Nghiên cứu, tính toán hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển trong phương tiện hai bánh

LỜI NÓI ĐẦU Để giữ thăng bằng cho các phương tiện di chuyển hai bánh như: xe máy, xe đạp điện, xe lửa chạy trên một ray, thì hệ thống cân bằng cần phải sinh ra một mô men cân bằng có chi

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢN BIỂU 5

LỜI CẢM ƠN 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

Chương I : TỔNG QUAN VỀ CON QUAY HỒI CHUYỂN 1 Lực con quay hồi chuyển 9

2 Các mẫu sử dụng con quay hồi chuyển 11

2.1 Phương tiện di chuyển hai bánh và một con quay hồi chuyển dạng lỏng 12

2.2 Phương tiện di chuyển một bánh và một con quay hồi chuyển 13

2.3 Phương tiện di chuyển hai bánh và sử dụng con quay hồi chuyển 17

2.3.1 Xe lửa một đường ray và sử dụng con quay hồi chuyển 20

2.3.2 Xe ô tô hai bánh và sử dụng hệ thống con quay hồi chuyển 24

2.3.3 Xe điên hai bánh sử dụng hệ thống con quay hồi chuyển 29

Chương 2: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN 1 Mô hình động học xe 2 bánh sử dụng hệ thống 2 con quay hồi chuyển 33

2 Tính toán động lực học 36

3 Tuyến tính hóa phương trình vi phân chuyển động 39

4 Tính toán động lực học cho trường hợp xe đứng yên 41

5 Tuyến tính hóa cho trường hợp xe đứng yên 43

Chương 3: THIẾT KẾ XE ĐẠP ĐIỆN SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN 1 Thiết kế mô hình xe đạp điện sử dụng hệ thống hai con quay hồi chuyển 46

2 Mô phỏng cân bằng của mô hình trên Matlab 58

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1 Kết luận 72

2 Định hướng phát triển 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 75

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 : Mô hình con quay cổ điển 10

Hình 1.2 : Chuyển động của con quay cơ học cổ điển 11

Hình 1.3 : Mô hình con quay hồi chuyển dạng lỏng 12

Hình 1.4 : Mô hình xe 1 bánh sử dụng 1 con quay hồi chuyển 13

Hình 1.5: Cấu tạo xe Gyrover 14

Hình 1.6: Nguyên lý hoạt động của Gyrover 15

Hình 1.7 : Mô hình Gyrover 15

Hình 1.8 : Mô hình Gyrover hoàn thiện 16

Hình 1.9 : Mô hình xe hai bánh sử dụng 1 con quay hồi chuyển 17

Hình 1.10 : Mô hình xe 2 bánh sử dụng 2 con quay hồi chuyển 19

Hình 1.11 : Louis Brennan và chiếc xe monorail đầu tiên 20

Hình 1.12: Xe lửa một bánh của Scherl 21

Hình 1.13: Nguyên tắc cơ bản của hoạt động con quay hồi chuyển nằm đứng 22

Hình 1.14: Liên kết bánh răng cho hai con quay hồi chuyển ngược chiều 23

Hình 1.15: Mô hình tương lai cho xe lửa 1 đường ray 23

Hình 1.16: Xe Gyrocar do Schilovski nghiên cứu chế tạo 24

Hình 1.17: Gyrocar trước khi được lắp vỏ ngoài 25

Hình 1.18: Hình chiếu đứng của Gyrocar 26

Hình 1.19: Hình chiếu cạnh của Gyrocar 26

Hình 1.20: Hình chiếu bằng của Gyrocar 27

Hình 1.21: Hệ thống con quay hồi chuyển trong Gyrocar 27

Hình 1.22: Xe Gyrocar được khôi phục đưa vào bảo tàng của công ty Wolseley 28

Hình 1.23: Bản phác họa Lit Motors 29

Hình 1.24: Nguyên mẫu Lit Motors và người sáng lập 30

Hình 1.25: Khung xe nguyên mẫu Lit Motors 31

Hình 1.26: Hệ thống con quay hồi chuyển trong Lit Motors 31

Hình 1.27: Xe Lit Motors C-1 khi đưa vào thương mại 32

Hình 2.1: Hình chiếu cạnh 34

Hình 2.2: Hình chiếu đứng (phía sau) 35

Hình 3.1 : Thiết kế mô hình xe đạp điện 46

Hình 3.2: Hình chiếu bằng mô hình 47

Hình 3.3: Hình chiếu đứng mô hình 47

Hình 3.4: Hình chiếu cạnh mô hình 48

Hình 3.5: Hình tổng thể mô hình 48

Hình 3.6: Bản vẽ mô hình xe trên CAD 49

Hình 3.7: Modul con quay hồi chuyển 50

Hình 3.8: Hình chiếu bằng modul con quay hồi chuyển 51

Hình 3.9: Hình chiếu cạnh modul con quay hồi chuyển 51

Hình 3.10: Bản vẽ hệ thống con quay hồi chuyển tổng thể 52

Hình 3.11: Bản vẽ modul con quay hồi chuyển trên CAD 53

Hình 3.12: Động cơ quay bánh đà 54

Hình 3.13: Mô hình động cơ và bành đà con quay hồi chuyển 54

Hình 3.14: Bản vẽ bánh đà 2D 55

Hình 3.15: Khung con quay hồi chuyển 56

Hình 3.16: Khung tổng thể con quay hồi chuyển 56

Hình 3.17: Bản vẽ khung con quay bánh đà 2D 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Biểu đồ 3.1: Biểu đồ ổn định khi K thay đổi và C,K thỏa mãn 61

Biểu đồ 3.2: Biểu đồ ổn định khi K thay đổi và C và K thỏa mãn 64

Biểu đồ 3.3: Biểu đồ ổn định khi C thay đổi và K và K thỏa mãn 68

Biểu đồ 3.4: Biểu đồ ổn định khi C, K và K đều thỏa mãn 70

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể học viên lớp CĐT2011B, các thầy giáo

và tập thể các cán bộ Viện đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện và ủng hộ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu trong hai năm vừa qua

Cuối cùng , tôi xin dành tất cả lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, những người luôn ở bên cạnh và động viên tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Hà nội, ngày 26 tháng 3 năm 2014

NGÔ ĐỨC ANH

LỜI NÓI ĐẦU

Để giữ thăng bằng cho các phương tiện di chuyển hai bánh như: xe máy, xe đạp điện, xe lửa chạy trên một ray, thì hệ thống cân bằng cần phải sinh ra một mô men cân bằng có chiều ngược với mô men mất cân bằng sinh ra khi xe chạy trên đường Đối với một phương tiện hai bánh thông thường thì việc giữ thăng bằng này là do người điều khiển, tuy nhiên khi phương tiện dừng thì việc giữ thăng bằng là rất khó Bài luận văn này muốn ứng dụng nguyên lý cân bằng của lực con quay hồi chuyển để giữ thăng bằng cho phương tiện hai bánh khi dừng tạm thời

Năng lượng một con quay hồi chuyển tiêu hao khi giữ thăng bằng cho xe là năng lượng quay của con quay hồi chuyển và năng lượng để triệt tiêu được mô men gây ra chuyển động tiến động Khi có ngoại lực gây mất cân bằng cho chiếc xe và làm nghiêng thân xe, lúc đó một chuyển động tiến động sẽ hình thành, nó tác động vào khung của con quay hồi chuyển, kết quả là sẽ làm cho phương tiện dao động nghiêng quanh vị trí cân bằng theo chiều ngang thân xe và làm cho xe thăng bằng trở lại Tại thời điểm chuyển động tiến động tác động dọc theo thân xe thì ta sẽ tác động lực để triệt tiêu chuyển động tiến động này Như thế xe sẽ được giữ thăng bằng với mô men giữ là mô men được sinh ra từ con quay hồi chuyển, mô men này vuông góc với trục quay của con quay hồi chuyển

Nội dung nghiên cứu trong luận văn này là “ Nghiên cứu, tính toán hệ thống cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển trong phương tiện di chuyển hai bánh “ Tính toán cho trường hợp riêng khi xe đứng yên và đưa ra biểu đồ ổn định dao động

cho mô hình xe đạp điện trên SolidWork

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục, tài liệu tham khảo luận văn gồm 3 chương :

- Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ CON QUAY HỒI CHUYỂN

- Chương 2 : TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN

- Chương 3 : THIẾT KẾ XE ĐẠP ĐIỆN SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN

Tuy nhiên do thời gian có hạn nên bản luận văn chưa thể đề cập hết đến các vấn

đề liên quan và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và các ý kiến đóng góp để tôi có thêm kiến thức quý báu cho những công việc tương lai

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CON QUAY HỒI CHUYỂN

Vấn đề theo dõi hồi chuyển phương tiện đi lại không ổn được quan tâm đầu tiên vào năm 1905 bởi Louis Brennan Những phần mở rộng sau đó đã được phát triển, bao gồm cả công việc của Shilovskii, và một số nguyên mẫu đã được xây dựng Sự khác biệt trong các đề án khác nhau nằm trong số các con quay hồi chuyển được sử dụng, hướng của các trục quay tương đối so với mặt đường, và phương pháp được sử dụng để tạo ra sự tiến động của trục quay Bảo tàng trực tuyến của Retro Technology trích dẫn nhiều bài báo và các ví dụ về gyrocars, bao gồm một khái niệm Ford Gyrocar được gọi

là Gyron và một khái niệm từ Gyro Transport Systems của Northridge trên trang bìa tháng 9, năm 1967 phát hành bởi tạp chí ”Science and Mechanics”

Bằng các cách khác nhau mà chúng ta rút ra được các phương trình chuyển động bằng cách sử dụng phương trình Lagrange loại II và tuyến tính hóa, ổn định chúng quanh vị trí cân bằng để tìm ra các hệ số đầu vào của hệ thống

Vấn đề cần thực hiện là để ổn định một xe hai bánh có tải không ổn định Trong thiết kế xe hai bánh, yếu tố gây bất ổn đã được chống lại bởi một con quay hồi chuyển, được truyền động bởi một động cơ Các con quay hồi chuyển được sử dụng như một thiết bị truyền động, không phải là một cảm biến, bằng cách sử dụng ảnh hưởng của sự tiến động tạo ra bởi khung con quay hồi chuyển

1 Lực con quay hồi chuyển

Theo định nghĩa vật lí, 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 các trục quay tự do theo mọi hướng Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cần mô men động lượng lớn

Vì mô men xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng

(gimbal), hướng của nó duy trì gần như cố định, bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên.”

Hình 1.1 : Mô hình con quay cổ điển

Thuật ngữ gyroscope lần đầu tiên được đưa ra bởi nhà khoa học người Pháp, Leon Foucault, được ghép từ ngôn ngữ Hy Lạp, theo đó “Gyro” trong nghĩa là “quay tròn”, và “skopien” có nghĩa là “quan sát” Khi đó, Foucault đã áp dụng định luật chuyển động quay của gyrosopes để giải thích chuyển động quay của trái đất vào năm

1852

Trong cấu trúc con quay cơ học cổ điển người ta sử dụng một đĩa quay có khối lượng với trục quay xuyên tâm và luôn có hướng cố định, được liên kết với khung quay bên ngoài bởi các khớp quay Khi gắn vào một chuyển động quay với vận tốc , cấu trúc này sẽ bị nghiêng đi 1 góc, sinh ra một mô men động lượng nhờ mô men quán tính lớn của khung, chống lại các mô men quán tính bên ngoài Vì thế, đĩa quay luôn được duy trì theo phương trục quay cố định ban đầu

Hình 1.2 : Chuyển động của con quay cơ học cổ điển

Hiện nay người ta chủ yếu ứng dụng con quay hồi chuyển vào mục đích đo vận tốc, gia tốc, xác định phương hướng và chuyển dần sang các con quay hồi chuyển vi

cơ Nhưng cũng có một số nghiên cứu đi sâu về ứng dụng lực sinh ra do tiến động của con quay hồi chuyển

2 Các mẫu sử dụng lực con quay hồi chuyển

Một phương tiện di chuyển hai bánh dĩ nhiên là không ổn định và đòi hỏi một lực lượng bên ngoài để tạo sự cân bằng Một thiết bị hồi chuyển có thể được sử dụng

để cung cấp một lực chống lại lực hấp dẫn và để cân bằng sự mất ổn định của xe Cơ chế cân bằng này phải có khả năng làm việc như sau: biết được sự mất cân bằng, đưa thông tin này đến một bộ điều khiển và truyền một lực cần thiết để cân bằng hệ thống Chúng ta xem xét bốn mẫu và đáp ứng được các yêu cầu nói trên Các mẫu như sau: một con quay hồi chuyển đơn và một bánh xe, hai bánh xe sử dụng con quay hồi chuyển cơ, hai bánh xe một con quay hồi chuyển dạng lỏng

2.1 Phương tiện di chuyển hai bánh và 1 con quay hồi chuyển dạng lỏng:

Mẫu này sử dụng một chất lỏng quay bên trong một ống tròn để tạo ra các động lượng góc cần thiết cho tiến động của lực đẩy Một máy bơm sẽ bơm nước với tốc độ cao Một động cơ riêng biệt làm nghiêng lực tiến độngcủa con quay hồi chuyển

Lý do của thiết kế này là để loại bỏ các nguy hiểm tiềm tàng quay bánh đà và thay thế bằng một cái gì đó ít có khả năng gây mất ổn định

Hình 1.3 : Mô hình con quay hồi chuyển dạng lỏng

Khi phân tích kỹ hơn, chúng ta thấy rằng mẫu này còn thiếu trong một số lĩnh vực Mẫu này có tiềm năng trở thành mẫu nhỏ gọn hơn so với bất kỳ thiết kế bánh đà khác vì khả năng đặt các thành phần bên trong Trên một thiết kế bánh đà, không gian bên trong khối lượng chính của bánh đà có giới hạn bởi vì các cấu trúc hỗ trợ cần thiết như nan hoa bánh xe hoặc thậm chí một đĩa mỏng Một con quay hồi chuyển lỏng chỉ cần hỗ trợ các đường ống , do đó diện tích bên trong có sẵn cho vị trí linh kiện

Sau khi kiểm tra kĩ hơn, năng lượng cần thiết để tạo ra đầy đủ động lượng là quá cao Điều này sẽ không thể chấp nhận được với mô hình hiện hành, năng lượng lớn, và

động cơ khởi động lớn Cuối cùng, phần bảo vệ chất lỏng hoạt động là một vấn đề khó giải quyết, nó sẽ làm tổn hại đến các thiết bị điện tử và ổn định cân bằng nếu có sự rò rỉ của chất lỏng

2.2 Phương tiện di chuyển một bánh và 1 con quay hồi chuyển:

Phương tiện di chuyển một bánh tự cân bằng là một hệ thống con quay hồi chuyển ổn định hệ thống được đặt bên trong một bánh xe Hệ thống bao gồm các đối trọng sau, một con quay hồi chuyển, và động cơ cho cả con quay hồi chuyển cùng với bánh xe bên ngoài

Về tổng thể thì mẫu này nhỏ gọn, tất cả các thành phần đều nhỏ nhất có thể do không gian của mẫu này nhỏ nên sẽ dễ ổn định thăng bằng hơn Mẫu này cũng thể hiện

sự đối xứng về trục nghiêng,là một yếu tố quan trọng trong ổn định hồi chuyển

Hình 1.4 : Mô hình xe 1 bánh sử dụng 1 con quay hồi chuyển

Gyrover đã được phát triển trong trường đại học Carnegie Mellon là một bánh

xe đơn với con quay hồi chuyển ổn định tự động di chuyển, một con lắc bên trong như

là một đối trọng cho một động cơ phía, trong khi một cơ chế nghiêng trong con quay hồi chuyển cung cấp một cơ chế truyền động bên

Gyrover bao gồm 4 cơ quan chính thông qua một trong ba mức độ tự do của động học chuỗi: bánh xe, con lắc, các cơ chế độ nghiêng và hệ thống con quay hồi

chuyển Nó bao gồm một vành và hai lốp xe cao su mang trục quay Trục quay vòng quanh này là thành phần chính của Gyrover, nó dược gọi là con lắc

Hình 1.5: Cấu tạo xe Gyrover

Trong đó : Wheel: bánh xe; Dome:vành; Computer& sensors: mạch điều khiển & cảm biến; Pendulum: con lắc; Gyro: con quay hồi chuyển; Battery: pin; Axle & Hub: trục

và tâm; Tilt motor & Gyro housing: động cơ nghiêng và khung con quay; Driver

motor: động cơ lái; Pulley: puli; Torque Limiter: giới hạn mô men xoắn;Antenna: ăng ten; Potentionmeter: triết áp

Hình 1.6: Nguyên lý hoạt động của Gyrover

Khi bánh xe bắt đầu nghiêng, các cảm biến phát hiện chuyển động và kích hoạt các đòn bẩy làm con lắc chuyển sang hướng ngược lại để thay đổi góc nghiêng của bánh xe

Trường đại học Florida cũng đã nghiên cứu về gyorobot này và đưa ra thiết kế tương đối đầy đủ và chính xác cho mô hình :

Hình 1.7 : Mô hình Gyrover

Mô hình này khá phức tạp cả về mặt thiết kế, chế tạo và điều khiển chúng chủ yếu được sử dụng vào mục đích nghiên cứu

Do các hạn chế về không gian phía bên trong bánh nên khó khăn trong việc sắp xếp các modul

Rất khó để có thể chế tạo, điều khiển và để mang tải trên nó vì các đặc tính kỹ thuật của chúng

Hình 1.8 : Mô hình Gyrover hoàn thiện

2.3 Phương tiện di chuyển hai bánh sử dụng con quay hồi chuyển:

Mẫu này bao gồm một đế, hai bánh xe, một con quay hồi chuyển, động cơ dẫn động một bánh đà, khớp vạn năng, và một hệ thống cảm biến trạng thái mất cân bằng

và cân bằng xe Con quay hồi chuyển cân bằng xe bằng cách chống lại lực nhiễu bên ngoài, sử dụng hiệu ứng tiến động của con quay hồi chuyển Khi một mô men xoắn bên ngoài được đặt cho con quay hồi chuyển, nó sẽ phản ứng bằng cách xoay một trục vuông góc với cả trục quay và trục mô men xoắn Kiểm soát hoạt động của bên ngoài này mô men xoắn là nền tảng của các cơ học

Hình 1.9 : Mô hình xe hai bánh sử dụng 1 con quay hồi chuyển

Có những lợi thế để lựa chọn thiết kế này:

- Tổng thể chiếc xe là nhỏ gọn Tất cả các thành phần hỗ trợ con quay hồi

chuyển là nhỏ gọn nhất có thể, do đó làm cho con quay hồi chuyển dễ dàng hơn để cân bằng xe

- Hộp bảo vệ bánh đà của mẫu này là một yếu tố an toàn tốt Để cân bằng chiếc

xe, bánh đà quay với vận tốc cao, do đó điều quan trọng là một thành phần bảo

vệ cho những bộ phận xung quanh trong trường hợp lỗi hệ thống Mẫu này cũng thể hiện sự đối xứng về trục nghiêng, là một yếu tố quan trọng trong ổn định hồi chuyển

Nhược điểm:

- Mẫu này sẽ không hữu ích cho các ứng dụng xe lớn hơn Các kích thước và

trọng lượng của con quay hồi chuyển có tương quan trực tiếp với kích thước và trọng lượng của xe Con quay hồi chuyển phải lớn và quay ở tốc độ cao cho các loại xe lớn hơn Do đó, một khớp động cơ vạn năng lớn sẽ là cần thiết để xoay bánh đà và một động cơ lớn sẽ cần thiết để quay các con quay hồi chuyển, có khả năng tạo ra một lượng đáng kể tiếng ồn và yêu cầu khá cao về năng lượng để hoạt động Những yếu tố này sẽ làm cho hệ thống cân bằng tốn kém hơn

Xe 2 bánh sử dụng 2 con quay hồi chuyển đáng chú ý nhất được sử dụng trong các đường ray xe lửa Brennan, sử dụng hai con quay hồi chuyển xoay cung cấp sự ổn định cho một chiếc xe mất cân bằng Khái niệm này cũng được áp dụng cho đường xe lửa 1 ray, xe hai bánh, và xe đạp

Hình 1.10 : Mô hình xe 2 bánh sử dụng 2 con quay hồi chuyển

Mặc dù có những lợi thế đáng kể vào việc thiết kế, những bất lợi liên quan đến thiết kế nhiều hơn những lợi thế Mô hình Brennan rất giống với các tiêu chuẩn cơ bản thiết kế với việc bổ sung một con quay hồi chuyển Những lợi thế của việc có hai con quay hồi chuyển là khả năng cung cấp thêm lực tiến động hơn một con quay hồi chuyển duy nhất, và con quay hồi chuyển thứ hai tạo ra sự an toàn trong trường hợp con quay hồi chuyển đầu tiên hỏng

Ngược lại, có những khó khăn khác nhau để lựa chọn khái niệm này, sự phức tạp của hệ thống là khó để tạo ra một thuật toán điều khiển, và mẫu này sẽ yêu cầu thêm những phần bổ sung Mẫu này đòi hỏi hai con quay hồi chuyển, mô hình sẽ yêu cầu bốn động cơ so với hai động cơ Động cơ tăng thêm tổng chi phí đáng kể, tăng thêm trọng lượng cho xe, và làm tăng mức độ tiếng ồn

2.3.1 Xe lửa một đường ray sử dụng hệ thống cân bằng con quay hồi chuyển:

Gyro Monorail: Monorail con quay hồi chuyển, đường ray xe lửa hồi chuyển, con quay hồi chuyển ổn định đường ray xe lửa, là những thuật ngữ cho một chiếc xe lửa chạy trên một đường ray duy nhất có sử dụng cân bằng hồi chuyển của một bánh đà

để khắc phục những bất ổn vốn có của cân bằng trên một đường ray duy nhất

Đầu tiên các con quay hồi chuyển được đặt trong buồng lái, mặc dù Brennan đã lên kế hoạch chuyển chúng xuống dưới sàn xe trước khi công bố xe ở nơi công cộng, nhưng sự ra mắt của xe Scherl ngày 10 tháng 11 năm 1909 đã buộc ông phải thử nghiệm công khai lần đầu đầu tiên Không đủ thời gian để tái định vị các con quay hồi chuyển trước khi ra mắt công chúng

Năm 1908 chiếc xe Monarail đầu tiên được phát minh bởi ông Louis Brennan, người đang đứng với bận bè của mình trên chiếc xe mà ông đã làm tại nhà máy của mình tạ Pier Road, Gillingham Trong năm 1910 nó được chuyển đến triển lãm Anh-Nhật tại thành phố White và đã được sử dụng đi vòng quanh triển lãm bởi các du khách

Hình 1.11 : Louis Brennan và chiếc xe monorail đầu tiên

Ra mắt công chúng thực sự cho xe lửa một đường ray của Brennan là triển lãm Nhật Bản - Anh tại thành phố White vào năm 1910 Xe monorail chứa 50 hành khách tại một đường ray vòng tròn xung quanh Hành khách bao gồm Winston Churchill người đã cho thấy sự nhiệt tình với công trình này Mặc dù là một phương tiện giao thông hữu hiệu, các xe lửa một đường ray không thu hút được nhiều sự quan tâm hơn

Cả hai chiếc xe được xây dựng, một chiếc bị bán như phế liệu, và các khác đã được sử dụng như một nơi trú ẩn trong công viên cho đến năm 1930

Cũng như Brennan hoàn thành thử nghiệm xe của mình, August Scherl một nhà xuất bản Đức và các nhà từ thiện đã công bố một cuộc trình diễn công cộng của xe lửa một đường ray sử dụng con quay hồi chuyển mà ông đã phát triển ở Đức Cuộc công

bố đã được diễn ra vào thứ tư ngày 10 tháng 11 năm 1909 tại Sở thú Berlin

Hình 1.12: Xe lửa một bánh của Scherl

Chiếc máy của Scherl cũng là một chiếc xe kích thước đầy đủ, có phần nhỏ hơn

so với Brennan với chiều dài chỉ 17ft (5.2m) Nó có thể chứa bốn hành khách trên một cặp ghế băng ghế dự bị ngang Các con quay hồi chuyển được đặt dưới ghế ngồi, và có trục thẳng đứng, trong khi Brennan sử dụng một cặp con quay hồi chuyển trục ngang Các cơ cấu servo là thủy lực, và động cơ đẩy điện Nói đúng ra August Scherl chỉ cung

cấp hỗ trợ tài chính Cơ chế thăng bằng được phát minh bởi Paul Fröhlich, và chiếc xe được thiết kế bởi Emil Falcke

Mặc dù được đón nhận và thực hiện một cách hoàn hảo trong các cuộc biểu diễn công khai của nó nhưng chiếc xe cũng không thu hút được hỗ trợ tài chính đáng kể

Sau sự thất bại của Brennan và Scherl để thu hút sự đầu tư cần thiết, sự phát triển thực tế của con quay hồi chuyển đường ray xe lửa sau khi năm 1910 tiếp tục với công việc của Pyotr Shilovsky, một quý tộc Nga sinh sống tại London Hệ thống cân bằng của ông được dựa trên nguyên tắc hơi khác với những người đi trước là Brennan

và Scherl, và cho phép sử dụng một con quay hồi chuyển nhỏ hơn, quay chậm hơn Kể

từ khi nó được sử dụng một con quay hồi chuyển duy nhất, chứ không phải là cặp phản quay ưa chuộng bởi Brennan và Scher, nó thể hiện sự bất đối xứng trong hoạt động của mình, và trở thành không ổn định trong việc di chuyển vòng cua Công trình đã thu hút

sự quan tâm nhưng lại thiếu kinh phí thực hiện

Hình 1.13: Nguyên tắc cơ bản của hoạt động con quay hồi chuyển nằm đứng Brennan và Scherl đã nhận thức được vấn đề này, và thực hiện hệ thống cân bằng của họ với cặp quay con quay hồi chuyển chuyển động theo hướng ngược nhau Với sự sắp xếp này, tất cả các chuyển động của chiếc xe liên quan đến các lực quán tính với mômen xoắn gây ra bằng nhau và ngược trên hai con quay hồi chuyển đã tự

triệt tiêu Với hệ thống con quay hồi chuyển đôi, sự bất ổn trên đường cong đã được loại bỏ và chiếc xe sẽ vận hành với góc chính xác

Hình 1.14: Liên kết bánh răng cho hai con quay hồi chuyển ngược chiều

Một số nguyên mẫu của xe lửa một đường ray sử dụng một con quay hồi chuyển cũng đã được xây dựng bởi Ernest F Swinney , Harry Ferreira và Louis E Swinney tại Hoa Kỳ vào năm 1962 Hệ thống này được gọi là Gyro - Dynamics monorail Nhưng

nó cũng không thu hút được nhiều sự đầu tư

Hình 1.15: Mô hình tương lai cho xe lửa 1 đường ray

2.3.2 Xe ô tô hai bánh sử dụng hệ thống cân bằng con quay hồi chuyển:

Gyrocar được sản xuất bởi công ty Wolseley Tool and Motorcar Trong suốt những năm đầu của thế kỉ 20, công ty Wolseley Tool and Motorcar đã phát triển rất mạnh với đội ngũ kĩ sư thành thạo và các sản phẩm sản xuất phong phú Trong triều đại của vua Edwardian, Wolseley dẫn đầu trong các nhà sản xuất ôtô Chính vì vậy, năm 1912, Count Peter Schilovski từ nước Nga tìm đến Wolseley để đặt hàng với công

ty sản xuất một chiếc ôtô dùng con quay hồi chuyển để cân bằng trên hai bánh, sau này lấy tên là Schilovski Gyrocar

Hình 1.16: Xe Gyrocar do Schilovski nghiên cứu chế tạo

Count đưa ra nhiều đặc điểm thú vị với những yêu cầu cao hơn hẳn những chiếc

xe bình thường khác Điều tất yếu để đáp ứng được yêu cầu của ông, chiếc Gyrocar được sản xuất là một cỗ máy khá kềnh càng, chậm chạp ở thời điểm bấy giờ Nhưng với Count, ông chỉ cần chứng minh được có thể cân bằng một chiếc xe 2 bánh sử dụng nguyên lí hồi chuyển Gyrocar chỉ có động cơ xấp xỉ 20 mã lực, được gắn vào phía sau bánh trước và điều khiển bánh sau thông qua một trục khuỷu Công suất động cơ dường như quá yếu cho một chiếc xe nặng 2.75 tấn, một lần nữa nhắc lại nó chỉ để

chứng minh sự thành công của việc chế tạo chiếc xe có thể tự cân bằng chỉ với 2 bánh Con quay hồi chuyển có đường kính 40 inch, dày 4,5 inch được nuôi bằng một mô-tơ điện 100V – 930W đặt ở giữa xe và quay tròn ở tốc độ 2.000 đến 3.000 vòng/phút Sự cân bằng được duy trì giữa con quay và thân xe thông qua cơ cấu bánh răng được liên kết bằng dây treo tới 2 con lắc Nếu con quay hồi chuyển dừng lại thì những miếng gỗ chèn xe tự động hạ thấp xuống ở hai bên để ngăn chiếc xe bị đổ

Hình 1.17: Gyrocar trước khi được lắp vỏ ngoài

Lần đầu tiên ra mắt công chúng là ở công viên Pegent, trung tâm London vào ngày 28 tháng 4 năm 1914 Một bài báo lúc đó đã viết, bằng cách nào con người có thể lên và xuống xe Gyrocar khi nó đang đi rất chậm mà không bị mất cân bằng Đây đúng

là một chiếc xe rất lạ lùng vào thời bấy giờ, một chiếc xe hai bánh vẫn có thể tự giữ cân bằng khi nó đứng yên

Hình 1.18: Hình chiếu đứng của Gyrocar

Hình 1.19: Hình chiếu cạnh của Gyrocar

Hình 1.20: Hình chiếu bằng của Gyrocar

Các hình chiếu của xe Gyrocar hai bên hông của nó có hệ thống tự hạ xuống khi

xe dừng lại làm cho xe vẫn thăng bằng

Hình 1.21: Hệ thống con quay hồi chuyển trong Gyrocar

Vào năm 1938, Wolseley lần thứ hai nghĩ đến việc phục hồi lại Gyrocar Công

ty đã cho khai quật chiếc xe lên sau gần 20 năm nằm dưới đất và được đặt trong bảo tàng của hãng với thân xe đã bị phá hủy Lý thuyết cân bằng như Gyrocar cũng đã được áp dụng để chế tạo những đoàn tàu chỉ cần một đường ray Tuy nhiên, Schilovski Gyrocar chỉ còn là một biểu tượng trong lịch sử Wolseley, đến năm 1948, thì nó bị phá hủy hoàn toàn

Hình 1.22: Xe Gyrocar được khôi phục đưa vào bảo tàng của công ty Wolseley

2.3.3 Xe điện hai bánh sử dụng hệ thống con quay hồi chuyển

Hiện nay con người đang hướng đến các năng lượng không gây hại cho môi trường, tính khả dụng cao nên các sự nghiên cứu đang chuyển hướng sang các loại xe

sử dung điện thay vì dùng xăng

Lit Motors Inc tại San Francisco đã thiết kế và chế tạo xe hai bánh chạy động cơ điện sử dụng hệ thống hai con quay hồi chuyển và đang trong quá trình đưa vào thị trường

Hình 1.23: Bản phác họa Lit Motors

Hãng Lit Motors đã thiết kế loại xe máy C-1 hoàn toàn mới Có thể xem như là

1 xe máy và cũng có thể xem như 1 xe hơi với cửa ra vào ở 2 bên, mui che và tay lái –

là những bộ phận chúng ta không thể tìm thấy trong bất kỳ chiếc xe máy nào hiện có Tuy nhiên điều độc đáo hơn của nó là công nghệ hồi chuyển, công nghệ này sẽ giúp C-

1 tự cân bằng trở lại khi gặp vật cản

Bên dưới ghế ngồi là 2 con quay hồi chuyển tạo ra moment xoắn 1,300 poind (1 pound = 0,45 kg) Điều này cho phép các thiết bị giao thông vận tải 2 bánh như Lit Motor C-1 vẫn có thể giữ vị trí thẳng đứng tại chỗ mà không cần giữ như khi dựng xe máy thông thường hay khi va chạm vẫn có thể giữ xe ở vị trí thẳng đứng

Hình 1.24: Nguyên mẫu Lit Motors và người sáng lập

Đây là một trong những nguyên mẫu có hình dáng tinh tế và đã được hưởng ứng rroongj rãi khi đưa ra thăm dò thị trường

Hai bánh xe điện công suất 40 KW có thể giúp xe tăng tốc từ 0 đến 60 trong vòng 7 giây, tốc độ tối đa là 120 MPH (dặm/giờ; 1 dặm ~ 1,62 km) và tốc độ tối đa 150 – 200 dặm nếu xe chỉ dùng cho 1 người

Với các thiết kế tinh tế cả về hình thức và đảm bảo độ an toàn khi di chuyển Lit Motor C-1 có thể tạo ra các bước đột phá trong tương lai

Hình 1.25: Khung xe nguyên mẫu Lit Motors

Hình 1.26: Hệ thống con quay hồi chuyển trong Lit Motors

Lit Motors cho biết họ lấy con người là trung tâm khi thiết kế nội thất của C-1 Kết quả đã đưa ra 1 thiết kế với 2 lựa chọn: Xe sẽ rất thoải mái cho 1 người ngay cả khi đi đường dài hoặc 2 người đối với những chuyến đi ngắn hơn

Theo như các thông tin trên website của Lit Motors, C-1 có thể kết nối dễ dàng với các thiết bị khác như 1 chiếc điện thoại thông minh Và với những kết nối như H2V, H2C, V2I và V2V thì các thông tin về giao thông, thời tiết có thể được chuyển trực tiếp cho C-1

Hình 1.27: Xe Lit Motors C-1 khi đưa vào thương mại

Theo website của Lit Motors (http://litmotors.com) Lit Motors đã nỗ lực để thiết

kế một sản phẩm “hiệu quả, kinh tế và các giải pháp vận tải tốt cho môi trường” Giám đốc điều hành của Lit Motors – Mr Kim – nói trên www.smartplanet.com rằng C-1 có thể sẽ được bán trong năm 2013 với mức giá khoảng 16,000 USD – không phải là 1 số tiền quá lớn so với những loại xe hiện hành

CHƯƠNG 2:

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON

QUAY HỒI CHUYỂN

1 Mô hình động học xe 2 bánh sử dụng hệ thống 2 con quay hồi chuyển

• B, L, C, và G là thân xe,một tải được đặt trên xe, khung con quay hồi chuyển,và bánh xe con quay hồi chuyển tương ứng Những chữ cái này cũng sẽ đc đặt cố định trong các hệ thống khác

• b, l, c và g là khối tâm của các thành phần B, L, C, và G tương ứng

• m và I, với các chỉ số dưới B, L, C, hoặc G biểu thị khối lượng và momen quán tính tương ứng

•  là góc chuyển động của chiếc xe

• αlà góc biểu thị sự tiến động của con quay hồi chuyển

• s là các điểm trên đường chạy tại trung điểm của các phân đoạn được xác định

bởi các điểm liên hệ giữa bánh xe phía trước và phía sau của chiếc xe s là tốc độ

tại điểm này

• là thành phần theo chiều dọc của xe quay Nó được xác định bởi tốc độ xe và

độ cong theo dõi

• r là bán kính đường cong khi xe không chạy trên đường thẳng

• h là khoảng cách từ trung điểm của đường cơ sở ( khoảng cách giữa bánh trước

và sau của xe ) đến điểm theo dõi( điểm theo dõi nằm trên đường cong bán kính

r ) Đây là một hàm của khoảng cách giữa 2 trục xe và bán kính đường cong:

2 2 w0.5 4

h r r d ; khi dw là khoảng cách giữa 2 trục bánh xe (h = 0 cho đường thẳng)

• σ là tốc độ tại trung điểm của đường cơ sở Đối với r hữu hạn (h> 0), σ liên quan

đến s và  qua công thức s r h  

r h r

     Đối với đường thẳng (h = 0),

s

 

• d1, d2và d3 là khoảng cách từ đường cơ sở đến khối tâm của xe, con quay hồi chuyển bánh xe và tải trọng tương ứng

• x y z1, 1, 1 là tọa độ (trong khung B) tương đối của điểm l (khối tâm của tải trọng)

so với trung điểm của đường chiều dài cơ sở

• llà góc giữa b3 và điểm l

• F dlà một lực làm nhiễu theo phương ngang tác dụng lên xe, đặt tại điểm b

Chúng ta xác định theo chiều thuận kim đồng hồ cho khung tham chiếu sau đây:

Hình 2.1: Hình chiếu cạnh

Hình 2.2: Hình chiếu đứng (phía sau)

• A là điểm đất cố định, với a3 hướng lên, ngược với vector trọng lực

• S di chuyển dọc theo xe Tại điểm s, s1 là vector tiếp tuyến theo, s2 là vector pháp tuyến, và s3 là vector pháp tuyến phụ Đối với chuyển động trên một đường ngang, cơ cấu(frame) S quay xung quanh s3 tại một tỷ lệ của ̇

• Điểm B là cố định trên thân xe, với b1 hướng ra phía trước, b2 vuông góc b1, và

3

bhướng lên trên b1 luôn luôn cùng hướng với s1 và cơ cấu B cùng hướng với cơ cấu S khi = 0

• C được gắn với khung của con quay hồi chuyển như vậy c2 luôn luôn cùng hướng với b2, và cơ cấu C phù hợp với cơ cấu B khi α= 0

• G được gắn vào con quay hồi chuyển của bánh xe như vậy g3 luôn luôn cùng hướng với c3 và cơ cấu G phù hợp với cơ cấu C cho mỗi vòng quay của con quay hồi chuyển bánh xe

2 Tính toán động lực học

Bây giờ chúng ta khai triển các phương trình chuyển động cho hệ thống bằng cách sử dụng cơ học Lagrange Trong các phương trình, chúng ta theo tiêu chuẩn thực hiện ký hiệu viết tắt "sin" bằng "s" và "cos" bằng "c" Chúng ta bắt đầu bằng cách xét chuyển động dọc theo một đường nằm ngang

Chúng ta giả định rằng xe dùng 2 con quay hồi chuyển và 2 con quay hồi

chuyển quay ngược chiều nhau nên:

Khi:

1 2 3 4 5 6 7 8 9

s c

Khi q i và Q i là hệ tọa độ suy rộng và có ảnh hưởng tới hệ thống

Điều này dẫn đến các phương trình sau đây cho  và  :

3 Tuyến tính hóa phương trình vi phân chuyển động

Để có được một số thông số về các đặc tính cơ bản của hệ thống, bây giờ chúng

ta xét trạng thái của hệ thống trong lân cận của những điểm cân bằng của nó Chúng ta xác định vector trạng thái x  ( , , , ) 

Ta giả định rằng là nhỏ và F d là bằng không, và sau đó tuyến tính hóa quanh

x = 0 để có được những phương trình động lực gần đúng cho và  :

5

2

22

I b

K c k I d k C e k K f k