ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP MAI THỊ THU HÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Chun ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 60520103 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN, 2014 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Dự Phản biện 1: GS.TSKH Phạm Văn Lai Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 30, ngày20 tháng năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Chương GIỚI THIỆU ¬ Chương giới thiệu sở lý luận tính cấp thiết để thực đề tài nghiên cứu, mục tiêu tóm tắt kết đạt Phần 1.1 trình bày vấn đề nghiên cứu tính cấp thiết đề tài Các thông tin tổng quan kết nghiên cứu gần giới xe tự cân trình bày phần 1.2 Phần 1.3 trình bày mục tiêu cụ thể nghiên cứu Các kết đạt lý thuyết thực nghiệm tóm tắt phần 1.4 Phần cuối giới thiệu cấu trúc luận văn 1.1 Vấn đề nghiên cứu Trong năm gần đây, điều khiển cân tiếp tục nhận quan tâm nhà nghiên cứu mặt lý thuyết ứng dụng triển khai Một thành tựu nghiên cứu điều khiển cân dựa nguyên lý quay hồi chuyển (Gyroscope) ứng dụng để phát triển sản phẩm người dùng quan tâm, chẳng hạn 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) mơ hình xe hai bánh dọc – thuật ngữ tiếng Anh In-line wheels (dạng xe đạp, xe máy thông thường) Hai loại có yêu cầu nguyên tắc tự cân khác Đối với xe hai bánh ngang, momen gây lật xe nằm mặt phẳng chuyển động (xem thêm hình 1.2b) Nói cách khác mặt phẳng cân xe trùng với mặt phẳng thẳng đứng Tuy nhiên, với xe hai bánh dọc (xem hình 1.1b), momen gây lật xe lại nằm mặt phẳng vng góc với mặt đứng Nói cách khác, mặt phẳng cân xe khơng trùng mặt phẳng đứng Chính vậy, ngun tắc đảm bảo điều kiện tự cân cho hai loại xe hồn tồn khác Có thể nhận thấy, việc tạo lực/momen từ bên tác động lên xe mặt phẳng lật khó khả thi Thực tế tạo lực/momen mặt phẳng thẳng đứng Một phương án chuyển đổi momen tác động mặt phẳng thẳng đứng thành momen mặt phẳng cân Một đặc tính học quan trọng quay hồi chuyển (Gyroscope) cho phép chuyển đổi momen đáp ứng yêu cầu Từ năm 1900, Louis Brennan [1,2] có cơng trình nghiên cứu tàu ray Theo hướng này, Schilovski [3,5] Ferry [4] tiếp tuc nghiên cứu, phát triển đưa số mẫu thử nghiệm phương án cân khác cách bố trí trục quay hồi chuyển, tốc độ quay Tháng 9/1967 tạp chí "Khoa học Cơng nghệ", viện bảo tàng Retro [8] trích dẫn nhiều viết cơng trình Northridge California quay hồi chuyển Ngoài ra, quay hồi chuyển cịn có nhiều ứng dụng quan trọng việc ổn định cho phương tiện giao thông đường sắt giao thông đường thủy [6, 7] Mơ hình tốn học xe cân dùng quay hồi chuyển nghiên cứu lần cơng trình Cousins [10], gần Gallaspy [9] sử dụng phép lấy đạo hàm phân tích tốn học Karnopp [11] sử dụng đồ thị quan hệ để lấy đạo hàm Từ sau Count Perter Schilovski chế tạo thành cơng mơ hình xe Gyrocar đầu tiên, chiến tranh giới tất tài liệu bị thất lạc, sản phẩm bị chơn vùi Chính nghiên cứu sâu việc giữ cân cho xe hai bánh lại theo hướng điều khiển Các kết nghiên cứu khai thác ưu điểm ổn định quay hồi chuyển cho phương tiện công bố phạm vi hẹp, đặc biệt cơng nghệ cịn Việt Nam Cho đến nay, chưa có cơng bố khoa học nước nói ứng dụng nguyên lý quay hồi chuyển cho xe hai bánh dọc tự cân Đề tài “Thiết kế, chế tạo thử nghiệm mơ hình xe hai bánh tự cân bằng” thực nhằm xây dựng mô hình thực nghiệm, phân tích quan hệ lực, momen ảnh hưởng đến khả tự cân xe Kết đề tài sử dụng làm sở cho nghiên cứu toán điều khiển, chế tạo thử nghiệm xe 1.2 Các kết nghiên cứu gần Tại Đức, năm 1810 Nhà khoa học Johann Gottlob Frederick Von Bohnenberger (xem Hình 1.4) [14] người phát minh quay hồi chuyển Năm 1852 nhà khoa học người Pháp Leon Foucalt [14] sử dụng quay hồi chuyển để chứng minh Trái Đất có chuyển động quay Trước ơng dùng lắc để chứng minh ông đưa giả thuyết quay hồi chuyển đứng sử dụng la bàn Elmer Sperry [13-15] (xem Hình 1.4) nhà khoa học thành cơng Ơng nhận 360 sáng chế đời góp phần khơng nhỏ cho phát triển ngành công nghiệp nhẹ Năm 1896 ông bắt đầu tìm hiểu quay hồi chuyển đến năm 1908 ông cấp sáng chế cho thiết bị tạo ổn định quay hồi chuyển cho thiết bị di chuyển tàu máy bay Trong triều đại vua Edwardian, tháng năm 1907, Lon đon, Louis Brennan [2] trưng bày mơ hình tàu ray Mơ hình kích động trí tưởng tượng người tham dự nguyên lý tự cân đồng thời thu hút quan tâm lớn Sự đời tàu ray độc đáo Brennen đăng lên tất tờ báo hàng đầu giới Năm 1910, triển lãm Nhật – Anh diễn London tàu ray Brennan mắt cơng chúng Tuy tàu có hai bánh tàu chưa chuyển động người ta lên, xuống tàu mà ko bị đổ Gyrocar loại xe hai bánh, khác với xe đạp xe máy giữ cân nhờ quay hồi chuyển Một mơ hình xe Gyrocar đươc Count Peter Schilovski chế tạo, thử nghiệm thành công lấy tên Schilovski Gyrocar [3,5] Đầu năm 2014, triển lãm công nghệ CES 2014, hãng xe Lit Motors cho biểu diễn xe moto chạy điện – Lit Motor C1 có khả tự cân (xem Hình 1.8) C1 gán cho thuật ngữ “phương tiện cá nhân mới” kết hợp hồn hảo tính tiện nghi tơ tính linh hoạt xe máy, đủ chỗ cho hai người sử dụng hệ thống ổn định hồi chuyển để đứng thẳng không di chuyển Điểm bật C1 khả tự cân Nhà sản xuất quảng cáo dù có bị phương tiện khác đâm vào C1 đứng vững xe trang bị hệ thống tự cân Xe có kích thước nhỏ gọn xe máy, lại trang bị vỏ bọc kim loại chắn thiết kế với mui xe ô tô, điều khiển vô-lăng, ga phanh thông qua bàn đạp chân Các kết cho thấy việc xuất xe hai bánh tự cân giúp cho người sử dụng thuận tiện dễ dàng việc di chuyển, giảm tắc nghẽn giao thông Điểm đặc biệt xe hai bánh tự cân khả tự cân dựa nguyên lý quay hồi chuyển, dù địa hình có gập ghềnh sao, xe ln ln an tồn, kể bị xô ngang (va chạm) với vật thể/phương tiện khác Do phương tiện vận chuyển thành phố tương lai với nhiều ưu điểm: gọn, nhẹ, chiếm diện tích đường phố, dễ điều khiển an toàn 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài chủ động công nghệ nhằm thiết kế, chế tạo thử nghiệm mơ hình có ứng dụng quay hồi chuyển nhằm tự giữ cân cho xe hai bánh Các mục tiêu cụ thể đề tài là: Chế tạo mơ hình thử nghiệm khả cân dùng quay hồi chuyển; Đánh giá khả cân không sử dụng giải thuật điều khiển; Tiến hành thí nghiệm để xác định khả chịu xung va đập quan hệ momen gây lật momen cản lật 1.4 Nội dung phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Nội dung nghiên cứu Khảo sát, phân tích nguyên tắc cân nhờ quay hồi chuyển Thiết kế, chế tạo mô hình Thực nghiệm: + Thay đổi momen + Đo 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 Để thiết kế chế tạo mơ hình cấn sử dụng máy tiện, máy phay, máy khoan, máy hàn Để khảo sát phân tích giá trị lực momen dùng thiết bị đo:  Đo lực tác dụng: Load cell  Đo tốc độ động cơ: Máy đo tốc độ vòng quay  Bộ chuyển đổi liệu DAQ USB 6008  Phần mềm xử lý liệu NI-Labview Signal Express 3.0 1.5 Các kết đạt Xác định động va đập lớn mà xe không đổ Ý tưởng xe hai bánh chịu va đập đột ngột khơng bị lật đổ thực Vẽ biểu đồ thể mối quan hệ momen gây lật momen hồi chuyển có tác dụng cản lật để làm sở cho việc điều khiển 1.6 Cấu trúc luận văn Luận văn chia thành chương với nội dung sau Chương trình bày sở, tính cần thiết thực đề tài Các nghiên cứu tương tự gần giới thiệu tóm tắt nhằm nêu bật kết đóng góp Trong chương 2, sở lý thuyết quay hồi chuyển, mơ hình xe hai bánh dọc chế tạo thực tế nghiên cứu thí nghiệm trước trình bày cụ thể Thiết kế, chế tạo mơ hình thử nghiệm trình bày chi tiết chương Ở đó, sơ đồ ngun lý, mơ hình lý thuyết, cấu tạo thiết kế xe hai bánh dọc trình bày cách cụ thể Hệ thống thiết bị thí nghiệm sử dụng để khảo sát đặc tính động lực học hệ mơ tả Trong chương trình bày kết thực nghiệm, đánh giá khả tự cân xe Các kết luận đề xuất nghiên cứu trình bày chương Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÙNG CON QUAY HỒI CHUYỂN 2.1 Giới thiệu Chương giới thiệu chung cấu tạo, phân tích nguyên lý làm việc ứng dụng quay hồi chuyển Đề xuất mơ hình xe hai bánh tự cân Phần 2.2 trình bày sở lý thuyết cân dùng quay hồi chuyển Đặc tính động lực học quay hồi chuyển trình bày phần 2.3 Phần 2.4 trình bày mơ hình quay làm sở đề xuất mơ hình thử nghiệm khả tự cân xe Ứng dụng quay hồi chuyển trình bày phần 2.5 Các kết luận trình bày phần cuối cùng, phần 2.6 2.2 Cơ sở lý thuyết cân dùng quay hồi chuyển 2.2.1 Con quay hồi chuyển Con quay nói chung có hình dạng đối xứng, quay quanh điểm cố định chuyển động tự không gian Theo định nghĩa vật lý: Con quay hồi chuyển thiết bị dùng để đo đạc trì phương hướng, dựa ngun tắc bảo tồn mơ men động lượng Thực chất, quay học bánh xe hay đĩa quay với trục quay tự theo hướng Khi quay, quay hồi chuyển có tính chất đặc biệt, quay giữ cho trục quay thẳng đứng chống lật Nếu tác dụng mô-men xoắn, lực vào trục quay, trục không chuyển động theo hướng mô-men xoắn mà di chuyển theo hướng vng góc với Trong kỹ thuật, quay hồi chuyển thường bánh đà dạng đĩa dẹt có khối lượng tập trung vành đĩa Để truyền chuyển động cho quay, lực quay tạo trục roto động điện xoay chiều động điện chiều có tốc độ cao 2.2.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động quay hồi chuyển dựa nguyên tắc bảo toàn momen động lượng Xét quay có khối lượng m, quay với vận tốc góc  quanh trục cố định z y 2 O  mg A L x F Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động quay Trên Hình 2.1, quay gắn vào trục quay, đầu trục đặt đỉnh O giá đỡ cho trục quay tự xung quanh giá đỡ Chọn hệ toạ độ gốc O, trục Oz thẳng đứng, mặt phẳng xOy nằm ngang, trục quay nằm ngang, dọc theo trục Ox Giả sử quay quanh nhanh khơng đổ xuống mà với cán trục quay xung quanh trục z qua giá đỡ Sự quay trục quay gọi tiến động Nếu tác động lực F hướng xuống điểm A momen động lượng L hướng theo hướng trục quay, vng góc với lực F Con quay quay với vận tốc góc và vân tốc tiến động  quay Đầu O trục đặt đỉnh giá đỡ cho trục quay tự xung quanh giá đỡ Nếu quay khơng quay bng ra, tác dụng momen ngoại lực quay rơi xuống Còn quay quay nhanh quay khơng đổ xuống mà với cán trục quay xung quanh trục thẳng đứng qua giá đỡ Khi quay (có bán kính r) quay với vận tốc quay riêng , chuyển động quanh gốc O với vận tốc tiến động  (với góc tiến động θ khơng đổi) Khi momen động học tồn phần hệ có giá trị gần momen quay Momen quay xác định theo công thức: 1 M x   mr 212 sin   mr 1  2 cos   2 sin  4 2.4 Mơ hình đặc điểm cấu Từ năm 1900 đến nay, có nhiều cơng trình nghiên cứu quay hồi chuyển sử dụng quay hồi chuyển để thiết kế xe hai bánh tự cân Trong có mơ hình sử dụng quay mơ hình sử dụng hai quay Các mơ hình có đặc điểm sau: Mơ hình sử dụng có đặc điểm:  Mơ hình gồm quay gắn khung, quay quay khung cần sử dụng động có tốc độ quay cao  Thiết kế đơn giản, nhỏ gọn  Có khung quay để đảm bảo an tồn q trình sử dụng Mơ hình sử dụng quay có đặc điểm:  Tạo lực tiến động lớn 10  Thiết kế phức tạp hơn, sử dụng hai quay nên cần thêm động cơ, dẫn đến tăng trọng lượng, tăng chi phí gây ồn  Để điều khiển quay cần dùng đến thuật toán điều khiển phức tạp Qua việc phân tích đặc điểm mơ hình, cho thấy mơ hình quay có kết cấu đơn giàn, nhỏ gọn điều khiển đơn giản mơ hình dùng hai quay hồi chuyển Vì có số nhóm sinh viên trường Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp làm tính ổn định hệ chưa cao Qua thực tế thử nghiệm mơ hình, cho thấy mơ hình quay trục đứng đạt tính ổn định cao Vì luận văn thử nghiệm khả chịu momen lật momen chống lật xe sử dụng quay hồi chuyển trục đứng 2.5 Ứng dụng quay hồi chuyển Con quay hồi chuyển thường sử dụng phịng thí nghiệm vật lý trường học viện nghiên cứu kỹ thuật Con quay hồi chuyển dùng với gia tốc kế thiết bị di động đại ngày nay, đặc biệt điện thoại thông minh máy tính bảng Con quay hồi chuyển hoạt động dựa nguyên lý bảo toàn momen động lượng nên phương trục quay không đổi không gian Tính chất dùng để xác định phương hướng Trong tàu biển, quay hồi chuyển dùng hệ thống định vị hướng, giống la bàn Do có độ xác cao nên quay hồi chuyển dùng để định hướng khai thác mỏ, hầm lị Ngồi quay hồi chuyển cịn có ứng dụng quan trong việc giữ cân cho xe hai bánh ổn định cho tàu thuyền Đến nay, có nhiều cơng bố khoa học [1,17], doanh nghiệp [Gyrobike, Lit Motor] quan tâm lý thuyết lẫn thực 11 nghiệm, triển khai ý tưởng cân cho xe hai bánh dọc tàu thuyền Đầu năm 2014, xe Lit Motor mang biểu diễn gây sức thu hút lớn tính tiện lợi Hãng Gyrobike cho đời sản phẩm bánh xe tự cân mang tên GYROWHEEL Với loại bánh xe này, trẻ em an toàn hơn, làm quen với xe đạp nhanh đỡ chiếm diện tích khơng có bánh xe phụ GYROWHEEL gắn vào bánh trước để thay bánh xe thông thường, nhằm tạo cân cao cho xe trẻ em bắt đầu bước làm quen 2.6 Kết luận Chương trình bày sở lý thuyết dùng quay hồi chuyển đặc tính động lực học quay hồi chuyển Qua thấy, tác dụng momen lực lên trục quay quay quay với vận tốc quay riêng 1 làm cho quay hồi chuyển tiến động với vận tốc tiến động 2, momen sinh trục thứ ba, vng góc với mơ-men xoắn trục quay, theo lý thuyết, để giữ cho quay cân momen quay có giá trị gần giá trị momen ngoại lực tác dụng lên quay Giả sử xe hai bánh chuyển động, tác dụng lực va chạm ngang làm xe có xu hướng cân Khi khó để tác dụng lực theo phương ngược lại để giữ cân cho xe Vì cần phải tạo momen lực vng góc với lực tác dụng (lực gây lật) để giữ cân cho xe Quan hệ động lực học momen gây lật momen cản lật quay phức tạp việc xác định mối quan hệ lại quan trọng làm sở cho toán điều khiển sau Ý tưởng xây dựng mơ hình xe bánh bánh dùng quay hồi chuyển chịu va chạm đột ngột mà không đổ thực 12 Chương THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 3.1 Giới thiệu Chương trình bày việc thiết kế, chế tạo mơ hình xe hai bánh tự cân dựa nguyên lý quay hồi chuyển Thiết bị sơ đồ thí nghiệm để khảo sát đặc tính hệ thống mô tả cụ thể Các thiết bị đo cách thức tiến hành thí nghiệm khảo sát động lực học mơ hình trình bày chi tiết Phần 3.2 trình bày bước thiết kế chế tạo mơ hình Các thiết bị đo kiểm, thu thập liệu sử dụng thí nghiệm trình bày phần 3.3 Phần 3.4 trình bày quy trình lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm Phần cuối chương, phần 3.5 tóm tắt kết luận 3.2 Thiết kế chế tạo Để kiểm chứng khả giữ cân quay hồi chuyển, cần thiết kế mô hình xe hai bánh tự cân bằng, dựa sở lý thuyết quay hồi chuyển trình bày chương Mơ hình xe hai bánh tự cân làm từ ý tưởng phải đơn giản, dễ chế tạo, thuận tiện lắp đặt, vận hành, hoạt động ổn định, xác Từ yêu cầu trên, thiết kế sơ mơ hình xe hai bánh tự cân gồm có:  Khung xe  Con quay hồi chuyển  Gắn động điện chiều cho quay để quay quay khung  Lắp bánh xe xe di chuyển Sơ đồ nguyên lý trình bày hình 3.1 13 Động Khung xe Con quay Bánh xe Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý xe hai bánh tự cân dùng quay hồi chuyển Trên hình 3.1, quay treo khung xe Muốn cho quay quay bên khung xe cần gắn động cho quay lắp bánh xe vào cho xe chuyển động Khi quay quay với tốc độ cao, tác động lực va chạm sinh momen lực làm khung bị xiên nên cần có lực tác dụng theo hướng ngược lại để giữ cân cho xe Vì phận xe thiết kế sau 3.2.1 Khung xe Từ ý tưởng trên, khung xe dược thiết kế nhỏ, gọn, có dạng hình chữ nhật, với hai thép V3 (có kích thước dài 668mm, rộng 30mm, dày 3mm) ghép với hai thép đặt ngang (có kích thước dài 360mm, rộng 50mm, dày 3mm) nhờ mối ghép bulong Hai bánh xe thiết kế có kích thước đường kính ngồi 97mm, gắn cứng với thép đặt ngang 3.2.2 Động Chọn động sử dụng có:    Cơng suất định mức 250W; Vận tốc 2650 v/p; Điện áp 24V 14 3.2.3 Con quay Con quay chi tiết lắp lên trục động cơ, momen quán tính quay phụ thuộc vào bán kính khối lượng Muốn tăng momen qn tính phải tăng trọng lượng tăng bán kính quay Dễ thấy tập trung khối lượng xa trục momen tăng, chế tạo quay đĩa dẹt có khối lượng tập trung vành đĩa Chọn quay có khối lượng 7.5kg, bán kính 130mm lý sau:  Phù hợp với điều kiện chế tạo, gia cơng vận hành phịng thí nghiệm  Phơi sẵn có  Phù hợp với mơ hình thí nghiệm Con quay thiết kế với đường kính ngồi 260mm, dày 30mm, hai mặt bên sấn bậc Ø = 200 mm, sâu 10mm Qui trình chế tạo quay sau: Bước 1: Chọn phơi - Đường kính phơi: Ø265mm - Chiều dày phơi: 32mm - Vật liệu: tôn Bước 2: Lắp phôi lên máy tiện vạn MA2AK Bước 3: Lắp dao lên đài gá dao Bước 4: Khỏa mặt đầu 1mm Bước 5: Sấn bậc Ø200 mm, sâu 10mm, trụ Ø25 mm Bước 6: Đảo mặt đầu, gá đồng tâm, khỏa mặt đầu 0.5 mm Bước 7: Sấn bậc Ø200 mm, sâu 10 mm, trụ Ø25 mm Bước 8: Khoan lỗ Ø7,7  0,01 15 Bước 9: Mài trịn ngồi: Làm trục gá, kẹp tốc, chống tâm hai đầu, mài láng phần trụ ngồi máy mài trịn ngồi, quẹt hai mặt đầu lần gá 3.2.3 Giá treo động Để động truyền chuyển động quay cho quay (trong mơ hình treo quay lên khung xe theo phương thẳng đứng), cần có giá treo động lên khung xe , để đảm bảo tính an tồn ổn định cho mơ hình Từ kích thước khung xe động cơ, chọn kết cấu kích thước giá treo động 3.2.4 Gối đỡ vòng bi Gối đỡ chi tiết có kết cấu đơn giản, vật liệu chế tạo gang xám, dùng để đỡ trục quay, bề mặt làm việc lỗ Gối đỡ làm việc điều kiện chịu lực tải trọng lớn Để treo giá đỡ động lên khung xe, sử dụng gối đỡ vòng bi P203, đảm bảo hệ dẫn động cứng vững 3.3 Các thiết bị đo 3.3.1 Thiết bị đo lực Lực tác động lên xe đo thiết bị Loadcell Tốc độ quay bánh đà đo đồng hồ đo tốc độ 3.3.2 Thiết bị thu thập liệu Tín hiệu đưa vào máy vi tính thu nhận liệu DAQ USB-6008 National Instruments phần mềm hiển thị dao động NI LabView Signal Express 3.0 3.4 Lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm Trước tiên, lắp động lên giá treo động cơ, lắp quay vào trục động cơ, đầu trục động đặt vào khớp tự lựa, định vị giá treo động lên khung xe hai gỗi đỡ vòng bi 16 Khi cấp nguồn nuôi, động hoạt động làm cho quay quay với tốc độ 3307 vòng/phút giữ cho xe cân Loadcell có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu thay đổi lực tác động hệ hình 3.15 Cảm biến trọng lực cố định lên bàn thí nghiệm vít định vị 3.5 Kết luận Trong chương này, mô hình xe hai bánh dọc vận hành dựa nguyên lý hoạt động quay hồi chuyển thiết kế, chế tạo vận hành thử nghiệm 17 Chương THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TƯƠNG TÁC LỰC VÀ MOMEN 4.1 Giới thiệu Trong chương trước, toán thiết kế chế tạo mơ hình xe hai bánh dọc mô tả Chương tiếp tục trình bày cách thức tiến hành thí nghiệm khảo sát đặc tính mơ hình xe hai bánh dọc Nghiên cứu thực nghiệm thực để kiểm chứng khả giữ cân cho mơ hình Tất kết mô trực tiếp từ số liệu thu thập từ hoạt động hệ Các thiết lập thử nghiệm cài đặt chương trình thử nghiệm thể phần 4.2, kết thử nghiệm số ý kiến thảo luận trình bày phần 4.3 Sự so sánh kết có từ thử nghiệm thực phần 4.4 Phần cuối cùng, phần 4.5 tóm tắt kết luận phần thực chương 4.2 Thí nghiệm mơ tả mối quan hệ momen gây lật momen hồi chuyển 4.2.1 Mơ tả thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm trình bày hình 4.1 Loadcell Bộ tiếp nhận liệu DAQ USB 6008 Bảng số liệu Bộ xử lý liệu thu NILabview 3.0 Phần mềm vẽ đồ thị Màn hình máy tính hiển thị kết Hình 4.1 Sơ đồ thu thập tín hiệu momen lật từ Load cell 18 Chương trình thử nghiệm tiến hành để xác định mối quan hệ lực momen cách treo nặng có khối lượng khác lên điều khiển Trong lần thí nghiệm, ban đầu thiết bị đo loadcell xác lập mức 2,2mV Cấp nguồn cho động hoạt động quay quay ổn định xe đạt đến trạng thái tự cân Khi treo nặng có khối lượng m lên điều khiển, lực tác dụng chuyển đổi thành tín hiệu số qua loadcell, sau kết nối với kênh đầu vào tương ứng hệ thống thu thập liệu DAQ USB6008 hiển thị hình với phần mềm hiển thị dao động NI LabView Signal Express 3.0 để theo dõi lưu vào file máy tính với tỷ lệ lấy mẫu cho tín hiệu thiết lập 20 mV 4.2.2 Kiểm chứng thiết bị thí nghiệm Sử dụng bình ắc qui 6,3V để cấp điện cho Loadcell hoạt động tín hiệu Loadcell thu nhận qua chuyển đổi tín hiệu DAQ Thí nghiệm kiểm chứng thiết bị: Lần lượt đặt vật có khối lượng khác lên Loadcell, thu tín hiệu Kết đo nhận từ Loadcell R2 = 0.999 cho thấy mơ hình phù hơp với liệu 4.2.3 Cách tiến hành thí nghiệm Trước tiên, để đảm bảo tính xác, việc thu thập số liệu cho thông số hệ thống thực ba lần lấy số liệu, sau kiểm tra chọn giá trị trung bình làm giá trị để phân tích cho thơng số Hình 4.5 minh họa cho kết thu sau tiến hành thí nghiệm 19 Hình 4.6 Đồ thị quan hệ momen gây lật momen hồi chuyển 4.2.4 Kết thí nghiệm Với giá trị khối lượng treo lên ngang, Loadcell cảm nhận, ghi lại đưa vào máy tính thơng qua phần mềm Labview cho bảng 4.2 Bảng 4.2 Quan hệ momen gây lật momen hồi chuyển m (kg) Điện áp F1(N) F2(N) M1(N.m) M2(N.m) (mV) 0.5 0.2 4.9 7.056 1.078 1.19952 0.3 9.8 10.584 2.156 1.79928 1.5 0.5 14.7 17.64 3.234 2.9988 0.6 19.6 21.168 4.312 3.59856 2.5 0.7 24.5 24.696 5.39 4.19832 0.9 29.4 31.752 6.468 5.39784 3.5 1.1 34.3 38.808 7.546 6.59736 1.2 39.2 42.336 8.624 7.19712 Thực tế thí nghiệm cho thấy momen hồi chuyển có giá trị gần momen gây lật Kết tương tự tính tốn lý thuyết trình bày chương 20 4.3 Thí nghiệm kiểm chứng va đập 4.3.1 Mơ tả thí nghiệm Thí nghiệm thực nhằm mơ khả chịu va đập xe lưu thông đường Thực tế, xảy va chạm, lực tác động Fvđn (lực va đập ngang) gây momen M (momen gây lật xe) theo phương vuông góc với đường nối hai bánh xe h Fvđn Lực va đập P F M h l O Hình 4.7 Mơ hình xe chịu va đập ngang; Hình 4.8 Sơ đồ thả vật rơi tự Momen gây lật xe (hình 4.7) tương đương với momen lật tác dụng lực xung theo phương thẳng đứng lên thành khung xe 4.3.2 Cách thức thí nghiệm Cấp nguồn cho động hoạt động, bánh đà quay ổn định với tốc độ đạt 3307 vịng/phút xe đạt đến trạng thái cân Khi giữ vật nặng có khối lượng xác định, có cao độ so với thành xe khoảng xác định (h = 400mm ) Thả vật rơi tự do, va đập vào khung xe Lực va đập gây momen lật xe cách đột ngột (xem hình 4.8) Trên ngang giá treo động có lắp cảm biến góc để đo góc xoay trục thả vật va đập 21 4.3.3 Kết thí nghiệm Với vật nặng có khối lượng khác thả rơi từ độ cao 400mm xuống khung xe, kết thu nhờ cảm biến góc xoay cảm biến trọng lưc cho Bảng 4.3 Từ kết thu , dễ thấy mơ hình xe hai bánh tự cân chịu xung va đập lớn Thực tế thí nghiệm với vật nặng có khối lượng 15kg thả từ độ cao 400mm, mơ hình chịu động va đập tới 32582.19 J mà xe khơng bị đổ 4.4 Kết luận Chương trình bày chi tiết cách thức tiến hành phân tích số liệu thí nghiệm Tím mối quan hệ momen gây lật momen xoay truc để làm sở cho toán điều khiển sau ý tưởng thiết kế mơ hình xe hai bánh tự cân chịu lực va đập lớn Việc xác định đại lượng theo cơng thức lý thuyết nói mang tính chất gần quan hệ động lực học quay phức tạp  Tương quan vị trí trục quay với momen gây lật biến đổi  Ảnh hưởng ma sát  Ảnh hưởng qn tính Do dẫn đến sai khác thực tế với mơ hình tốn lý thuyết Tạo dựng mơ hình thí nghiệm: Do điều kiện thí nghiệm chưa đủ thiết bị, nên  Có thiết bị thí nghiệm khó khăn  Cần xác lập thực nghiệm quan hệ momen điều khiển momen gây lật theo qui luật biến đổi thiết bị đo online Nói cách khác, số liệu đo phải lưu vào máy tính, sau xử lý Nếu có thiết bị đo lực động (Force sensor) thu kết xác 22  Cần có thiết bị đo momen  Cách thức tạo lực momen khó khăn Kiểm chứng quan hệ xác định momen điều khiển momen lật gần lý thuyết theo quan hệ bậc để làm sở phát triển tốn điều khiển hồn chỉnh Khẳng định tính ưu việt việc điều khiển cân dùng momen quay 23 Chương 5: KẾT LUẬN 5.1 Các kết đạt Một mơ hình xe hai bánh tự cân thiết kế, chế tạo vận hành thử nghiệm Dưới thành tựu mà nghiên cứu thực đạt được:  Thiết kế, chế tạo vận hành thành cơng mơ hình thí nghiệm để nghiên cứu khả tự cân xe hai bánh dọc;  Thiết lập thực thí nghiệm khẳng định khả chịu moment xung lật xe quan hệ momen gây lật momen hồi chuyển có tác dụng cản lật;  Xác định hướng để tiếp tục nâng cao khả giữ cân cho mơ hình dựa mối quan hệ momen gây lật momen hồi chuyển 5.2 Đề xuất nghiên cứu Trong phạm vi đề tài này, giới hạn thời gian không cho phép, nghiên cứu đưa chứng minh khả giữ cân mơ hình xe hai bánh cịn có số vấn đề cần nghiên cứu tìm hiểu sâu cho mơ hình bước Cụ thể là:  Nghiên cứu động lực học hệ cách chi tiết hơn;  Khảo sát thiết kế mạch điều khiển cân tự động;  Thử nghiệm điều kiện làm việc thực;  Chế tạo xe hai hánh tự cân 24