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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................. 3
DANH MỤC BẢN BIỂU ............................................................................................... 5
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. 6
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 8
Chƣơng 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
Chƣơng 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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

4. Tính toán động lực học cho trường hợp xe đứng yên ........................................ 41
5. Tuyến tính hóa cho trường hợp xe đứng yên ..................................................... 43
Chƣơng 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 HƢỚNG PHÁT TRIỂN.
1. Kết luận .............................................................................................................. 72
2. Định hướng phát triển ........................................................................................ 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 73
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 75

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin cám ơn thầy giáo TS. Đỗ Đức Nam người đã trực tiếp hướng
dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Với kiến thức sâu rộng, cùng với lòng nhiệt huyết và
sự chỉ bảo tận tình, thầy đã truyền lại cho tôi, giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc thực hiện
luận văn này.
Kết quả đạt được trong luận văn còn có sự đóng góp to lớn của thầy giáo TS.
Nguyễn Chí Hưng với những chỉ dẫn sâu sắc trong quá trình nghiên cứu.
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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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 phƣơng 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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

-

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

CHƢƠNG 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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

(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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

2.1 Phƣơng 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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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 Phƣơng 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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.3

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

Phƣơng 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 .

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 17


LUẬN VĂN THẠC SĨ

-

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 19


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

2.3.1 Xe lửa một đƣờng 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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 20


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 21


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 22


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 23


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 24


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. ĐỖ ĐỨC NAM

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.

HV: NGÔ ĐỨC ANH

Page 25