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 THÁI NGUN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 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 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được cơng bố, trừ những thơng tin tham khảo được trích dẫn. Thái ngun, tháng 3 năm 2014 Học viên Mai Thị Thu Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii LỜI CẢM ƠN iv TĨM TẮT v CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix Chương 1. GIỚI THIỆU 1 1.1. Vấn đề nghiên cứu 1 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 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 Chương 4. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TƯƠNG TÁC LỰC VÀ MOMEN 48 4.1. Giới thiệu. 48 4.2. Thí nghiệm mơ tả mối quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển 48 4.2.1. Mơ tả thí nghiệm 48 4.2.2. Kiểm chứng thiết bị thí nghiệm 49 4.2.3. Cách tiến hành thí nghiệm 51 4.2.4. Kết quả thí nghiệm 52 4.3. Thí nghiệm kiểm chứng va đập 53 4.3.1. Mơ tả thí nghiệm 53 4.3.2. Cách thức thí nghiệm 56 4.3.3. Kết quả thí nghiệm 57 4.4. Kết luận 61 Chương 5. KẾT LUẬN 62 5.1. Các kết quả chính đã đạt được 62 5.2. Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học của tơi, thầy giáo - PGS.TS. Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tơi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tơi xin cám ơn Ban giám hiệu, tổ Tin – Cơng nghệ - Trường PTTH Chun Thái Ngun đã tạo điều kiện để tơi được tham gia và hồn thành khóa học này. Lòng biết ơn chân thành tơi xin bày tỏ với gia đình tơi, doanh nghiệp tư nhân Dũng Hằng và bạn bè đồng nghiệp, vì tất cả những gì mà mọi người đã dành cho tơi. Cuối cùng, tơi xin cám ơn các thầy cơ giáo, các bạn bè trong trường Đại học 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 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v TĨM 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 cản lật (tác dụng trong mặt phẳng chứa lực gây lật). Đặc tính này chính là cơ sở để khai thác hiệu ứng con quay hồi chuyển trong các mơ hình, sản phẩm xe khơng đổ gần đây. Quan hệ cơ học này là cơ sở phát triển các bài tốn điều khiển xe khơng đổ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT HP Mặt phẳng thẳng đứng (Horizontal Plane) . VP Mặt phẳng nằm ngang (Vertical Plane) . BP Mặt phẳng cân bằng (Balance Plane) . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1. Các mặt phẳng quy ước với từng mơ hình 2 Hình 1.2. Mơ hình của một xe hai bánh ngang 3 Hình 1.3. Mơ hình của một xe hai bánh dọc 4 Hình 1.4. Ảnh chụp nhà khoa học Elmer Sperry 6 Hình 1.5. Mơ hình tàu một ray của Brennan [2]. 7 Hình 1.6. Tàu một ray của Brenman [2] 7 Hình 1.7. Xe gyrocar [3] 8 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 Hình 2.13. Sơ đồ phân tích lực[20] 22 Hình 2.14. Sơ đồ lực tác động lên con quay[20] 24 Hình 2.15. Mơ hình một con quay 27 Hình 2.16. Mơ hình hai con quay. 29 Hình 2.17. Hình ảnh về con quay hồi chuyển 31 Hình 2.18. Hình ảnh chuột 3D C120 32 Hình 2.19. Hình ảnh của la bàn con quay hồi chuyển 33 Hình 2.20. Hình ảnh của con quay hồi chuyển dùng trên du thuyền 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ viii Hình 2.21. Ảnh chụp xe đạp trẻ em tự cân bằng GYROWHEEL 33 Hình 3.1. Sơ đồ ngun lý của xe hai bánh tự cân bằng dùng con quay hồi chuyển. 36 Hình 3.2. Bản vẽ chi tiết thanh thép V3 37 Hình 3.3. Bản vẽ chi tiết và hình ảnh của thanh thép đặt ngang. 37 Hình 3.4. Bản vẽ khung xe 38 Hình 3.5. Động cơ một pha dùng cho thí nghiệm 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 50 Hình 4.5. Hồi quy xác định giá trị thang đo của Load cell 51 Hình 4.6. Đồ thị quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển 51 Hình 4.7. Mơ hình xe chịu va đập ngang 53 Hình 4.8. Sơ đồ thả vật rơi tự do 53 Hình 4.9. Thiết bị đo góc xoay 56 Hình 4.10. Tác động của khối lượng 1 kg, độ cao 400mm 58 Hình 4.11. Tác động của khối lượng 3 kg, độ cao 400mm 58 Hình 4.12. Tác động của khối lượng 15 kg, độ cao 400mm. 59 Hình 4.13 Đồ thị quan hệ giữa khối lượng va đập với tín hiệu điện áp ra 60 Hình 4.14 Đồ thị quan hệ giữa khối lượng va đập với động năng va đập 60 Hình 4.15. Đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng của trục động cơ với khối lượng va đập. 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ [...]... 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... 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 (dạng xe đạp, xe máy thơng thường) Hai loại này có u cầu và ngun tắc tự cân bằng khác nhau Để tiện cho việc trình bày, hai thuật ngữ xe hai bánh ngang” và xe hai bánh dọc” được sử dụng thống nhất trong tồn bộ luận văn này Hình 1.1 mơ tả sơ đồ bố trí của hai loại xe này Để thuận tiện... đâm vào nhưng C1 vẫn có thể đứng vững bởi xe được trang bị hệ thống tự cân bằng Hình1 .8 Hình ảnh mẫu xe moto chạy bằng Hình 1.9 Hai con quay hồi chuyển dùng để điện, khơng đổ giữ cân bằng cho xe C1 Xe có kích thước nhỏ gọn như xe máy, lại được trang bị vỏ bọc kim loại chắc chắn và được thiết kế với mui như xe ơ tơ, cũng được điều khiển bằng vơ-lăng, ga và phanh thơng qua bàn đạp chân Xe ln tự cân bằng. .. nhằm thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mơ hình có ứng dụng con quay hồi chuyển nhằm tự giữ cân bằng cho xe hai bánh Các mục tiêu cụ thể của đề tài là: 1 Chế tạo mơ hình thử nghiệm khả năng cân bằng dùng con quay hồi chuyển; 2 Đánh giá khả năng cân bằng khi khơng sử dụng các giải thuật điều khiển; 3 Tiến hành thí nghiệm để xác định khả năng chịu được xung va đập và quan hệ giữa momen gây lật và momen cản... bảo cân bằng cho xe hai bánh dọc thích ứng với các tình huống kể trên có thể mang lại lợi ích to lớn sau đây: 1 Chế tạo xe hai bánh dọc được che kín, thuận tiện khi lên, xuống; 2 Tạo thuận lợi, khuyến khích trẻ em tập xe; 3 Đảm bảo an tồn cho người điều khiển và hành khách khi xảy ra va chạm trên đường lưu thơng Ở mơ hình xe hai bánh dọc, để xe có thể tự cân bằng, cần tạo ra thêm con quay để có thể khai... trục bánh xe l Thân xe G0 α G b) a) Hình 1.2 Mơ hình của một xe hai bánh ngang a) Ảnh chụp xe Segway; b) Mơ hình ở trạng thái lật Hình 1.2a là hình chụp của một chiếc xe Segway Khi xe có xu hướng bị lật, thân xe sẽ bị nghiêng một góc α so với phương thẳng đứng (xem hình 1.2b) Với xe hai bánh dọc, như đã biết, mặt phẳng cân bằng có phương vng góc với mặt phẳng chuyển động Điều này được minh họa trên hình. .. nhờ có hai con quay hồi chuyển (xem Hình 1.9) đặt bên dưới ghế ngồi tạo ra momen xoắn tối đa là 1763Nm Các kết quả trên cho thấy việc xuất hiện của xe hai bánh tự cân bằng giúp cho người sử dụng thuận tiện và dễ dàng hơn trong việc di chuyển, có thể giảm tắc nghẽn giao thơng Điểm đặc biệt nhất ở xe hai bánh tự cân bằng là khả năng tự cân bằng dựa trên ngun lý con quay hồi chuyển, vì vậy dù địa hình có... 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... 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 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Với xe hai bánh. .. hai bánh nhưng khi tàu chưa chuyển động người ta có thể lên, xuống tàu mà ko bị đổ (xem Hình 1.6) Hình 1.6 Tàu một ray của Brenman [2] 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 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 . 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. 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. 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