Tài liệu Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình xe hai bánh tự cân bằng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP MAI THỊ THU HÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 60520103 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN, 2014 Công trình được hoàn 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 này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 9 giờ 30, ngày20 tháng 4 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 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 thông 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 nguyên 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 mô hình xe hai bánh tự cân bằng: mô hình xe hai bánh ngang (Segway) và mô hình xe hai bánh dọc – thuật ngữ tiếng Anh là In-line wheels (dạng xe đạp, xe máy thông thường). Hai loại này có yêu cầu và nguyên tắc tự cân bằng khác nhau. 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 vuông góc với mặt đứng. Nói cách khác, mặt phẳng cân bằng của xe không trùng mặt phẳng đứng. Chính vì vậy, nguyên tắc đảm bảo điều kiện tự cân bằng cho hai loại xe này là hoàn toàn khác nhau. 1 Có thể nhận thấy, việc tạo ra lực/momen từ bên ngoài 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 yêu cầu này. Từ những năm 1900, Louis Brennan [1,2] đã có công trình nghiên cứu đầu tiên về tàu một ray. Theo hướng này, Schilovski [3,5] và Ferry [4] đã tiếp tuc nghiên cứu, phát triển và đưa ra một số mẫu thử nghiệm các phương án cân bằng khác nhau ở cách bố trí các trục của con quay hồi chuyển, và tốc độ quay. Tháng 9/1967 trên tạp chí "Khoa học Công nghệ", viện bảo tàng Retro [8] đã trích dẫn nhiều bài viết và công trình của Northridge và California về con quay hồi chuyển. Ngoài ra, con quay hồi chuyển còn có nhiều ứng dụng quan trọng trong việc ổn định cho phương tiện giao thông đường sắt và giao thông đường thủy [6, 7]. Mô hình toán học của xe cân bằng dùng con quay hồi chuyển đã được nghiên cứu lần đầu tiên trong công trình của Cousins [10], và gần đây hơn Gallaspy [9] sử dụng phép lấy đạo hàm trong phân tích toán học hoặc Karnopp [11] sử dụng các đồ thị quan hệ để lấy đạo hàm. Từ sau khi Count Perter Schilovski chế tạo thành công mô hình xe Gyrocar đầu tiên, do chiến tranh thế giới hầu như tất cả các tài liệu bị thất lạc, sản phẩm thì bị chôn vùi. Chính vì vậy những nghiên cứu sâu về việc giữ cân bằng cho xe hai bánh 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 công bố trong phạm vi rất hẹp, đặc biệt công nghệ này còn rất mới ở Việt Nam. Cho đến 2 nay, chưa có công bố khoa học nào ở trong nước nói về ứng dụng nguyên lý con quay hồi chuyển cho xe hai bánh dọc tự cân bằng. Đề tài “Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình xe hai bánh tự cân bằng” được thực hiện nhằm xây dựng mô 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 toán 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 ông đã dùng con lắc để chứng minh như vậy và ông đưa ra giả thuyết rằng con quay hồi chuyển đứng có thể được sử dụng như la bàn. Elmer Sperry [13-15] (xem Hình 1.4) là một trong những nhà khoa học thành công nhất. Ông đã nhận được hơn 360 bằng sáng chế trong cuộc đời của mình và góp phần không nhỏ cho sự phát triển các ngành công nghiệp nhẹ. Năm 1896 ông bắt đầu tìm hiểu về con quay hồi chuyển và đến năm 1908 ông đã được cấp bằng sáng chế cho thiết bị tạo ổn định con quay hồi chuyển cho các thiết bị di chuyển như tàu và máy bay. Trong triều đại vua Edwardian, tháng 8 năm 1907, tại Lon đon, Louis Brennan [2] đã trưng bày mô hình tàu một ray mới. Mô hình đã kích động trí tưởng tượng của những người tham dự về nguyên lý tự cân bằng của nó đồng thời thu hút được sự quan tâm rất 3 lớn. Sự ra đời của chiếc tàu một ray độc đáo của Brennen đã được đăng ngay lên tất cả các tờ báo hàng đầu thế giới. Năm 1910, tại triển lãm Nhật – Anh diễn ra tại London tàu một ray của Brennan đã ra mắt công chúng. Tuy chiếc tàu này chỉ có hai bánh nhưng khi tàu chưa chuyển động người ta có thể lên, xuống tàu mà ko bị đổ. 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 mô hình xe Gyrocar đã đươc Count Peter Schilovski chế tạo, thử nghiệm thành công và lấy tên là Schilovski Gyrocar [3,5]. Đầu năm 2014, tại triển lãm công 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 hoàn hảo giữa tính tiện nghi của ô tô 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 không 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 chắn và được thiết kế với mui như xe ô tô, cũng được điều khiển bằng vô-lăng, ga và phanh thông qua bàn đạp chân. 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 thông. Điểm đặc biệt nhất ở xe hai bánh tự cân bằng là khả năng tự cân bằng dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển, vì vậy dù địa hình có gập ghềnh ra sao, xe cũng luôn luôn an toàn, kể cả khi bị xô ngang (va chạm) với các vật thể/phương tiện khác. Do vậy đây là một phương tiện vận chuyển 4 mới tại các thành phố trong tương lai với nhiều ưu điểm: gọn, nhẹ, ít chiếm diện tích đường phố, dễ điều khiển và an toàn. 1.3. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của đề tài này là chủ động công nghệ nhằm thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô 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 mô hình thử nghiệm khả năng cân bằng dùng con quay hồi chuyển; 2. Đánh giá khả năng cân bằng khi không 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 lật. 1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 1.4.1. Nội dung nghiên cứu 1. Khảo sát, phân tích các nguyên tắc cân bằng nhờ con quay hồi chuyển. 2. Thiết kế, chế tạo mô 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 mô 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. 5  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 không đổ. Ý tưởng xe hai bánh chịu va đập đột ngột không bị lật đổ là có thể thực hiện được. 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 mô 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 mô hình thử nghiệm được trình bày chi tiết trong chương 3. Ở đó, sơ đồ nguyên lý, mô 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 mô tả. Trong chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm, đánh giá khả năng tự cân bằng của xe. Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong chương 5. 6 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÙNG CON QUAY HỒI CHUYỂN 2.1. Giới thiệu Chương này giới thiệu chung về cấu tạo, phân tích nguyên lý làm việc và ứng dụng của con quay hồi chuyển. Đề xuất mô hình xe hai bánh tự cân bằng. Phần 2.2 tiếp theo trình bày cơ sở lý thuyết cân bằng dùng con quay hồi chuyển. Đặc tính động lực học con quay hồi chuyển được trình bày trong phần 2.3. Phần 2.4 trình bày các mô hình con quay làm cơ sở đề xuất mô hình thử nghiệm khả năng tự cân bằng của xe. Ứng dụng của con quay hồi chuyển được trình bày trong phần 2.5. Các kết luận chính được trình bày trong phần cuối cùng, phần 2.6. 2.2. Cơ sở lý thuyết cân bằng dùng con quay hồi chuyển 2.2.1. Con quay hồi chuyển Con quay nói chung có hình dạng đối xứng, quay quanh một điểm cố định và nó có thể chuyển động tự do trong không gian. 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 nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Thực chất, con quay cơ học là một bánh xe hay đĩa quay với trục quay tự do theo mọi hướng. 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 mô-men xoắn, hoặc một lực vào trục quay, trục sẽ không chuyển động theo hướng mô-men xoắn mà sẽ di chuyển theo hướng vuông góc với nó. Trong kỹ thuật, con quay hồi chuyển thường là một bánh đà dạng đĩa dẹt có khối lượng tập trung ngoài vành đĩa. Để truyền 7 chuyển động cho con quay, lực quay được tạo bởi trục roto của động cơ điện xoay chiều hoặc động cơ điện một chiều có tốc độ cao. 2.2.2. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của con quay hồi chuyển dựa trên nguyên tắc bảo toàn momen động lượng. Xét một con quay có khối lượng m, quay với vận tốc góc  quanh một trục cố định. z y 2 O  mg A L x F Hình 2.1. Nguyên lý hoạt động của con quay Trên Hình 2.1, một con quay được gắn vào một trục quay, một đầu của trục được đặt trên đỉnh O của một cái giá đỡ sao cho trục này có thể quay tự do xung quanh giá đỡ. Chọn một hệ toạ độ gốc ở O, trục Oz thẳng đứng, còn mặt phẳng xOy nằm ngang, trục của con quay cũng nằm ngang, dọc theo trục Ox. Giả sử con quay quanh nhanh thì nó sẽ không đổ xuống mà cùng với cán trục quay xung quanh trục z đi qua giá đỡ. Sự quay này của cả trục và con quay được gọi là sự tiến động. Nếu tác động một lực F hướng xuống tại điểm A thì momen động lượng L hướng ra theo hướng trục quay, vuông góc với lực F. Con quay sẽ quay với vận tốc góc và vân tốc tiến động . 8 Do vậy, nếu con quay quay chậm lại (ví dụ như ảnh hưởng của ma sát), momen động lượng của nó sẽ giảm và dẫn đến vận tốc tiến động tăng. Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi thiết bị không thể quay đủ nhanh để chịu được sức nặng của nó, thì nó sẽ dừng lại và rơi xuống. 2.3. Đặc tính động lực học của con quay hồi chuyển Việc nghiên cứu chuyển động của con quay hồi chuyển cho biết đặc tính động lực học của con quay. (Quan hệ động lực học dùng nguyên lý con quay hồi chuyển được tham khảo từ tài liệu [20]). Minh họa một con quay hồi chuyển đơn giản như hình 2.2 dưới đây. Con quay Lcq 1 z  G Lo P Fo O y l x Hình 2.2. Sơ đồ minh họa con quay hồi chuyển [20] Hình 2.2 là một con quay hồi chuyển đơn giản gồm một con quay (có dạng hình đĩa dẹt) gắn vào một cái cán làm trục quay của 9 con quay. Đầu O của trục được đặt trên đỉnh của một cái giá đỡ sao cho trục này có thể quay tự do xung quanh giá đỡ. Nếu con quay không quay thì khi buông ra, dưới tác dụng của momen ngoại lực con quay sẽ rơi xuống. Còn nếu con quay quay nhanh thì con quay không đổ xuống mà cùng với cán trục quay xung quanh trục thẳng đứng đi qua giá đỡ. Khi đó con quay (có bán kính r) quay với vận tốc quay riêng là , nó chuyển động quanh gốc O với vận tốc tiến động là  (với góc tiến động θ không đổi). Khi đó momen động học toàn phần của hệ có giá trị gần bằng momen con quay. Momen con quay được xác định theo công thức: 1 1 M x   mr 212 sin   mr 2 1  2 cos   2 sin  4 4 2.4. Mô hình và đặc điểm các cơ cấu Từ những năm 1900 đến nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu về con quay hồi chuyển và sử dụng con quay hồi chuyển để thiết kế xe hai bánh tự cân bằng. Trong đó có mô hình sử dụng một con quay và mô hình sử dụng hai con quay. Các mô hình này có đặc điểm như sau: Mô hình sử dụng một con có đặc điểm:  Mô hình này gồm một con quay gắn trên khung, để cho con quay có thể quay được trong khung thì cần sử dụng một động cơ có tốc độ quay cao.  Thiết kế đơn giản, nhỏ gọn.  Có khung con quay để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng. Mô hình sử dụng 2 con quay có đặc điểm:  Tạo ra lực tiến động lớn. 10  Thiết kế phức tạp hơn, do sử dụng hai con quay nên cần thêm động cơ, dẫn đến tăng trọng lượng, tăng chi phí và gây ồn hơn.  Để điều khiển các con quay cần dùng đến thuật toán điều khiển phức tạp hơn Qua việc phân tích đặc điểm các mô hình, cho thấy mô hình một con quay có kết cấu đơn giàn, nhỏ gọn hơn và điều khiển cũng đơn giản hơn mô hình dùng hai con quay hồi chuyển. Vì vậy đã có một số nhóm sinh viên trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã làm nhưng tính ổn định của cơ hệ chưa cao. Qua thực tế thử nghiệm các mô hình, cho thấy mô hình một con quay trục đứng đạt tính ổn định cao hơn. Vì vậy trong luận văn này sẽ thử nghiệm khả năng chịu momen lật và momen chống lật của xe sử dụng một con quay hồi chuyển trục đứng. 2.5. Ứng dụng của con quay hồi chuyển Con quay hồi chuyển thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm vật lý của các trường học và các viện nghiên cứu kỹ thuật. Con quay hồi chuyển được dùng với gia tốc kế trong các thiết bị di động hiện đại ngày nay, đặc biệt là điện thoại thông minh và máy tính bảng. Con quay hồi chuyển hoạt động dựa trên các nguyên lý bảo toàn momen động lượng nên phương của trục con quay không đổi trong không gian. Tính chất này được dùng để xác định phương hướng. Trong các tàu biển, con quay hồi chuyển được dùng trong các hệ thống định vị hướng, giống như một la bàn. Do có độ chính xác cao nên con quay hồi chuyển cũng được dùng để định hướng trong khai thác mỏ, hầm lò. Ngoài ra con quay hồi chuyển còn có ứng dụng quan trong trong việc giữ cân bằng cho các xe hai bánh và ổn định cho tàu thuyền. Đến nay, đã có nhiều công bố khoa học [1,17], các doanh nghiệp [Gyrobike, Lit Motor] quan tâm cả về lý thuyết lẫn thực 11 nghiệm, triển khai ý tưởng cân bằng cho xe hai bánh dọc và tàu thuyền. Đầu năm 2014, xe Lit Motor được mang đi biểu diễn đã gây sức thu hút lớn do tính tiện lợi của nó. Hãng Gyrobike đã cho ra đời sản phẩm bánh xe tự cân bằng mang tên GYROWHEEL. Với loại bánh xe mới này, trẻ em sẽ an toàn hơn, sẽ làm quen với xe đạp nhanh hơn và cũng đỡ chiếm diện tích vì không có các bánh xe phụ. GYROWHEEL được gắn vào bánh trước để thay thế các bánh xe thông thường, nhằm tạo ra sự cân bằng cao nhất cho cả chiếc xe khi trẻ em bắt đầu những bước làm quen. 2.6. Kết luận Chương này trình bày cơ sở lý thuyết dùng con quay hồi chuyển và đặc tính động lực học của con quay hồi chuyển. Qua đó thấy, nếu tác dụng một momen lực lên trục con quay khi con quay đang quay với vận tốc quay riêng 1 thì sẽ làm cho con quay hồi chuyển tiến động với vận tốc tiến động 2, momen được sinh ra ở trục thứ ba, vuông góc với cả mô-men xoắn và trục quay, như vậy theo lý thuyết, để giữ cho con quay cân bằng thì momen con quay có giá trị gần bằng giá trị momen ngoại lực tác dụng lên con quay. Giả sử một xe hai bánh đang chuyển động, nếu tác dụng một lực va chạm ngang làm xe có xu hướng mất cân bằng. Khi đó rất khó để có thể tác dụng một lực theo phương ngược lại để giữ cân bằng cho xe. Vì vậy cần phải tạo ra một momen lực vuông góc với lực tác dụng (lực gây lật) để giữ cân bằng cho xe. Quan hệ động lực học giữa momen gây lật và momen cản lật của con quay rất phức tạp nhưng việc xác định mối quan hệ này lại rất quan trọng vì nó làm cơ sở cho bài toán điều khiển sau này. Ý tưởng xây dựng một mô hình xe bánh bánh dùng con quay hồi chuyển chịu va chạm đột ngột mà không đổ là có thể thực hiện được. 12 Chương 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 3.1. Giới thiệu Chương này trình bày về việc thiết kế, chế tạo mô hình xe hai bánh tự cân bằng dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển. Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm để khảo sát các đặc tính của hệ thống sẽ được mô tả cụ thể. Các thiết bị đo và cách thức tiến hành thí nghiệm khảo sát động lực học của mô hình cũng được trình bày chi tiết. Phần 3.2 sẽ trình bày về các bước thiết kế và chế tạo mô hình. Các thiết bị đo kiểm, thu thập dữ liệu được sử dụng trong thí nghiệm sẽ được trình bày trong phần 3.3. Phần 3.4 trình bày quy trình lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm. Phần cuối cùng của chương, phần 3.5 sẽ tóm tắt các kết luận chính. 3.2. Thiết kế và chế tạo Để kiểm chứng khả năng giữ cân bằng của con quay hồi chuyển, cần thiết kế một mô hình xe hai bánh tự cân bằng, dựa trên cơ sở lý thuyết về con quay hồi chuyển đã trình bày ở chương 2. Mô hình xe hai bánh tự cân bằng được làm từ ý tưởng trên phải đơn giản, dễ chế tạo, thuận tiện khi lắp đặt, vận hành, hoạt động ổn định, chính xác. Từ yêu cầu trên, thiết kế sơ bộ một mô hình xe hai bánh tự cân bằng gồm có:  Khung xe.  Con quay hồi chuyển.  Gắn động cơ điện một chiều cho con quay để con quay có thể quay trong khung.  Lắp bánh xe để cho xe di chuyển. Sơ đồ nguyên lý được trình bày trên hình 3.1 13 Động cơ Khung xe Con quay Bánh xe Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của xe hai bánh tự cân bằng dùng con quay hồi chuyển. Trên hình 3.1, con quay được treo trên khung xe. Muốn cho con quay quay bên trong khung xe cần gắn một động cơ cho con quay và lắp bánh xe vào cho xe chuyển động. Khi con quay quay với tốc độ rất cao, nếu tác động một lực va chạm sẽ sinh ra một momen lực làm khung bị xiên đi nên cần có một lực tác dụng theo hướng ngược lại để giữ cân bằng cho xe. Vì vậy các bộ phận chính của xe được thiết kế như sau. 3.2.1. Khung xe Từ ý tưởng trên, khung xe dược thiết kế nhỏ, gọn, có dạng hình chữ nhật, với hai thanh thép V3 (có kích thước dài 668mm, rộng 30mm, dày 3mm) ghép với hai thanh thép đặt ngang (có kích thước dài 360mm, rộng 50mm, dày 3mm) nhờ mối ghép bulong. Hai bánh xe được thiết kế có kích thước đường kính ngoài 97mm, được gắn cứng với thanh thép đặt ngang. 3.2.2. Động cơ Chọn động cơ sử dụng có:    Công suất định mức là 250W; Vận tốc 2650 v/p; Điện áp 24V 14 3.2.3. Con quay Con quay là chi tiết được lắp lên trục động cơ, momen quán tính của con quay phụ thuộc vào bán kính và khối lượng. Muốn tăng momen quán tính thì phải tăng trọng lượng hoặc tăng bán kính con quay. Dễ thấy nếu tập trung khối lượng càng xa trục thì momen càng tăng, do vậy chế tạo con quay như một cái đĩa dẹt có khối lượng tập trung ở vành đĩa. Chọn con quay có khối lượng là 7.5kg, bán kính là 130mm vì lý do sau:  Phù hợp với điều kiện chế tạo, gia công và vận hành trong phòng thí nghiệm.  Phôi sẵn có.  Phù hợp với mô hình thí nghiệm Con quay được thiết kế với đường kính ngoài là 260mm, dày 30mm, hai mặt bên được sấn bậc Ø = 200 mm, sâu 10mm . Qui trình chế tạo con quay như sau: Bước 1: Chọn phôi - Đường kính phôi: Ø265mm. - Chiều dày phôi: 32mm. - Vật liệu: tôn Bước 2: Lắp phôi lên máy tiện vạn năng MA2AK. Bước 3: Lắp dao lên đài gá dao Bước 4: Khỏa mặt đầu 1mm Bước 5: Sấn bậc Ø200 mm, sâu 10mm, trụ trong 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 trong Ø25 mm Bước 8: Khoan lỗ Ø7,7  0,01 15 Bước 9: Mài tròn ngoài: Làm trục gá, kẹp tốc, chống tâm hai đầu, mài láng phần trụ ngoài trên máy mài tròn ngoài, quẹt hai mặt đầu trên cùng một lần gá. 3.2.3. Giá treo động cơ. Để động cơ có thể truyền chuyển động quay cho con quay (trong mô hình treo con quay lên khung xe theo phương thẳng đứng), cần có một giá treo động cơ lên khung xe , để đảm bảo tính an toàn và ổn định cho mô hình. Từ kích thước của khung xe và động cơ, chọn kết cấu và kích thước giá treo động cơ 3.2.4. Gối đỡ vòng bi Gối đỡ là chi tiết có kết cấu đơn giản, vật liệu chế tạo là gang xám, dùng để đỡ các trục quay, bề mặt làm việc là các lỗ. Gối đỡ làm việc trong điều kiện chịu lực và tải trọng khá lớn. Để treo giá đỡ động cơ lên khung xe, sử dụng 2 gối đỡ vòng bi P203, đảm bảo hệ dẫn động được cứng vững. 3.3. Các thiết bị đo 3.3.1 Thiết bị đo lực Lực tác động lên xe được đo bằng thiết bị Loadcell Tốc độ quay của bánh đà được đo bằng đồng hồ đo tốc độ 3.3.2 Thiết bị thu thập dữ liệu Tín hiệu được đưa vào máy vi tính bằng bộ thu nhận dữ liệu DAQ USB-6008 của National Instruments và 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 cơ lên giá treo động cơ, lắp con quay vào trục động cơ, đầu dưới của trục động cơ được đặt vào một khớp tự lựa, định vị giá treo động cơ lên khung xe bằng hai gỗi đỡ vòng bi. 16 Khi cấp nguồn nuôi, động cơ hoạt động làm cho con quay quay với tốc độ 3307 vòng/phút và giữ cho xe cân bằng. Loadcell có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu về sự thay đổi lực tác động cơ hệ như hình 3.15. Cảm biến trọng lực sẽ được cố định lên bàn thí nghiệm bằng vít định vị. 3.5. Kết luận Trong chương này, một mô hình xe hai bánh dọc vận hành dựa trên nguyên lý hoạt động của con quay hồi chuyển đã được thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm. 17 Chương 4. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TƯƠNG TÁC LỰC VÀ MOMEN 4.1. Giới thiệu. Trong chương trước, bài toán thiết kế và chế tạo một mô hình xe hai bánh dọc đã được mô tả. Chương này sẽ tiếp tục trình bày cách thức tiến hành thí nghiệm và khảo sát các đặc tính của mô hình xe hai bánh dọc. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện để kiểm chứng khả năng giữ cân bằng cho mô hình. Tất cả các kết quả được mô phỏng trực tiếp từ số liệu đã thu thập từ các hoạt động của cơ hệ. Các thiết lập thử nghiệm và cài đặt chương trình thử nghiệm sẽ được thể hiện trong phần 4.2, tiếp theo các kết quả thử nghiệm và một số những ý kiến thảo luận được trình bày trong phần 4.3. Sự so sánh giữa các kết quả có được từ các thử nghiệm sẽ được thực hiện trong phần 4.4. Phần cuối cùng, phần 4.5 sẽ là tóm tắt các kết luận chính phần thực hiện của chương. 4.2. Thí nghiệm mô tả mối quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển 4.2.1. Mô tả thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm được trình bày trên hình 4.1. Loadcell Bộ tiếp nhận dữ liệu DAQ USB 6008 Bảng số liệu Bộ xử lý dữ liệu thu được NILabview 3.0 Phần mềm vẽ đồ thị Màn hình máy tính hiển thị kết quả Hình 4.1. Sơ đồ thu thập tín hiệu momen lật từ Load cell 18