báo cáo thiết kế hệ thống cơ điện tử

MỤC LỤC
Chương 1: GIỚI THIỆU 2
1. Giới thiệu: 3
Chương 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 4
VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 4
2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và cơ sở hình thành đề tài 4
2.1.1 Các nghiên cứu đã thực hiện: 4
2.1.2 Cơ sở hình thành đề tài và mục tiêu nghiên cứu: 12
2.2 Cơ sở lý thuyết và phương án thiết kế: 13
2.2.1 Cơ sở lý thuyết: 13
2.2.2 Phương án thiết kế: 13
Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 18
3. Thiết kế cơ khí: 18
3.1 Sơ đồ truyền động của máy bay và tính toán bộ truyền: 18
3.2 Thiết kế thân trên và thân dưới: 21
3.3 Thiết kế vỏ nhựa, chân đáp, đuôi và các phụ kiện 23
Chương 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT BỘ ĐIỀUKHIỂN CHO MÁY BAY 27
4. Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho máy bay: 27
4.1 Mô hình hóa: 27
4.2 Thiết kế bộ điều khiển: 37
Chương 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MẠCH ĐIỆN 44
5. Giải thuật điều khiển và phần mạch điện: 44
5.1 Giải thuật điều khiển tổng quát. 44
5.2 Mạch điện và lập trình: 45
5.3 Mô hình mạch điều khiển: 50
5.4 Mạch điện: 51
Chương 6: ĐÁNH GIÁ & NHẬN XÉT 54


Thi
ế

t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


2

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

LỜI NÓI ĐẦU
Để có được kiến thức như hôm nay, nhóm em xin chân thành cảm ơn các thầy trong
bộ môn Cơ Điện tử - Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa, Thành phố Hồ Chí Minh.
Tôi xin cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Tiến - thầy hướng dẫn nhóm thực hiện báo cáo
môn học này. Không chỉ học hỏi được kiến thức của thầy, nhóm còn học được ở thầy
phương pháp nghiên cứu cũng như sự nhiệt tâm của người thầy với học trò.
Cuối cũng, tôi xin cảm ơn các bạn học và người thân đã giúp đỡ để tôi có được ngày
hôm nay.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2013

Nhóm 1 thực hiện

Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


3

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Chương 1: GIỚI THIỆU
1. Giới thiệu:
Máy bay (phi cơ): phương tiện vận tải hay chiến đấu bay trên không nhờ động cơ.
Những máy bay đầu tiên được chế tạo để thực hiện ước mơ của con người di chuyển trên
mặt đất, chinh phục không gian. Tuy nhiên, ngày nay máy bay đóng vai trò không thể
thiếu trong kinh tế và quân sự. Mặt khác, giao thông vận tải hàng không là loại hình có độ

an toàn cao, xác suất rủi ro cực thấp nếu so sánh với các loại hình giao thông vận tải khác.
Vì vậy, hiện nay công nghiệp chế tạo máy bay là ngành công nghiệp mũi nhọn – công
nghệ cao chỉ có các cường quốc kinh tế trên thế giới mới thực hiện được và là ngành định
hướng công nghệ cho các ngành công nghiệp khác.
Máy bay cố định và máy bay trực thăng là hai loại máy bay được nghiên cứu và chế
tạo trên thế giới. Mỗi loại máy bay đều có ưu và nhược điểm riêng. Mà các nghiên cứu
về máy bay trên thế giới được thực hiện rất nhiều và đa dạng. Trong nội dung nghiên
cứu này chỉ tập trung vào một lĩnh vực máy bay trực thăng.
Máy bay trực thăng (lên thẳng): là phương tiện bay có động cơ, hoạt động bay bằng
cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, có thể bay đứng trong không khí, điều
khiển lên xuống, tiến lùi và qua trái phải. Trực thăng có rất nhiều công năng cả trong đời
sống thường nhật, trong kinh tế quốc dân và trong quân sự.
Các nghiên cứu về lý thuyết khí động học, kết cấu cơ khí, giải thuật điều khiển cho
máy bay trực thăng đã được thực hiện rất nhiều. Tuy nhiên, nhưng nghiên cứu về máy
bay trực thăng trên thế giới vẫn đang phát triển, hoàn thiện. Trong các nghiên cứu đó
thường sử dụng máy bay mô hình để kiểm nghiệm các lý thuyết, giải thuật điều khiển
cho máy bay.


Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi

ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


4

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Chương 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và cơ sở hình thành đề tài
2.1.1 Các nghiên cứu đã thực hiện:
 Ngoài nước
Ngay từ xa xưa, loài người đã ước mơ bay lượn được trên không trung như loài
chim, tuy đã có vô số lần thử và thất bại, người ta vẫn không từ bỏ giấc mơ này. Cho đến
đầu thế kỉ 20, anh em nhà Later đã chế tạo và thử nghiệm máy bay đầu tiên vào ngày
17/12 /1903. Sự kiện này đánh dấu một bước ngoặt lịch sử cho ngành hàng không – loài
người đã có chiếc máy bay đầu tiên điều khiển được.

Hình 1: Máy bay đầu tiên
Những năm sau đó, các nghiên cứu về máy bay liên tục được thực hiện. Trong đó,
máy bay trực thăng được phát nghiên cứu song hành cùng máy bay cánh cố định ngay từ
thế kỷ 19. Một loạt nhà kỹ thuật hàng không như Jan Bahyl, Oszkár Asbóth, Louis
Breguet, Paul Cornu, Emile Berliner,Ogneslav Kostovic Stepanovic và Igor Ivanovich
Sikorsky đã đưa ra thử nghiệm các mô hình máy bay trực thăng. Ngày 24 tháng
8 năm 1907 lần đầu tiên mô hình trực thăng bay lên được, nó do anh em Louis và Jacque
Thi

ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


5

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Breguet người Pháp chế tạo dưới sự cố vấn kỹ thuật của giáo sư Charles Richet. Mô hình
này hoàn toàn không thể điều khiển nổi và không thể chở nổi người, chỉ có thể bay lên
được 50 cm. Tại nước Nga Igor Ivanovich Sikorsky sau này trở thành nhà tiên phong trực
thăng và nhà công nghiệp sản xuất trực thăng nổi tiếng thế giới đã thí nghiệm trực thăng
đầu tiên của mình vào năm 1908.
Những năm tiếp theo máy bay mô hình tiếp tục phát triển. Tuy nhiên, mô hình máy
bay trực thăng tự cân bằng đầu tiên được chế tạo năm 1969 bởi Ms Penni. Cô đã chứng
minh được tính ổn định và tính không ổn định trong hội nghị chuyên đề DC/ RC tháng 5
năm 1969.

Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về máy bay trực thăng trên thế giới. Các nghiên
cứu rất đa dạng từ kết cấu cơ khí, biên dạng cánh quạt, giải thuật điều khiển…. Có thể liệt
kê một số mô hình nghiên cứu trên thế giới như sau:
1. Sơ đồ một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi:
Đây là sơ đồ cơ bản của máy bay trực thăng. Sơ đồ gồm một cánh quạt chính để
nâng máy bay và một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng đứng.


Hình 2: Sơ đồ máy bay trực thăng một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


6

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Khi cánh quạt chính quay, thân máy bay cũng quay theo trục của cánh quạt máy bay
theo chiều ngược lại. Để chống lại hiện tượng tự quay này, máy bay có thêm một cánh
quạt đuôi theo chiều thẳng đứng, gió thổi theo chiều ngang. Lực đẩy của cánh quạt đuôi
tạo nên momen lực đuôi có cánh tay đòn dài bằng khoảng cách từ trục cánh quạt đuôi đến
trục nâng quạt sẽ cân bằng và triệt tiêu sự quay của thân máy bay, giữ hướng cố định cho
máy bay.
Ưu điểm:
- Rất đơn giản về kỹ thuật, độ tin cậy cao, độ tin cậy của các cơ cấu máy tốt. 95%
số trực thăng trên thế giới dựa trên theo sơ đồ nguyên lý này.
Nhược điểm:
- Chỉ có một cánh quạt nâng nên chịu toàn bộ lực nâng của máy bay và lực đẩy
ngang nên đường kính quạt và vận tốc phải lớn, dễ dẫn tới cộng hưởng, rung lắc
gây gãy cánh quạt.
- Công suất của cánh quạt đuôi lớn, chiếm khoảng 20 – 30 % công suất của máy
bay, đây là công suất phí phạm, không giúp gì cho việc nâng máy bay và chuyển
động thẳng.
- Khi có gió mạnh thổi ngang thân làm vô hiệu hóa cánh quạt đuôi do đó thời tiết
hoạt động thường ổn định.
- Vì có đuôi làm cánh tay đòn cho momen cánh quạt đuôi nên độ dài máy bay bị
kéo dài ở phần đuôi không cần thiết.
2. Sơ đồ chỉ một cánh quạt nâng.
Sơ đồ này chỉ sử dụng một cánh quạt để nâng máy bay, không sử dụng cánh quạt
đuôi. Máy bay cân bằng dựa theo hiệu ứng Coanda, dòng khí phụt ra có xu hướng bám
dính vào vào thành vật cứng và tạo momen chống lại momen thân máy bay quay. Loại
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


7

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

máy không cánh quạt đuôi này có hệ thống bơm khí chạy ra đuôi và được phụt ra theo
van tiết lưu. Sự tăng giảm lượng khí qua van tiết lưu này làm làm tăng giảm momen
chống quay này và điều khiển máy bay qua trái phải. Hiện nay, máy bay này còn đang rất
mới, chỉ có hãng MCDonnel Douglas áp dụng. Loại máy bay này còn được gọi là trực
thăng MD, sơ đồ trực thăng này hiện chưa có số liệu để đánh giá ưu nhược của sơ đồ này.

Hình 3: Sơ đồ một cánh quạt nâng, không cánh quạt đuôi
3. Sơ đồ hai cánh quạt nâng đồng trục.
Sơ đồ này sử dụng hai cánh quạt nâng đồng trục, không sử dụng cánh quạt đuôi. Sơ
đồ này còn có tên gọi Kamov theo tổ hợp thiết kế, chế tạo Kamov của Liên Xô.
Thi
ế
t k

ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


8

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến



Hình 4: Sơ đồ hai cánh quạt nâng, không sử dụng cánh quạt đuôi
Đặc điểm của sơ đồ này là không sử dụng cánh quạt đuôi mà có hai bộ cánh quạt
đồng trục, quay ngược chiều nhau để triệt tiêu momen quay thân máy bay. Thay đổi
vận tốc hai cánh quạt để máy bay bay sang trái, phải, rẽ hướng.
Ưu điểm:
- Vì có hai cánh quạt nâng nên đường kính, vận tốc quay của cánh quạt không cần
lớn, cho phép hoạt động hiệu suất cao.
- Độ an toàn chống cộng hưởng, do có hai cánh quạt triệt tiêu lẫn nhau, chống
rung giật cánh quạt tốt.

- Tính cơ động cao, có thể rẽ hướng đột ngột, di chuyển lên, xuống, tiến lùi linh
hoạt.
- Vì không có cánh quạt đuôi nên hoạt động được trong thời tiết khắc nghiệt, đồng
thời kích thước nhỏ gọn
Nhược điểm:
- Hệ thống cánh phức tạp. Bản thân cánh quạt với hệ thống biến bước dùng cho
máy bay cân bằng đã phức tạp, kết hợp với hai cánh quạt đồng trục làm việc chế
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


9

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

tạo hệ thống trục cần độ chính xác cao. Bộ phận này cũng là bộ phận gặp rủi ri

nhiêu nhất trong sơ đồ bố trí máy bay theo hướng này.

Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


10

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

4. Sơ đồ hai cánh quạt nâng trước sau.
Hai cánh quạt nâng được gắn ở đầu và đuôi máy bay


Hình 5: Sơ đồ hai cánh quạt nâng trước sau
Hai cánh quạt quay ngược chiều nhằm triệt tiêu mô men tự quay thân. Khi muốn rẽ

hướng ta chỉ cần làm chênh lệch vận tốc quay của hai đĩa cánh quạt và thân máy bay quay
tương ứng theo chiều cánh quạt quay chậm hơn.
Ưu điểm:
- Hiệu suất cao, độ an toàn cộng hưởng, chống rung lắc tốt, không có công suất
phí phạm, sức nâng rất tốt nên thường được dùng làm cần cẩu bay.
Nhược điểm:
- Rất khó điều khiển và tính cơ động kém
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


11

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

5. Sơ đồ cánh quạt xoay hướng:

Cấu tạo giống máy bay cánh cố định chỉ khác là trục cánh quạt đẩy ngang có thể
xoay một góc 90° để thổi gió xuống phía dưới theo chiều thẳng đứng. Khi máy bay cất
cánh, hạ cánh thì cánh quạt quay hướng thổi gió xuống dưới tạo lực nâng cho máy bay cất
cánh, hạ cánh thẳng đứng. Khi đã lên đến độ cao cánh quạt lại quay về vị trí bình thường
tạo lực đẩy, máy bay chuyển động thẳng theo chiều ngang và lực nâng do cánh cố định
tạo.

Hình 6: Trực thăng có cánh quạt xoay hướng
Nhược điểm: cánh quạt vừa làm nhiệm vụ cánh quạt đẩy ngang vừa làm nhiệm vụ
cánh quạt nâng, mà hai loại cánh này có tính chất và cấu tạo khác nhau nên cánh quạt và
máy bay này có hiệu suất thấp.
- Trên đây là một số loại sơ đồ nguyên tắc chính được áp dụng trong chế tạo trực
thăng. Ngoài ra còn rất nhiều kiểu sơ đồ khác nữa, mỗi một phát minh thường đi kèm với
một loại sơ đồ mới. Tuy nhiên, chúng chưa có ứng dụng rộng rãi và chưa chứng minh
được hiệu quả kỹ thuật hàng không.

Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


12

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

 Trong nước:
Ở Việt Nam, nghiên cứu về lĩnh vực máy bay trực thăng còn khá mới mẻ. Ở lĩnh
vực dân sự, một số câu lạc bộ cũng thiết kế, chế tạo, thử nghiệm máy bay mô hình. Tuy
nhiên, các mô hình này được tập trung chủ yếu vào mảng máy bay cố định ( máy bay sử
dụng đường băng để cất cất). Các dạng nghiên cứu về quadcopter được thực hiện nhiều.
Tuy nhiên, nghiên về máy bay trực thăng rất hạn chế . Mặt khác, các mô hình này cũng
không chứng minh được phương án sử dụng, tính ổn định, giải thuật điều khiển cân bằng.
2.1.2 Cơ sở hình thành đề tài và mục tiêu nghiên cứu:
Máy bay trực thăng đã được nghiên cứu rất nhiều trên thế giới và hiện nay đang phát
triển. Những nghiên cứu này cũng đang bắt đầu thực hiện ở Việt Nam. Mỗi phương án
thiết kế đều có ưu và nhược điểm riêng không thể thay thế. Tuy nhiên, bất kì phương án
thiết kế nào thì vấn đề đầu tiên cần giải quyết là tính cân bằng của máy bay. Để thực hiện
yêu cầu này cần có một giải thuật để điều khiển máy bay cân bằng và được kiểm nghiệm
bằng mô hình thực tế. Ở Việt Nam hiện nay chưa có báo cáo nào về kiểm nghiệm tính cân
bằng của máy bay trực thăng.
Nhằm nghiên cứu và học hỏi cách điều khiển một máy bay mô hình dựa trên các
kiến thức về mô hình hóa, khí động lực học, và các giải thuật điều khiển. Nhóm chúng tôi
quyết định chọn đề tài: nghiên cứu, thử nghiệm giải thuật điều khiển máy bay mô hình.
Mục đích thực hiện đề tài: thực hiện đề tài là công việc nhằm tạo ra một sản phẩm
được xem như là mô hình phục vụ cho học tập và nghiên cứu. Đồng thời, còn là việc vận
dụng các kiến thức để thử nghiệm trên một mô hình thực tế.
Mục tiêu của đề tài: là thực nghiệm giải thuật điều khiển trên một máy bay mô hình

thực tế thỏa mãn các điều kiện sau:
 Ổn định hóa ba bậc tự do góc của máy bay trong điều kiện phòng thí nghiệm.
 Điều khiển bằng tay các tác vụ đơn giản: tới, lui, lên cao, hạ xuống.
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


13

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

2.2 Cơ sở lý thuyết và phương án thiết kế:
2.2.1 Cơ sở lý thuyết:
Cơ sở lý thuyết về khí động lực học:
Trực thăng bay được là nhờ chênh áp giữa mặt trên và dưới của cánh chính.
Do đường biên của mặt bên phải lớn hơn của mặt dưới nên vận tốc khí tại mặt dưới

nhỏ hơn, áp suất tĩnh lớn hơn mặt trên, lực nâng sẽ bằng tích của sự chênh áp với diện
tích mặt dưới cánh.

Hình 7: Áp suất khí giữa mặt trên và mặt dưới của máy bay
Vấn đề cân bằng momen động lượng
Máy bay là một vật thể cân bằng, nên khi cánh quạt chính quay sẽ sinh ra momen
động lượng, làm cho máy bay sẽ quay theo chiều ngược lại để cân bằng momen. Do đó,
để tránh hiện tượng trên, ta cần thiết kế hệ thống cân bằng nhằm triệt tiêu momen tác
động lên thân máy bay.
2.2.2 Phương án thiết kế:
Có rất nhiều phương án thiết kế được sử dụng trong máy bay trực thăng. Mỗi
phương án đều có ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, trong phần thiết kế máy bay trực
thăng phương án sử dụng và bố trí cánh quạt ảnh hưởng lớn đến tính dễ điều khiển, tính
cân bằng và khả năng linh hoạt của máy bay. Trong nội dung nghiên cứu này nhóm tác
giả tập trung vào các phương án thiết kế, bố trí cánh quạt cho máy bay. Mặt khác, mục
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


14

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

tiêu của đề tài này tạo ra một mô hình phục vụ học tập và nghiên cứu nên ưu tiên lựa chọn
mô đơn giản nhưng vẫn đảm bảo kiểm được các lý thuyết, giải thuật điều khiển.
Sau đây, nhóm chúng tôi tiến hành phân tích hai phương án sử dụng phổ biến hiện
nay để mô phỏng, điều khiển bay mô hình.
 Phương án 1: máy bay 1 tầng cánh có đĩa swashplate.

Hình 8: Cơ cấu swashplate.
Nguyên lý bay và cân bằng:
- Bay lên, hạ xuống: Độ nghiêng của toàn bộ cánh quạt bị thay đổi để tăng, giảm độ
cao.
- Bay tới: Cánh quạt khi quay sang phía sau trực thăng (hình 2. ở trên) sẽ có độ
nghiêng dốc hơn so với độ nghiêng của cánh quạt phía trước, làm cho lực nâng phía sau
mạnh hơn lực nâng ở phía trước máy bay. Kết quả là máy bay được đẩy đi về phía trước.
- Bay lùi: Tương tự như trên, chỉ khác chỗ độ nghiêng cánh quạt phía trước sẽ dốc
hơn, lực nâng phía trước mạnh hơn nên trực thăng sẽ bay lùi.
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


15

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

- Bay ngang sang phải: Cũng giống như nguyên lý trên, cánh quạt khi quay sang
phía bên trái trực thăng sẽ được làm nghiêng đi để tạo ra lực nâng mạnh hơn so với cánh
quạt phía bên phải. Kết quả là trực thăng sẽ bay ngang sang phải.
- Bay ngang sang trái: Tương tự như trên, nhưng cánh quạt bên phải sẽ được làm
nghiêng hơn.

Ưu điểm:
- Máy bay đổi hướng linh hoạt.
- Điều khiển dễ dàng.
Nhược điểm:
- Chế tạo đĩa swashplate quá phức tạp, ở mục đích mô hình đồ chơi thì không khả
thi.
- Giá thành cao.
 Phương án 2: Sử dụng hai cánh quạt nâng đồng trục kết hợp cánh tay đòn tay
đòn cân bằng và quạt đuôi để di chuyển.
Như đã nêu trong phần tổng quan, loại máy bay 2 cánh quạt nâng đồng trục ngoài

thực tế được biến thể khi chế tạo mô hình. Nó thêm một cánh quạt nâng nhỏ phía sau
cùng một thanh cân bằng bên trên ( gọi là tay đòn Bell Hiller ), 2 cánh quạt chính được
lắp đồng trục. Hai cánh quạt này được điều khiển bằng 2 motor độc lập có chiều quay
ngược nhau với cùng vận tốc tạo lực đẩy nâng máy bay lên. Muốn bay lên cao thì tăng tốc
độ của hai cánh quạt chính, muốn giảm tốc độ thì ta từ từ giảm tốc độ hai cánh quạt chính.
Trong hình bên dưới, ta thấy hai motor độc lập được dẫn động qua hai bánh răng tăng tốc
cho hai cánh quạt chính. Trục cánh bên trên trong, trục cánh dưới bên ngoài.
Nhờ chuyển động quay ngược chiều này mà máy bay luôn cân bằng mà không cần
người dùng điều khiển quá nhiều. Đây cũng mẫu điều khiển máy bay dễ điều khiển nhất
và cân bằng tốt nhất.
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


16

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến


Hình 9: Cơ cấu máy bay sử dụng hai quạt nâng đồng trục kết hợp cánh tay đòn cân bằng
và quạt đuôi để di chuyển.
Khi muốn thay đổi hướng của máy bay, ta sẽ điều chỉnh vận tốc tương đối của hai
cánh quạt chính. Lúc này, sự chênh lệch momen sẽ khiến máy bay qua trái, phải.
Tầng cánh trên còn có thể thay đổi góc tấn thông qua tay đòn Bell Hiller nhằm tạo
cân bằng cho máy bay cũng như bù trừ sai số chế tạo.

Hình 10: Cơ cấu Bell Hiller
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


17

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Để bay tới trước hay lùi, không giống như các loại trực thăng có 1 cánh quạt chính
và một cánh quạt đuôi vuông góc phải điều chỉnh góc tấn của cánh qua swashplate. Ta sẽ
điều khiển cánh quạt đuôi. Cánh quạt đuôi quay mạnh sẽ khiến phần đuôi được nâng cao,
máy bay có xu hướng chúc mũi về phía trước và bay tới. Để hãm máy bay, ta giảm tốc độ
cánh quạt sau, đuôi bị hạ thấp khiến máy bay hướng mũi lên cao nhờ đó giảm tốc độ bay
tới.
Nhờ cánh quạt nhỏ sau đuôi này mà việc điều khiển dễ hơn do chỉ cần thay đổi tốc
độ động cơ sau thay cho việc thay đổi góc swashplate vốn cần sự điều khiển phức tạp và
cơ cấu cơ khí đòi hỏi sự chính xác cao.
 Qua những phân tích kết cấu và trong giới hạn của đề tài, nhóm nghiên cứu chọn
phương án dùng máy bay 2 cánh quạt nâng đồng trục kết hợp cánh quạt đuôi dùng tới lui
vì những ưu điểm sau:
- Không cần chế tạo swashplate vốn phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao.
- Điều khiển không quá phức tạp, dễ dàng.










Thi
ế
t k

ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


18

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
3. Thiết kế cơ khí:
Từ yêu cầu cần thiết cho mô hình ta thiết kế từng cụm của máy bay như sau:
1. Bộ phận tạo lực cho máy bay gồm và điều khiển máy bay ( cơ cấu tác động ):
cụm cánh quạt trục chính trên, dưới, cánh quạt đuôi.
2. Thân trên và thân dưới. Thân trên: gồm bệ đỡ động cơ, bánh răng và các trục
truyền động. Thân dưới: gồm đế gắn mạch điện, nguồn điện, cụm chân đáp.
3. Phần đuôi: giúp trực thăng thăng bằng, tối ưu về khí động học khi bay:
4. Cụm vỏ: tác động lên khí động học của máy bay và trang trí.
Vì khối lượng thiết kế tất cả các bộ phận trên máy bay rất lớn nên nhóm nghiên cứu
đưa ra các giả thuyết để đơn giản phần thiết kế. Các giả thuyết này được sử dụng từ các

mô hình thực tế như sau:
- Không thiết kế biên dạng cánh và kích thước của cánh máy bay được lấy từ mô
hình máy bay ( xyz) như sau:
- Lực nâng máy bay: 2N với vận tốc cánh quạt 8000 vòng/ph
3.1 Sơ đồ truyền động của máy bay và tính toán bộ truyền:

Hình 11: Sơ đồ truyền động của máy bay.
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


19

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Qua sơ đồ kết cấu máy bay gồm cánh quạt chính của máy bay được truyền động bởi

2 động cơ độc lập thông qua 2 trục được lồng vào nhau. Tầng cánh trên được truyền động
bởi trục nhỏ trong khi tầng cánh dưới được truyền động bởi trục lớn. Thông qua một bộ
bánh răng trung gian nhằm giảm tốc, momen từ động cơ được truyền tới các trục cánh
quạt giúp tạo đủ lực nâng cho máy bay. Ngoài ra, cánh quạt đuôi còn được dẫn động bởi 1
động cơ độc lập lắp đồng trục, nhờ có cánh quạt đôi này mà máy bay mới có thề bay tới /
lui.
 Tính toán công suất động cơ:
Lấy kết quả từ mô hình thực tế khối lượng của máy bay: m = 50g. Do đó, ta cần
lực tối thiểu để nâng máy bay:
F =mg = 0,05.10 = 0,5N
Chọn hệ số an toàn 4 và các lực cản không khí, ta có lực nâng cần tạo trên hai cánh
quạt của máy bay là 4N.
Với lực trên tương ứng cánh quạt trực thăng quay với vận tốc 8000 v/ph (vận tốc
cánh được tham khảo từ các mô hình máy bay thực tế).
Vậy vận tốc dài của cánh quạt nâng là:
3
.85.10 .2.8000
0,0712 /
60000 60000
dn
v m s
 

  
( với chiều dài cánh máy bay là 85mm)
Giả sử lực tác dụng lên 2 tầng cánh là như nhau. Vậy lực nâng tác dụng lên 1 tầng
cánh là 2N.
Thi
ế
t k

ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


20

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến


Hình 12: Sơ đồ truyền động

Công cuất của cánh quạt nâng:
3
. 2.0,0712
0,1424.10
1000 1000
ct
F v
P


  
Dựa vào lược đồ động của máy bay ta xác định hiệu suất hệ thống truyền động:
- Hiệu suất ổ trượt: η = 0,97
- Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ để hở: η = 0,93
Hiệu suất chung cả hệ thống:

2 2 2 2
1 2
. 0,97 .0,93 0,814
  
  
Công suất mà động cơ cần:

3
/ 0,1424.10 / 0.814 0,175 0,2
dc ct
P P


    mW
Chọn tỉ số truyền của máy bay của các cặp bánh răng truyền động như sau: z12 = 2,
z34 = 3, vậy tỉ số tuyền từ động cơ đến trục z = 6.
Chọn số răng z1 = 8, z21 = 16; z22 = 7, z3 = 21.
Chọn modun m = 0.25, ta có khoảng cách trục như sau:
Khoảng cách trục động cơ và trục 1: 3mm
Khoảng cách trục 1 đến trục 2: 4mm
Vậy khoảng cách giữa 2 tâm động cơ là 24 mm.
Thi
ế

t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


21

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

3.2 Thiết kế thân trên và thân dưới:
Yêu cầu thiết kế thân trên:
- Có các gờ hay chốt để lắp với khung.
- Có gờ hay lỗ để lắp với đuôi máy bay.
- Làm bằng nhựa cứng để có thể chịu va đập.
- Ngoài ra, có thể thiết kế thêm các hốc, lỗ để lắp đèn LED trang trí (không quan
trọng)
Sau khi xác định các khoảnh cách trục, ta sẽ có mô hình sơ bộ của thân bệ đỡ động
cơ như sau:

Hình 13: Bệ đỡ động cơ

 Xác định kích thước lắp giữa bệ đỡ động cơ và các tấm khung để từ đó xác định sơ
bộ kích thước các tấm khung.
Sau khi xác định cách kích thước lắp giữa bệ đỡ động cơ và các tấm khung, ta tiến
hành thiết kế biên dạng của các tấm khung. Khung trong và khung ngoài được thiết kế
như sau:
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


22

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Hình 14: Tấm khung trong và khung ngoài

Sau khi có các chi tiết cơ bản, ta sẽ tiến hành lắp ráp và canh chỉnh lại kích thước
trên máy tính cho phù hợp và thẫm mỹ, sau công đoạn này, ta có thân máy bay có dạng
như sau:

Hình 15: Mô hình lắp cụm thân trên

Yêu cầu thân dưới máy bay: Thân máy bay cần 1 khoang để chứa mạch điện (cảm
biến gyro) nên ta cần thiết kế riêng 1 đế để lắp mạch điện. Đế cần có chốt hay lỗ để có thể
lắp với khung. Bệ lắp mạch điện có những yêu cầu sau:
- Nhựa có khả năng đàn hồi vì chi tiết này được lắp với chân đáp
- Có chỗ để chưa pin hay đối trọng để cân bằng máy bay. Có gờ để bắt vis giữ
mạch điện.
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


23

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Sau khi thiết kế ta có mô hình đế lắp mạch điện như sau:

Hình 16: mô hình đế lắp mạch điện
Mô hình thân hoàn chỉnh (chưa lắp chân đáp)

Hình 17: Mô hình thân máy bay hoàn chỉnh


3.3 Thiết kế vỏ nhựa, chân đáp, đuôi và các phụ kiện
Đuôi giúp trực thăng thăng bằng, đồng thời là nơi gắn các phụ kiện giúp trực thăng
tối ưu về khí động học khi bay.
Vỏ nhựa không chỉ giúp máy bay đẹp và nó còn có vai trò quan trọng giúp máy bay
có hình dáng khí động hay không. Vỏ máy bay thiết kế tối ưu giúp giảm lực cản lên máy
bay đồng thời giúp máy đổi hướng dễ dàng.
Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th

ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


24

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Trong phạm vi đề tài, nhóm vẫn chưa có thời gian để nghiên cứu hết về khí động
của máy bay nên chưa thể thiết kế được phần vỏ và đuôi nên nhóm sẽ tham khảo hình
dáng và kích thước của các mẫu máy bay tương tự.
Các chi tiết phụ như tail fin … trong máy bay mô hình chủ yếu để trang trí nên
không quá quan tâm kích thước khi thiết kế.


Hình 18: Mô hình cụm đuôi máy bay


Thi
ế
t k
ế

h
ệ

th
ố
ng cơ đi
ệ
n t
ử

Nhóm HNTT


25

GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến


Hình 19: Vỏ nhựa



Hình 20: Chân đáp