 4.3. Sơ đồ mạch điện
50
Hình 4.4. Ảnh chụp thiết bị thí nghiệm
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Một số sản phẩm dùng một con quay hồi chuyển 28
Bảng 2.2. Một số sản phẩm dùng hai con quay hồi chuyển 30
Bảng 3.1. Thơng số của máy tiện MAZAK 40
Bảng 4.1. Kiểm chứng thiết bị 51
Bảng 4.2. Quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển 52
Bảng 4.3. Bảng số liệu thí nghiệm 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 1
Chương 1
GIỚI THIỆU
Chương này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cấp thiết để thực hiện đề tài
nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã đạt được. Phần 1.1 trình bày về
vấn đề nghiên cứu cũng như tính cấp thiết của đề tài. Các thơng tin tổng quan về các
kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới về xe tự cân bằng được trình bày trong
phần 1.2. Phần 1.3 trình bày các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu. Các kết quả chính
đã đạt được về cả lý thuyết và thực nghiệm được tóm tắt trong phần 1.4. Phần cuối
cùng giới thiệu cấu trúc của luận văn.
1.1. Vấn đề nghiên cứu
Trong những năm gần đây, điều khiển cân bằng đã và đang tiếp tục nhận được
quan tâm của các nhà nghiên cứu về mặt lý thuyết và ứng dụng triển khai. Một trong
những thành tựu của các nghiên cứu về điều khiển cân bằng dựa trên ngun lý con
quay hồi chuyển (Gyroscope) đã được ứng dụng để phát triển các sản phẩm được
người dùng rất quan tâm, chẳng hạn như xe Gyrocar, xe Lit Motors.
Trong thực tế, có hai mơ hình xe hai bánh tự cân bằng: mơ hình xe hai bánh
ngang (Segway) và mơ hình xe hai bánh dọc – thuật ngữ tiếng Anh là In-line wheels
Hình 1.1. Các mặt phẳng quy ước với từng mơ hình
a) Xe Segway; b) Xe hai bánh dọc
Đối với xe hai bánh ngang, momen gây lật xe nằm trong mặt phẳng chuyển
động (xem thêm hình 1.2b). Nói cách khác mặt phẳng cân bằng của xe trùng với mặt
phẳng thẳng đứng. Tuy nhiên, với xe hai bánh dọc (xem hình 1.1b), momen gây lật xe
lại nằm trong mặt phẳng vng góc với mặt đứng. Nói cách khác, mặt phẳng cân
bằng của xe khơng trùng mặt phẳng đứng. Chính vì vậy, ngun tắc đảm bảo điều
kiện tự cân bằng cho hai loại xe này là hồn tồn khác nhau.
a)
b)
BP
HP
VP
HP
VP
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 3
Với xe hai bánh ngang, như đã nói ở trên, mặt phẳng chuyển động trùng với
mặt phẳng cân bằng, có nghĩa là momen gây lật nằm trong mặt phẳng chuyển động
và do đó vng góc với trục bánh xe. Điều này được minh họa trên hình 1.2. Có thể
thấy, momen gây lật có chiều xoay quay trục bánh xe (xem Hình 1.2b). Để tái lập
trạng thái cân bằng, cần tạo ra một momen ngược chiều momen gây lật nhằm di
chuyển khối tâm G về vị trí cân bằng G
0
. Điều này có thể dễ dàng thực hiện, nhờ một
động cơ có trục song song với trục bánh xe.
cần tác động lên xe một lực/momen theo chiều ngược lại với chiều của lực gây lật,
sao cho momen cần thiết để tái lập cân bằng bằng momen của lực gây lật lấy đối với
điểm cố định O, chiều của lực này phải có chiều ngược lại với chiều lực gây lật trên
như chiều mũi tên vẽ bằng nét đứt như hình vẽ.
Hình 1.3. Mơ hình của một xe hai bánh dọc
a) Ảnh chụp một chiếc xe hai bánh dọc; b) Mơ hình xe hai bánh dọc trong mặt phẳng cân bằng.
Có thể nhận thấy, việc tạo ra lực/momen từ bên ngồi tác động lên xe trong
mặt phẳng lật là rất khó khả thi. Thực tế chỉ có thể tạo ra lực/momen trong mặt phẳng
thẳng đứng. Một phương án khả dĩ là chuyển đổi momen tác động trong mặt phẳng
thẳng đứng thành momen trong mặt phẳng cân bằng. Một đặc tính cơ học quan trọng
của con quay hồi chuyển (Gyroscope) là cho phép chuyển đổi momen đáp ứng u
cầu này.
Trong thực tế, xe máy, xe đạp (Hình 1.3a) có thể giữ cân bằng khi đang
chuyển động nhờ kinh nghiệm, kỹ năng của người điều khiển. Tuy nhiên, xe có thể bị
đổ, gây thương tích cho người sử dụng trong các trường hợp sau:
1. Xe ở trạng thái khơng chuyển động;
2. Xe chuyển động rất chậm hoặc người đi xe chưa có kinh nghiệm;
3. Xe chịu va chạm đột ngột.
O
L
ự
c gây l
ậ
t
L
cách bố trí các trục của con quay hồi chuyển, và tốc độ quay. Tháng 9/1967 trên tạp
chí "Khoa học Cơng nghệ", viện bảo tàng Retro [8] đã trích dẫn nhiều bài viết và
cơng trình của Northridge và California về con quay hồi chuyển. Ngồi ra, con quay
hồi chuyển còn có nhiều ứng dụng quan trọng trong việc ổn định cho phương tiện
giao thơng đường sắt và giao thơng đường thủy [6, 7].
Mơ hình tốn học của xe cân bằng dùng con quay hồi chuyển đã được nghiên
cứu lần đầu tiên trong cơng trình của Cousins [10], và gần đây hơn Gallaspy [9] sử
dụng phép lấy đạo hàm trong phân tích tốn học hoặc Karnopp [11] sử dụng các đồ
thị quan hệ để lấy đạo hàm.
Từ sau khi Count Perter Schilovski chế tạo thành cơng mơ hình xe Gyrocar
đầu tiên, do chiến tranh thế giới hầu như tất cả các tài liệu bị thất lạc, sản phẩm thì bị
chơn vùi. Chính vì vậy những nghiên cứu sâu về việc giữ cân bằng cho xe hai bánh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 6
lại đi theo hướng điều khiển. Các kết quả nghiên cứu khai thác ưu điểm ổn định con
quay hồi chuyển cho các phương tiện được cơng bố trong phạm vi rất hẹp, đặc biệt
cơng nghệ này còn rất mới ở Việt Nam. Cho đến nay, chưa có cơng bố khoa học nào
ở trong nước nói về ứng dụng ngun lý con quay hồi chuyển cho xe hai bánh dọc tự
cân bằng.
Đề tài “Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mơ hình xe hai bánh tự cân bằng”
được thực hiện nhằm xây dựng mơ hình thực nghiệm, phân tích các quan hệ lực,
momen ảnh hưởng đến khả năng tự cân bằng của xe. Kết quả của đề tài có thể được
sử dụng làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về bài tốn điều khiển, chế tạo thử
nghiệm xe.
1.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây
Tại Đức, năm 1810 Nhà khoa học Johann Gottlob Frederick Von Bohnenberger
(xem Hình 1.4) [14] là người đầu tiên phát minh ra con quay hồi chuyển.
Năm 1852 nhà khoa học người Pháp Leon Foucalt [14] đã sử dụng con quay
hồi chuyển để chứng minh Trái Đất có chuyển động quay. Trước đó ơng đã dùng con
lắc để chứng minh như vậy và ơng đưa ra giả thuyết rằng con quay hồi chuyển đứng
Gyrocar là một loại xe hai bánh, nhưng khác với xe đạp và xe máy là nó có thể
giữ cân bằng nhờ con quay hồi chuyển. Một mơ hình xe Gyrocar đã đươc Count Peter
Schilovski chế tạo, thử nghiệm thành cơng và lấy tên là Schilovski Gyrocar [3,5].
Hình 1.7 là ảnh chụp chiếc xe Gyrocar.
Hình 1.7. Xe gyrocar [3]
ơ
Chiếc xe Gyrocar được Count đưa ra nhiều đặc điểm với những u cầu cao
hơn hẳn những chiếc xe bình thường khác. Để đáp ứng u cầu này, Gyrocar được
sản xuất là một cỗ máy khá cồng kềnh, chậm chạp ở thời điểm bấy giờ. Nhưng với
Count, ơng chỉ cần chứng minh được có thể cân bằng một chiếc xe 2 bánh sử dụng
ngun lí hồi chuyển. Gyrocar sử dụng động cơ có cơng suất khoảng 20 mã lực và
con quay hồi chuyển có đường kính 40inch, dày 4,5inch, quay với tốc độ khoảng
2000 – 3000 vòng/phút. Do chiến tranh thế giới thứ nhất nên Gyrocar đã khơng được
quan tâm phát triển và chiếc xe này đã được chơn vùi dưới lòng đất. Gần 20 năm sau,
vào năm 1930 Gyrocar đã được khai quật và đặt trong bảo tàng của hãng. Tuy nhiên
chiếc xe này đã bị phá hủy hồn tồn vào năm 1948.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 9
Đầu năm 2014, tại triển lãm cơng nghệ CES 2014, hãng xe Lit Motors đã cho
biểu diễn một chiếc xe moto chạy điện – Lit Motor C1 có khả năng tự cân bằng (xem
Hình 1.8). C1 được gán cho thuật ngữ “phương tiện cá nhân mới” đó là sự kết hợp
hồn hảo giữa tính tiện nghi của ơ tơ và tính linh hoạt của xe máy, đủ chỗ cho hai
người và sử dụng hệ thống ổn định hồi chuyển để đứng thẳng khi khơng di chuyển.
Điểm nổi bật của C1 chính là khả năng tự cân bằng. Nhà sản xuất quảng cáo rằng dù
có bị một phương tiện khác đâm vào nhưng C1 vẫn có thể đứng vững bởi xe được
trang bị hệ thống tự cân bằng .
Xe có kích thước nhỏ gọn như xe máy, lại được trang bị vỏ bọc kim loại chắc
2. Thiết kế, chế tạo mơ hình
3. Thực nghiệm: + Thay đổi momen
+ Đo được các giá trị lực, momen
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
1.4.3. Các thiết bị thí nghiệm
1. Để thiết kế chế tạo mơ hình cấn sử dụng các máy tiện, máy phay, máy
khoan, máy hàn.
2. Để khảo sát và phân tích giá trị lực và momen dùng các thiết bị đo:
Đo lực tác dụng: Load cell.
Đo tốc độ động cơ: Máy đo tốc độ vòng quay.
Bộ chuyển đổi dữ liệu DAQ USB 6008.
Phần mềm xử lý dữ liệu NI-Labview Signal Express 3.0.
1.5. Các kết quả đã đạt được
1. Xác định được động năng va đập lớn nhất mà xe khơng đổ. Ý tưởng xe
hai bánh chịu va đập đột ngột khơng bị lật đổ là có thể thực hiện được.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 11
2. Vẽ được biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi
chuyển có tác dụng cản lật để làm cơ sở cho việc điều khiển.
1.6. Cấu trúc luận văn
Luận văn được chia thành 5 chương với các nội dung chính như sau.
Chương 1 trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực hiện đề tài. Các nghiên cứu
tương tự gần đây cũng được giới thiệu tóm tắt nhằm nêu bật các kết quả đóng góp mới.
Trong chương 2, các cơ sở lý thuyết về con quay hồi chuyển, các mơ hình của
xe hai bánh dọc đã được chế tạo trong thực tế và trong các nghiên cứu thí nghiệm
trước đây cũng được trình bày cụ thể.
Thiết kế, chế tạo mơ hình thử nghiệm được trình bày chi tiết trong chương 3.
Ở đó, sơ đồ ngun lý, mơ hình lý thuyết, cấu tạo và thiết kế xe hai bánh dọc được
trình bày một cách cụ thể. Hệ thống các thiết bị thí nghiệm sử dụng để khảo sát đặc
tính động lực học của cơ hệ cũng được mơ tả.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 13
Theo định nghĩa vật lý: Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc
hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các ngun tắc bảo tồn mơ men động lượng.
Thực chất, con quay cơ học là một bánh xe hay đĩa quay với trục quay tự do theo
mọi hướng.
Hình 2.2. Mơ hình con quay hồi chuyển.
Trên Hình 2.2, con quay được gắn vào trục quay, trục được cố định ở giữa
bằng một khớp vạn năng. Con quay có thể quay đồng thời quanh trục XX, trục YY và
quanh trục ZZ. Do đó trục con quay có thể tự do trong khơng gian.
Khi quay, con quay hồi chuyển có tính chất đặc biệt, con quay giữ cho trục
quay của nó thẳng đứng và chống lật. Nếu tác dụng mơ-men xoắn, hoặc một lực vào
trục quay, trục sẽ khơng chuyển động theo hướng mơ-men xoắn mà sẽ di chuyển theo
hướng vng góc với nó.
Một ví dụ đơn giản như việc ta dùng một tay giữ con quay hồi chuyển, một tay
khác quấn dây quanh trục con quay hồi chuyển, sau đó giữ con quay ở khung ngồi
và ta kéo dây. Kết quả là con quay hồi chuyển có thể giữ được cân bằng ngay trên
đầu ngón tay, trên đầu bút chì hay trên một sợi dây (xem Hình 2.3).
Con quay
Tr
ụ
c quay
Kh
ớ
p v
ạ
Copyright: Tài liệu đại học ©