Nghiên cứu xác định kích thước tối ưu theo lưu lượng của bơmHypôgerôto

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu xác định kích thước tối ưu theo lưu lượng của bơmHypôgerôto

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG CÔNG GIANG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC TỐI ƯU THEO LƯU LƯỢNG CỦA BƠM HYPÔGERÔTO Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2020
2. Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Nguyễn Hồng Thái 2: TS. Trịnh Đồng Tính Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi. giờ ngày . tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Trương Công Giang, Nguyễn Hồng Thái; “Ảnh hưởng của các thông số kích thước hình học đến đường ăn khớp và lưu lượng của bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong hypôxyclôít”, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Đà Nẵng (2015), 280-289 [2] Trương Công Giang, Nguyễn Hồng Thái, “Thiết kế chế tạo bơm hypôgerôto ứng dụng trong các hệ thống bôi trơn của động cơ ô tô xe máy”, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Đà Nẵng (2015), 290 – 295 [3] Trương Công Giang, Nguyễn Hồng Thái, “Tổng hợp biên dạng bánh răng hypôxyclôít khi biết trước hai tâm tích và một biên dạng cung tròn”, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Đà Nẵng (2015), 296 – 302 [4] Trương Công Giang, Trần Ngọc Tiến, Nguyễn Hồng Thái, “Ảnh hưởng của bán kích chân răng đến lưu lượng của bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong hypôxyclôít”, Hội nghị Khoa học và Công nghệ toàn quốc về cơ khí –Lần IV, Hồ Chí Minh (2015), 318 – 325 [5] Nguyen Hong Thai, Truong Cong Giang, “The influence of the design parameters on the profile siiding in an internal hypocycloid gear pair”, Vietnam journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, Vol. 56, No. 4 (2018), 482 – 491, Doi: 10.15625/2525-2518/56/4/9625 [6] Nguyễn Hồng Thái, Trương Công Giang, “Hiệu chỉnh bánh kính đỉnh răng bánh răng trong của bơm bôi trơn hypôxyclôít nhằm đảm bảo điều kiện mòn đều”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật, 132 (2019), 051 – 055 [7] Nguyễn Hồng Thái, Trương Công Giang, “Thuật toán xác định bán kính chân răng bánh răng trong của bơm hypôgerôto khi biết trước lưu lượng và tốc độ quay”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật, 133 (2019), 021 – 027 [8] Nguyễn Hồng Thái, Trương Công Giang, “Sự biến đổi áp suất trong các khoang bơm của bơm bôi trơn động cơ đốt trong hypôgerôto”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật, 137 (2019) [9] Trương Công Giang, Nguyễn Hồng Thái, “Xác định điều kiện hình thành biên dạng rôto trong của bơm Hypôgerôto”, Tạp chí khoa học giáo dục kỹ thuật, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM (đã phản biện chờ đăng).
4. LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Bơm thủy lực thể tích (TLTT) bánh răng ăn khớp trong có biên dạng là đường cong xyclôít lần đầu tiên được phát minh bởi F.Hill vào năm 1920 [1] hay còn được gọi là bơm TLTT rôto với nguyên lý hoạt động được ví như động cơ Vanken. Dựa trên nguyên lý hình thành biên dạng răng và đặc điểm ăn khớp của cặp bánh răng có biên dạng là họ đường cong xyclôít mà loại bơm này được phân thành hai loại đó là: (i) Khi đường cong xyclôít dùng làm biên dạng răng của cặp bánh răng (cặp rôto) là đường epixyclôít thì được gọi là bơm Gerôto; (ii) Khi đường cong xyclôít dùng làm biên dạng răng của cặp bánh răng (cặp rôto) là đường cong hypôxyclôít thì được gọi là bơm Hypôgerôto. Trong quá trình phát triển gần một trăm năm qua loại bơm này đã được nghiên cứu phát triển và ngày càng hoàn thiện cho các ứng dụng của hệ thống bôi trơn [2, 3], kết quả là đã có rất nhiều bằng phát minh sáng chế sau mỗi kết quả nghiên cứu [4, 5]. Do đặc điểm kích thước nhỏ gọn làm việc êm, không ồn và lưu lượng lớn hơn các loại bơm TLTT cùng kích thước mà từ những năm 50 của thế kỷ trước loại bơm này đã được ứng dụng trong hệ thống bôi trơn của động cơ đốt trong. Do đó, loại bơm này được nghiên cứu và phát triển cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ôtô thế giới. Tuy nhiên, do thời gian đầu việc chế tạo rôto ngoài với vành răng có biên dạng là đường cong hypôxyclôít gặp rất nhiều khó khăn và giá thành gia công chế tạo cao hơn rất nhiều so với cặp bánh răng có biên dạng epixyclôít, nên hầu hết các nghiên cứu trước đây tập trung vào hoàn thiện lý thuyết và ứng dụng chủ yếu cho loại bơm bôi trơn Gerôto, còn loại bơm Hypôgerôto chỉ được nhắc đến về mặt hình học trong sách lý thuyết bánh răng răng của Litvin vào những năm 1950 [12]. Cho đến những năm cuối cùng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 3 và bước vào thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 với sự phát triển của các máy công cụ điều khiển số hiện đại cũng như xuất hiện các phương pháp gia công mới, dẫn đến việc gia công chế tạo bánh răng hypôxyclôít với vành răng trong trở lên đơn giản và giá thành sản xuất hai loại bánh răng epixyclôít và hypôxyclôít là như nhau. Điều đó dẫn đến loại bơm hypôgerôto bắt đầu được nghiên cứu trở lại trong những năm gần đây 2009 [13]. 1
5. Mặt khác, ngành công nghiệp ô tô ngày càng phát triển với các mẫu xe ô tô hiện đại theo xu thế tiết kiệm nhiên liệu tiêu thụ và việc bôi trơn tốt đóng vai trò quan trọng trong xu thế này, để có thể tiết kiệm từ 10 ÷ 15% lượng nhiên liệu tiêu thụ. Chính vì vậy, đây là động lực cho việc lựa chọn đối tượng nghiên cứu của tác giả luận án là bơm Hypôgerôto với mục tiêu đặt ra là tối ưu các thông số thiết kế đặc trưng của bơm theo lưu lượng cho trước. 2. Mục tiêu của luận án Luận án đặt ra mục tiêu tối ưu các tham số thiết kế đặc trưng {R, rcl, R1} của bơm bôi trơn hypôgerôto theo {E, z1} và lưu lượng Q cho trước nhằm giảm kích thước hướng kính thiết kế của bơm nhưng vẫn đảm bảo lưu lượng, áp suất và chất lượng dòng chảy sau bơm. Để đạt được mục tiêu đề ra luận án phải giải quyết được các vấn đề cụ thể chính như sau: i) Xác định được các điều kiện hình thành biên dạng bánh răng trong (rôto trong) và bánh răng ngoài (rôto ngoài) nhằm đảm bảo lưu lượng và áp suất cũng như không xảy ra hiện tượng tồn đọng chất lỏng sau mỗi vòng quay gây ra lực quán tính ly tâm có hại cho máy. Trên cơ sở đó xác định chính xác bán kính chân răng bánh răng trong. ii) Trên cơ sở phân tích động học đưa ra điều kiện xác định bán kính đỉnh răng bánh răng trong rcl nhằm đảm bảo điều kiện mòn đều hai biên dạng đối tiếp theo tiêu chí động học và điều kiện bánh kính R chân răng của rôto trong đảm bảo không va chạm với rôto ngoài trong quá trình làm việc. iii) Xây dựng thuật toán tối ưu các tham số thiết kế đặc trưng trên cơ sở các điều kiện biên đưa ra bởi luận án để đảm bảo kích thước hướng kính nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được lưu lượng và áp suất cũng như chất lượng dòng chảy sau bơm. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu chung của luận án là các bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống bôi trơn. Trong đó, đối tượng cụ thể là loại bơm rôto kiểu bánh răng ăn khớp trong Hypôgerôto, với rôto ngoài có biên dạng là đường 2
6. hypôxyclôít còn rôto trong có biên dạng là các cung tròn lồi lõm, ứng dụng trong các hệ thống bôi trơn của động cơ đốt trong. 3.2. Phạm vi nghiên cứu của luận án Đối với các loại bơm bôi trơn trong động cơ đốt trong các thông số quan trọng là lưu lượng, áp suất, chất lượng dòng chảy của dòng chất lỏng sau bơm (dao động lưu lượng và dao động áp suất). Do đó, phạm vi của luận án là tập trung vào việc tối ưu các thông số thiết kế đặc trưng nhằm đảm bảo các thông số quan trọng trên và nâng cao tuổi thọ của bơm thông qua điều kiện mòn đều của cặp bánh răng hypôxyclôít hình thành các khoang hút và đẩy của bơm Hypôgerôto. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học Các kết quả nghiên cứu của luận án như các điều kiện biên hình thành biên dạng bánh răng, điều kiện tránh va chạm giữa rôto trong và rôto ngoài trong quá trình làm việc, điều kiện mòn đều biên dạng cặp bánh răng theo tiêu chí động học, thuật toán tối ưu các tham số thiết kế theo lưu lượng cho trước có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển và hoàn thiện lý thuyết thiết kế các loại bơm này trong các hệ thống bôi trơn của động cơ đốt trong. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu của luận án cũng góp phần đem lại những nhận thức mới về việc tối ưu cũng như tính toán thiết kế các loại bơm Hypôgerôto mà nhiều công trình nghiên cứu trước đây chưa được nhìn nhận một cách đầy đủ. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Các điều kiện biên được đưa ra bởi luận án như: điều kiện hình thành biên dạng răng, điều kiện mòn đều biên dạng răng theo tiêu chí động học, điều kiện để đẩy hết dầu trong mỗi vòng quay, điều kiện tránh va chạm giữa rôto trong và rôto ngoài v.v đã làm cho thuật toán tối ưu được nhanh hơn, kết quả thiết kế chính xác hơn mà không cần phải có các giải pháp phụ như rãnh hồi dầu cũng như góp phần nâng cao tuổi thọ của bơm. Kết quả bài toán tối ưu của luận án đã thiết kế ra được một số bơm bôi trơn có kích thước nhỏ hơn mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về lưu lượng, áp suất và chất lượng dòng chảy cũng như áp suất đầu ra của bơm. Do đó, các kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc phát triển các loại bơm Hypôgerôto trong các hệ thống bôi trơn nói chung và hệ thống bôi trơn của động cơ đốt trong nói riêng. 5. Những đóng góp của luận án 3
7. Với mục tiêu đã đề ra luận án đã có những đóng góp chính cụ thể như sau: i) Về mặt lý thuyết thiết kế hình học luận án đã nghiên cứu tìm ra được các điều kiện biên hình thành biên dạng cặp rôto của bơm Hypôgerôto nhằm giải quyết triệt để các hiện tượng: nhọn đỉnh răng, cắt lẹm chân răng, giao thoa đỉnh răng và cạnh răng, tránh va chạm, kẹt răng mà các nghiên cứu khác cho đến thời điểm hiện tại chưa giải quyết được triệt để. ii) Đã tìm ra công thức tính chính xác bán kính đỉnh răng rôto trong nhằm đảm bảo điều kiện mòn đều hai biên dạng đối tiếp theo tiêu chí động học nhằm góp phần nâng cao tuổi thọ của bơm Hypôgerôto. iii) Đưa ra được thuật toán xác định chính xác bán kính chân răng bánh răng trong nhằm đảm bảo bơm được thiết kế đúng với lưu lượng cho trước nhằm đảm bảo không bị hụt lưu lượng so với thiết kế mà cũng không bị thừa chất lỏng có hại cho máy. iv) Xây dựng được thuật toán tối ưu các tham số thiết kế đặc trưng theo lưu lượng cho trước nhằm đảm bảo kích thước nhỏ nhất. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Để đạt được mục tiêu đề ra phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm đo đạc trên thiết bị thí nghiệm để kiểm chứng lý thuyết, cụ thể là: i) Tìm hiểu phân tích tổng hợp các tài liệu khoa học, các công trình nghiên cứu mới nhất về lĩnh vực bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong (BRAKT) biên dạng xyclôít. Để từ đó phân tích đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp nghiên cứu đã có, trên cơ sở đó kế thừa những trí thức hiện đại cập nhật nhất của nhân loại về lĩnh vực lý thuyết ăn khớp của bánh răng xyclôít mà luận án quan tâm để tiếp tục nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện những vấn đề còn tồn đọng chưa giải quyết được hoặc chưa được quan tâm trong lĩnh vực bơm bôi trơn kiểu Hypôgerôto tính đến thời điểm hiện tại. ii) Chế tạo mẫu bơm thử nghiệm theo kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án và xây dựng phương pháp đo. Từ đó tổ chức triển khai thí nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng như khảo sát đánh giá chất lượng của bơm được chế tạo như: xây dựng đường đặc tính, khảo sát dao động lưu lượng của bơm theo độ nhớt và tốc độ quay. 4
8. 7. Bố cục luận án Luận án được trình bày trong 4 chương với nội dung cụ thể như sau: Chương 1. Tổng quan về bơm thủy lực thể tích bánh răng xyclôít ăn khớp trong: Trình bày tổng quan về quá trình phát triển của bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít cũng như những ứng dụng của loại bơm này. Ngoài ra, tổng hợp phân tích đánh giá các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực bơm bánh răng xyclôít ăn khớp trong, trên cơ sở đó xác định các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Chương 2. Xác định điều kiện hình thành biên dạng cặp rôto: Trình bày về thiết lập mô hình toán học, mô tả biên dạng răng của hai rôto (rôto trong và rôto ngoài). Trên cơ sở đó xác định các điều kiện biên hình thành biên dạng rôto và hiện tượng trượt biên dạng trong quá trình ăn khớp. Từ đó, xác định điều kiện để hai biên dạng đối tiếp mòn đều theo tiêu chí động học nhằm góp phần nâng cao tuổi thọ của bơm. Chương 3. Tối ưu các thông số thiết kế đặc trưng theo lưu lượng: Trình bày phương pháp thiết lập mô hình tính toán học xác định lưu lượng của bơm. Từ đó kết hợp với cơ sở lý luận đã được xây dựng ở chương 2 để thiết lập giải thuật tối ưu các thông số kích thước thiết kế theo lưu lượng cho trước nhằm đảm bảo kích thước nhỏ nhất. Chương 4. Thí nghiệm kiểm chứng lưu lượng và xác định đường đặc tính của bơm bánh răng hypôgerôto: Trình bày sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng, áp suất và các kết quả thí nghiệm đo lưu lượng, áp suất trên một số bơm mẫu được chế tạo theo kết quả nghiên cứu của luận án. Từ đó bàn luận, thảo luận đánh giá kiểm chứng tính chính xác của cơ sở lý luận và thuật toán mà luận án đã đưa ra. Kết luận và kiến nghị: Tóm tắt những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án, bàn luận về khả năng ứng dụng những kết quả nghiên cứu của luận án vào thực tế cũng như kiến nghị hướng phát triển tiếp theo của luận án 5
9. Chƣơng 1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC VỀ VỀ BƠM THỦY LỰC THỂ TÍCH BÁNH RĂNG XYCLÔÍT ĂN KHỚP TRONG 1.1 Bơm thủy lực thể tích bánh răng xyclôít ăn khớp trong Như đã trình bày trong phần mở đầu bơm bánh răng ăn khớp trong có biên dạng xyclôít là loại máy thủy lực thể tích (TLTT) kiểu rôto (RT) được phát minh lần đầu tiên bởi M. F. Hill vào năm 1920 cho đến nay vẫn đang được sử dụng phổ biến trong các hệ thống bôi trơn và các hệ thống trợ lực của ôtô, xe máy hiện đại 1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Như đã trình bày ở trên về mặt cấu tạo thành phần chính của bơm là cặp RT biên dạng xyclôít ăn khớp trong (xem hình 1.4). Nếu RTT có biên dạng là các cung tròn thì TRN có biên dạng là đường hypôxyclôít kéo dài hình 1.4a Hình 1.4 Cấu tạo của bơm bánh răng xyclôít (bơm hypôgerôto), còn nếu RTN có biên dạng là các cung tròn thì RTT có biên dạng là đường epixyclôít keo dài hình 1.4b (bơm gerôto). 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít là loại máy thủy lực thể tích kiểu RT được phát minh lần đầu tiên vào năm 1920 [1]. Từ đó, trong và ngoài nước đã có rất nhiều các nghiên cứu về Hình 1.8 Tổng hợp các nghiên cứu về bơm TLTT bánh răng ăn loại bơm này. khớp trong biên dạng xyclôít theo 10 năm gần đây Tuy nhiên, ở thời gian đầu số lượng nghiên cứu về loại bơm bị hạn chế ít được các nhà khoa học quan tâm, những trong nhưng năm gần đây lĩnh vực này lại có nhiều nhà khoa học quan tâm điều này minh chứng bởi số lượng 6
10. nghiên cứu được công bố (xem hình 1.8) 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít 1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc về bơm TLTT a) Nghiên cứu về biên dạng rôto Biên dạng rôto là một trong các vấn đề luôn được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm, cho đến nay việc mô hình hóa biên dạng cặp bánh răng xyclôít được tiếp cận bằng nhiều hướng nghiên cứu khác nhau như: (i) Biên dạng xyclôít thông thường; (ii) Biên dạng xyclôít cải tiến; (iii)Biên dạng xyclôít đặc biệt b) Nghiên cứu lƣu lƣợng và áp suất Lưu lượng và áp suất là các vấn đề đặc biệt quan trọng đối với bơm TLTT nói chung và bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít nói riêng. Các vấn đề nghiên cứu: (i) nghiên cứu xác định lưu lượng, áp suất của bơm; (ii) nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước khe hở đến lưu lượng, áp suất; (iii) nghiên cứu cải tiến biên dạng cặp rôto để tăng lưu lượng của bơm c) Khe hở giữa các chi tiết chuyển động và vị trí cửa vào ra trên thân bơm Các nghiên cứu trên mới chỉ đề xuất các phương pháp mô hình hóa biên dạng cặp rôto và công thức lý thuyết xác định lưu lượng, áp suất mà chưa thể hiện được sự kết hợp giữa lý thuyết với các vấn đề chế tạo thực nghiệm như: sai số gia công chế tạo, khe hở cạnh răng giữa các cặp răng đối tiếp, khe hở mặt đầu rôto với thân bơm, vị trí cửa vào ra của dòng chất lỏng v.v đây đều là các yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng và áp suất của bơm TLTT nói chung và bơm Gerôto nói riêng. 1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc về bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít Bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít đã được giới thiệu trong giáo trình nguyên lý máy chuyên nghiệp năm 1970 [119]. Tuy nhiên, các nhà khoa học trong nước chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ứng dụng cặp bánh răng epixyclôít trong thiết kế các bộ truyền động (hộp giảm tốc) ở các khớp quay của robot hay các bộ truyền động của máy điều khiển số điển [121-125] còn ứng dụng trong thiết kế bơm TLTT 7
11. thì hầu như chưa được quan tâm đúng mức chỉ có một vài công trình nghiên cứu về loại bơm bánh răng thủy lực thể tích biên dạng epixyclôít của Nguyễn Đức Hùng [120]. Kết luận chƣơng 1 Từ những tổng hợp, phân tích đánh giá trên đây cho thấy từ khi bắt đầu xuất hiện cho đến nay có rất nhiều các nghiên cứu chuyên sâu về bơm TLTT như: (1) Về biên dạng: nghiên cứu phương trình biên dạng và đặc điểm ăn khớp của cặp bánh răng ăn khớp trong biên dạng epixyclôít và hypôxyclôít đã được nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan có thể thống kê thành ba phương pháp phổ biến là: (i) tâm vận tốc tức thời; (ii) phương pháp bao hình; (iii) phương pháp hình học giải tích. Nhưng chủ yếu là nghiên cứu về đặc điểm hình thành biên dạng răng phục vụ thiết kế các loại hộp giảm tốc bánh răng chốt con lăn epixyclôít hoặc bơm Gerôto còn các loại bánh răng hypôxyclôít gần đây mới được nghiên cứu ứng dụng bởi Kwon và đồng nghiệp (2010) [30] bằng phương pháp tâm vận tốc tức thời. Trong nghiên cứu của Kwon cũng chỉ mới đưa ra được giới hạn của các thông số đặc trưng: R1min , rcl max , Rmin để thỏa mãn điều kiện tránh hiện tượng giao thoa đỉnh răng của bánh răng hypôxyclôít trong quá trình hình thành bơm Hypôgeroto, còn những vấn đề như: va chạm giữa rôto trong và rôto ngoài gây kẹt răng, nhọn đỉnh răng của rôto trong, giới hạn cung ăn khớp của đỉnh răng rôto trong và sự chồng lấn biên dạng chân rôto trong lên phần cung ăn khớp của đỉnh rôto trong cũng chưa được xét đến mà được nhận dạng và kiểm tra bằng kinh nghiệm, cho đến hiện tại các nghiên cứu cũng chưa đưa ra được điều kiện để xác định cụ thể để cân bằng hệ số trượt mà mới chỉ phân tích và thay đổi các tham số một cách thủ công hoặc đưa ra các thuật toán để tìm ra được các bộ thông số thiết kế đặc trưng nhằm giảm thiểu vận tốc trượt tương đối để hai biên dạng đối tiếp mòn đều theo tiêu chí động học. Do đó, đây là một vấn đề mà luận án sẽ giải quyết ở chương 2 để hoàn thiện lý thuyết thiết kế bơm Hypôgeroto. (2) Về lưu lượng: việc xác định lưu lượng lý thuyết ( Qlt ) trong bài toán thiết kế bơm là rất quan trọng. Giải quyết vấn đề này đã có rất nhiều nhà nghiên cứu đưa ra các giải pháp, phương pháp khác nhau như: (1) Phương pháp xác định diện tích khoang bơm; (2) Phương pháp giải tích, phương pháp này lại được chia thành các phương pháp đó là: (i) Tính toán lưu 8
12. lượng lý thuyết theo phương pháp bảo toàn công và (ii) Tính toán lưu lượng lý thuyết dựa theo đường ăn khớp đây là phương pháp hiện đại nhất và được các nghiên cứu sử dụng nhiều nhất. Tuy nhiên, có một vấn đề mà hầu hết các nghiên cứu mắc phải đó là chỉ quan tâm đến các thông số đặc trưng hình thành bánh răng xyclôít (epixyclôít hoặc hypôxyclôít) làm rôto của bơm mà chưa quan tâm đến thông số liên kết các răng (bán kính đỉnh răng hoặc chân răng) của bánh răng đối tiếp với bánh răng xyclôít. Điều đó dẫn đến ngay từ khâu thiết kế đã gặp phải các hiện tượng: (a) Đọng lượng dầu dư thừa không đẩy hết ra khỏi bơm; (b) Thiếu hụt lưu lượng so với lý thuyết ngay từ khâu thiết kế, hiện tượng này sẽ được luận án chỉ ra ở chương 3. Ngoài ra, từ việc tổng hợp lại các nghiên cứu về bơm thủy lực thể tích bánh răng xyclôít ăn khớp trong cho thấy, các kết quả nghiên cứu trên nếu áp dụng cho bơm Gerôto có biên dạng cặp bánh răng là đường epixyclôít được hình thành từu bốn thông số thiết kế đặc trưng {E, z2, R2, rcl} thì không có vấn đề gì về các kết quả tính toán nhưng đối với bơm hypôgerôto có biên dạng cặp bánh răng là đường hypôxyclôít được hình thành từ năm thông số thiết kế đặc trưng {E, z1, R1, rcl, R} sẽ gặp phải một số vấn đề về biên dạng cặp bánh răng hypôxyclôít và lưu lương bơm đó là: i) Giới hạn của bán kính chân răng (R) của bánh răng trong để tránh hiện tượng không hình biên dạng bánh răng trong và chèn răng trong quá trình ăn khớp. ii) Các biểu thức tính lưu lượng lý thuyết theo các phương pháp đường ăn khớp, bảo toàn công không kể đến thông số. Câu hỏi đặt ra bán kính R có ảnh hưởng tới như thể nào đến thể tích khoang bơm và lưu lượng bơm. iii) Các thông số hình thành biên dạng cặp bánh răng hypôxyclôít ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ mòn của hai bánh răng iv) Đưa ra được thuật toán xác định chính xác bán kính chân răng bánh răng trong nhằm đảm bảo bơm được thiết kế đúng với lưu lượng cho trước không bị hụt lưu lượng so với thiết kế mà cũng không bị thừa chất lỏng có hại cho máy. Đây là những vấn đề mà luận án sẽ giải quyết để hoàn thiện về mặt lý thuyết thiết kế bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít nói chung và bơm Hypôgerôto nói riêng. 9
13. Chƣơng 2 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH CẶP BIÊN DẠNG RÔTO THEO CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐẶC TRƢNG 2.1 Thiết lập phƣơng trình toán học mô tả biên dạng răng 2.1.1 Phƣơng trình toán học mô tả biên dạng bánh răng ngoài Nếu gọi, 1r ( ) là véc tơ xác K1 j i định điểm K1j thuộc biên dạng rôto trong xét trong hệ quy Hình 2.1 Cặp biên dạng đối tiếp chiếu 1 ta có: 1r ( ) [R r cos ( ) r sin ( ) 0]T (2.9) K1 j i 1 cl i cl i Khi đó, đưa tọa độ điểm K1j trong hệ quy chiếu 1 về hệ quy chiếu 2 sau khi biên đổi ta có phương trình biên dạng rôto ngoài và cho bởi   z  2 x ( ) R cos( i ) r cos ( ) i E cos( 1 i ) K2 j i 1 cl i z1 1 z1 1 z1 1 (2.13) 2  i  i z1 i y ( ) R sin( ) r sin ( ) E sin( ) K2 j i 1 cl i z1 1 z1 1 z1 1 2.1.2 Bán kính cong của biên dạng rôto ngoài Để xác định bán kính cong biên dạng rôto ngoài ta gọi o ( i ) là bán kính cong tại điểm tiếp xúc Kj của đường hypôxyclôít kéo dài thì theo lý thuyết hình học vi phân [126] ta có: 3/ 2 r 2 1 2 cos ( ) 1 i (2.26) o i 2 z1  (z1 1)cos i Nếu gọi ( i ) là bán kính cong của biên dạng hypôxyclôít thì ta có: 3/ 2 r 2 1 2 cos ( ) ( ) r 1 i r (2.27) i o i cl 2 cl z1  (z1 1) cos i 2.1.3 Biên dạng rôto trong (bánh răng cung tròn) Để hình biên dạng rôto trong liên kết các con lăn bằng các cung tròn tiếp xúc với các đường tròn đỉnh răng liên tiếp để hình thành bánh răng 10
14. trong như được mô tả ở hình 2.4b. Như vậy, thông số thiết kế của rôto trong được cho bởi { R1 , rcl , R } 2.2 Xác định điều kiện hình thành biên dạng cặp rôto của bơm Hypôgerôto 2.2.1 Xác định miền giới hạn của thông số thiết kế Hinh 2.4 Biên dạng rôto trong đặc trƣng R1 Xác định giới hạn nhỏ nhất của R1 2 3 1 2 R1min (rcl (z1 1) )(27(z1 1)) Ez1 (2.57) Xác định giới hạn lớn nhất của R1 1 R1max (2z1 1)(z1 2) Ez1 (2.59) 2.2.2 Xác định miền giới hạn của thông số thiết kế đặc trƣng rcl Xác định giá trị lớn nhất của rcl 1 3 / 2 2 2 2 rcl max Ez1 3(z1 1 ) Ez1 R1 (Ez1) (z1 1) (2.63) Xác định giá trị nhỏ nhất của rcl rcl min 0 (2.66) 2.2.3 Xác định miền giới hạn của thông số thiết kế đặc trƣng R Cung tròn chân răng bánh răng trong có bán nhỏ nhất khi điểm tiếp xúc Gj  Ej R R R sin r (2.71) min E j 1 cl z1 Cung tròn chân răng có bán kính lớn nhất khi điểm tiếp xúc Gj  A1j. 2 (2.78) Rmax RA1 j R1 sin tg 1 rcl z1 Để tránh hiện tượng chèn răng thì bán Hình 2.7 Giới hạn làm việc của kính chân răng R của rôto trong phải nhỏ đỉnh răng rôto trong hơn bán kính đỉnh răng của rôto ngoài (xem hình 2.10). Khi đó, ta có: 11
15. R Ez 2 1 1 (2.80) R 1 2 rcl Ez1 R1 Từ (2.71), (2.78), (2.80) ta có: R Ez 2 1 1 (2.82) R1 sin rcl R rcl z Ez2 R Hình 2.10 Ăn khớp của 2 bánh 1 1 1 răng khi chưa xảy ra va chạm 2.3 Đƣờng ăn khớp 2.3.1 Thiết lập phƣơng trình đƣờng ăn khớp Đường ăn khớp của cặp bánh răng hypôxyclôít là quỹ tích các điểm tiếp xúc Kj giữa các cặp biên dạng đối tiếp trong quá trình ăn khớp và được cho bởi: 3x ( ) R cos r cos(  ) E K j i 1 i cl i i (2.84) 3 y ( ) R sin r sin(  ) K j i 1 i cl i i 2.3.2 Bán kính ăn khớp Hình 2.12 đường ăn khớp của Nếu gọi ( ) là bán kính ăn khớp tại cặp bánh răng hypôxyclôít Ki i điểm ăn khớp thứ j (khoảng cách từ tâm ăn khớp P tới điểm ăn khớp thứ Ki ta có: ( ) [3 r ( ) 3 r ]T [3 r ( ) 3 r ] (2.85) K j i K j i P K j i P 2.4 Hiện tƣợng trƣợt biên dạng 2.4.1 Vận tốc điểm ăn khớp Vận tốc của điểm K1j và K2j (hình 2.15) được cho bởi tại điểm ăn khớp: v ( )  r ( ) K1 j i 1 K1 j i (2.88) v ( )  r ( ) K2 j i 2 K2 j i Chiếu phương trình (2.88) lên phương tiếp tuyến tt ta có (xem): vt ( )  r ( )cos[ ( )] K1 j i 1 K1 j i 1 j i (2.93 vt ( )  r ( )cos[ ( )] Hình 2.15 Sơ đồ tính vận tốc trượt tại điểm ăn K 2 j i 2 K2 j i 2 j i khớp Kj Nếu gọi v ( ) , v ( ) lần lượt là vận tốc trượt tương đối RTT với RTN tr12 i tr21 i và của RTN so với RTT. Khi đó, ta có: 12
16. v ( ) vt ( ) vt ( ) (2.94) tr12 i K1i i K2i i v ( ) vt ( ) vt ( ) (2.95) tr21 i K2i i K1i i 2.4.2 Đƣờng cong trƣợt Để đánh giá quá trình mòn của hai biên dạng đối tiếp ta gọi 1 j ( i ), 2 j ( i ) lần lượt là hệ số trượt của rôto trong và rôto ngoài: V ( ) tr12 i 1i ( i ) V t ( ) (2.96) K1 j i V ( )  ( ) tr21 i 2i i V t ( ) K 2 j i 2.5 Ảnh hƣởng của các thông số thiết kế đặc trƣng đến các đƣờng cong trƣợt biên dạng Do hai thông số E và z1 biết trước nên để đánh giá ảnh hưởng của các thông số còn lại đến biên dạng bánh răng hypôxyclôít và đỉnh răng của rôto 1 trong ta đánh giá qua hai hệ số: hệ số hypôxyclôít  (với  R1(Ez1) ), 1 và hệ số bán kính đỉnh răng c (với c rcl (E) ). Từ việc khảo sát ảnh hưởng của , c ta thấy: i) Hình dáng hình học của đường ăn khớp không phụ thuộc nhiều vào hệ số c tức bán kính đỉnh răng của bánh răng trong. ii) Khi kích thước R1 lớn thì đường ăn khớp tiến dần về đường tròn nhưng sẽ làm tăng kích thước hướng kính. Khi cặp (  , c ) trong miền giới hạn hình thành biên dạng nếu lấy nhỏ và lớn sẽ gặp phải hiện tượng chèn răng (kẹt rôto khi làm việc). iii) Thông qua các đánh giá ở mục 2.6 cho thấy hệ số c ảnh hưởng đến hệ số trượt nhiều hơn hệ số , điều này có nghĩa người thiết kế ưu tiên hiệu chỉnh rcl để giảm hiện tượng trượt tức là hiệu chỉnh hệ số . 2.6 Tối ưu các kích thước thiết kế đặc trưng để cặp biên dạng đối tiếp mòn đều xét về mặt động học Theo đặc điểm ăn khớp của cặp bánh răng hypôxyclôít bánh răng trong chỉ tham gia ăn khớp trên một phần cung tròn đỉnh răng nên đường cong trượt 1( i ) luôn mang giá trị dương, còn đường cong trượt 2 ( i ) luôn mang giá âm. Để hai biên dạng đối tiếp mòn đều trong quá trình ăn khớp 13
17. thì cần giảm thiểu biểu thức 1max ( i ) 2min ( i ) 0. Khi đó để hai biên dạng đối tiếp mòn đều thì rcl (z1 1)E R1 . 2.7 Xác các thông số chế tạo rôto theo các thông số thiết kế đặc trƣng hình thành biên dạng cặp rôto cấu thành bơm hypôgerôto 2.7.1 Xác định thông số kích thƣớc rôto trong Rđ1 R1 rcl (2.108) 1 Rc1 2 (Rđ1 Rch1 ) (2.112) 2.7.2 Xác định thông số kích thƣớc thiết kế rôto ngoài theo thông số kích thƣớc đặc trƣng Rđ2 = E + R1 + rcl (2.115) Rch2 R1 rcl - E (2.117) Kết luận chƣơng 2 Từ những phân tích đánh giá và thảo luận chương này của luận án đã có những đóng góp sau về mặt lý thuyết thiết kế động học cho loại bơm bôi trơn kiểu biên dạng hypôxyclôít: i) Kế thừa và giải quyết triệt để các điều kiện của các thông số thiết kế đặc trưng để hình thành biên dạng cặp rôto (cặp bánh răng hypôxyclôít) cấu thành bơm hypôgerôto đó là: 1 3/ 2 2 2 2 0 rcl Ez1 3(z1 1 ) Ez1 R1 (Ez1) (z1 1) 2 3 1 2 1 rcl (z1 1) 27(z1 1) Ez1 R1 Ez1 2z1 1 z1 2 2 2 1 R1 sin rcl R R1 Ez1 Ez1 R1 rcl z1 ii) Đưa ra được biểu thức xác định chính xác bánh kính cung tròn đỉnh răng của rôto trong (bánh răng trong) để hai biên dạng mòn đều theo tiêu chí động học rcl (z1 1)E R1 . 14
18. Chƣơng 3 TỐI ƢU CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐẶC TRƢNG THEO LƢU LƢỢNG 3.1 Các khái niệm và định nghĩa về lƣu lƣợng Lưu lượng (Q) là một trong hai thông số quan trọng của các loại bơm thủy lực thể tích nói chung và bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít nói riêng, thông số này thể hiện cho lượng chất lỏng được bơm đẩy ra khỏi bơm trong một đơn vị thời gian. 3.2 Thiết lập công thức tính lƣu lƣợng lý thuyết của bơm Hypôgerôto theo đƣờng ăn khớp của cặp bánh răng cấu thành bơm Nếu gọi V j ( i ) là thể tích khoang bơm thứ j thì ta có: V ( ) V ( ) V ( ) (3.5) j i j N i jT i Mặt khác, gọi S jLT ( i ) là diện tích khoang bơm thứ j (hinh 3.2) V j ( i ) bS jLT ( i ) (3.6) Với cách sơ đồ hóa các miền diện tích và miền diện ta có: S jLT ( i ) S jT ( i ) S jN ( i ) (3.7) Hình 3.2 Sơ đồ mô tả cách tính SjLT(i) Trong đó, các miền diện tích S jT ( i ),S jN ( i ) được xác định: 1 2 2 d S ( i ) 2 rO K ( i ) rO K ( i ) d i (3.15) jT 1 j 1 1 j 2 2 2 d S 2 rO K ( i ) rO K ( i ) d ( i ) (3.30) jN 2 j 2 j 1 Khi đó, ta có biến thiên diện tich khoang bơm 1 2 2 1 2 2  (3.32) d Vj ( i ) 2 b r ( i ) r ( i ) z1(z1 1) r ( i ) r ( i ) d i O1K j 1 O1K j O2K j 1 O2K j  Sau khi biến đổi (3.32) ta có: 1 1 2 2 d Vj ( i ) 2 b(z1 1) PK ( i ) PK ( i ) d i (3.41) j 1 j Lưu lượng trung bơm (lưu lượng bơm) 1 (z1 1)( z1 ) 1 1 2 2 (3.45) Qltak nz1 2 (z1 1) b PK ( i ) PK ( i ) d i j 1 j 1 (z1 ) 15
19. 3.3 Thiết lập công thức xác định quy luật biến thiên thể tích khoang bơm theo góc quay của trục dẫn động Như đã trình bày trong mục 2.1 ở chương 2 của luận án để hình thành rôto trong phải có thông số đặc trưng bán kính chân răng R . Nhưng trong biểu thức tính lưu lượng bằng phương pháp lý thuyết được trình bày ở mục 3.2 lại chỉ có 4 thông số đặc trưng { E , z1 , R1 , rcl } do đó trong phần này của luận án tiến hành thiết lập biểu thức tính diện tích tiết diện thực khoang bơm SjGT(i) theo góc quay của tục dẫn động nhằm hai mục đích: i) Chỉ ra những vấn đề mà phương pháp tính lưu lượng bằng đường ăn khớp còn thiếu sót cần phải khắc phục. ii) Phục vụ xây dựng thuật toán xác định bán kính R được trình bày ở mục 3.5 của luận án. 3.3.1 Thiết lập phƣơng trình xác định miền diện tích khoang bơm theo góc quay của trục dẫn động Nếu gọi S jGT ( i ) là diện tích khoang thứ j được giới hạn bởi biên dạng của hai cặp răng đối tiếp (xem hình ) SjGT ( i ) S2j( i ) S1j( i ) (3.47) Trong đó, miền diện tích S2j( i ) là miền diện tích hình thang cong giới hạn bởi biên dạng rôto ngoài và được cho bởi: Hình 3.7 Sơ đồ mô tả cách tính miền diện tích SjGT(i) i 1 ( i ) y ( ) S ( ) x ( ) rh ( i ) i d (3.49) 2 j i rh i i  i i ( i ) Còn để xác định S1 j ( i ) thông qua việc chia nhỏ miền diện tích này (xem hình 3.9): S1 j ( i ) S11j ( i ) S12j ( i ) S13j ( i ) (3.51) Các miền diện tích ở về phải phương trình (3.51) được cho bởi: 1 S ( ) 2 x ( )y ( ) (3.52) 11j i K j i K j i 1 S ( ) 2 x ( )y ( ) (3.53) 13j i K j 1 i K j 1 i Hình 3.9 Sơ đồ tính S1j(i) 16
20. 1 2 S12j ( i ) 2 rcl R1 sin sin j 1( i ) rcl  j 1( i ) (3.70) 2 1 1 2 Rlsin  R  2 rcl R1 sin sin ( i ) 2 rcl  ( i ) Khi đó, diện tích khoang bơm S jGT ( i ) và thể tích khoang bơm VjGT ( i ) : i 1 ( i ) yr ( ) ( i ) 1 h i S jGT x ( ) d x ( )y ( ) x ( )y ( ) rh i K j i K j i K j 1 i K j 1 i  i 2 i ( i ) 1 (3.72 r R sin sin ( ) r 2  ( ) 2 cl 1 j 1 i cl j 1 i ) 1 1 Rl sin  R 2 r R sin sin ( ) r 2  ( ) 2 cl 1 i 2 cl i i 1 ( i ) y ( ) 1 rh (i ) i V b xr ( i ) d xK ( i )yK ( i ) xK ( i )yK ( i ) jGT h j j j 1 j 1  i 2 i ( i ) 1 br R sin  sin ( ) r 2  ( ) (3.73 2 cl 1 j 1 i cl j 1 i ) 2 1 1 2 Rl sin  R  rcl R1 sin sin ( i ) rcl  ( i ) 2 2 3.3.2 Đánh giá ảnh hƣởng của thông số R đến hiện tƣợng hụt hoặc thừa lƣu lƣợng thiết kế so với lý thuyết ăn khớp Để đánh giá ảnh hưởng của thông số bán kính chân răng rôto trong R đến lưu lượng thiết kế bơm. Xét bơm bôi trơn của động cơ xăng hãng Honda có dung tích 100CC với bốn thông số thiết kế đặc trưng: E 1mm, z1 7 , R1 7.5mm, rcl 1.5mm còn thông số R được chọn trong ba trường hợp sau: (1) R =2mm; (2) R= 2.5mm; (3) R = 3mm. Từ những phân tích đánh giá ở trên ta nhận thấy với một bộ thông số thiết kế đặc trưng gồm bốn thông số { E , z1 , R1 , rcl } thì khi tính lưu lượng trung bình của bơm theo lý thuyết ăn khớp sẽ có một giá trị lưu lượng trung bình xác định. Tuy nhiên, trong thực tế thiết kế để hình thành rôto trong còn thông số R (bán kính chân răng rôto trong) thì bán kính này phải thỏa mãn điều kiện nào để không xảy ra hiện tượng thừa hoặc hụt lưu lượng của bản thiết kế so với lý thuyết đã tính toán xác định vấn đề này cho đến hiện tại chưa có một tác giả nào quan tâm và thường được bỏ qua trong thiết kế cũng như tối ưu. Để giải quyết vấn đề này, luận án đưa ra thuật toán ở như trong các mục dưới đây. 3.4 Thuật toán xác định bốn thông số thiết kế đặc trƣng {E, z1, R1, rcl} theo lƣu lƣợng cho trƣớc 3.4.1 Sơ đồ thuật toán 17
21. Hình 3.18 Thuật toán tối ưu tìm các thông số thiết kế đặc trưng theo lưu lượng Qtk cho trước Để thực hiện mục tiêu mà luận án đã đề ra, trong phần này ứng dụng phương pháp xác định lưu lượng lý thuyết theo phương pháp đường ăn khớp đã được thiết lập ở mục 3.2 và các điều kiện hình thành biên dạng đã được xác định ở chương 2 để xây dựng thuật toán tìm các thông số { E , z1 , 18
22. R1 , rcl } theo Qtk cho trước được trình bày trong hình 3.18 dưới đây với mục đích: (1) Tìm tất cả các bộ thông số { E , z1 , R1 , rcl } thỏa mãn các điều kiện hình thành biên dạng cặp rôto và thỏa mãn tiêu chí mòn đều động học ở chương 2 và đạt được lưu lượng thiết kế Qtk cho trước. (2) Từ các bộ thông số đã tìm được ở trên tìm ra bộ thông số có kích thước hướng kính nhỏ nhất Rch được cho bởi công thức 2.116 ở chương 2. Với sai số tính toán Q được đưa vào để thuật toán hội tụ nghiệm và gia số R1 để xác định độ min của thuật toán. 3.4.2 Ứng dụng thuật toán trong thiết kế bơm bôi trơn động cơ Trên cơ sở thuật toán đã trình bày ở mục 3.4.1 trong phần này luận án tiến hành tìm bộ thông số thiết kế đặc trưng { R1 , rcl } của các loại bơm bôi trơn: Diesel D20 - SZ1110, Động cơ xe máy Honda 110CC, Động cơ xe máy Honda 125CC khi cho trước các thông số trong bảng 3.1, để tiến hành chế tạo thử nghiệm chạy thuật toán với R1 0.5mm và sai số Q 0.005mm3 . 3.5 Thuật toán xác định thông số R theo các kích thƣớc đặc trƣng {E, z1, R1, rcl} nhằm thỏa mãn điều kiện lƣu lƣợng cho trƣớc 3.5.1 Sơ đồ thuật toán Như đã trình bày trong mục đặt vấn đề thuật toán trình bày ở mục 3.4 chưa xác định được bán kính chân răng hình thành rôto trong { R }. Để xác định bán kính R thỏa mãn thể tích khoang bơm thực trùng với thể tích khoang bơm tính toán theo lý thuyết và các điều kiện R đã được xác định trong mục 2.2.3 của luận án, trong nội dung này luận án đưa ra thuật toán cụ thể như sau: Bƣớc 1: Xác định diện tích tiết diện khoang bơm S jLT theo lưu lượng lý thuyết đã được xác định ở mục 3.2. 1 1 2 2 S jLT 2 (z1 1) (PK j 1) (PK j ) d (3.74) Từ (3.74) ta có diện tích lớn nhất của một khoang bơm theo lý thuyết đã xác định theo 4 thông số { E , z1 , R1 , rcl }. 19
23. Bƣớc 2: Xác định diện tích thực của khoang bơm theo kích thước thiết kế theo lý thuyết đã trình bày ở mục 3.3. Trong công thức tính phần diện tích này có mặt thông số R và được gọi là S jGT được cho bởi (3.72) Bƣớc 3: Quét từ Rmin tới Rmax trong quá trình quét số tính các giá trị S jGT theo R và so sánh với S jGT với sai số S để thuật toán hội tụ, còn R là gia số lặp của thuật toán. Hình 3.19 dưới đây là thuật toán tìm giá trị R theo Q và { E , z1 , R1 , rcl }. 3.6.2 Ứng dụng thuật toán tìm R trong thiết kế biên dạng rôto của bơm bôi trơn động cơ Áp dụng thuật toán tìm R với S 0.01mm2 còn R 0.5mm ta tìm được thông số thiết kế đặc trưng của rôto trong R theo diện tích khoang bơm và các thông số đặc trưng của các bơm Hypôgerôto: Diesel D20 - SZ1110, Động cơ xe máy Honda 110CC, Động cơ xe máy Honda 125CC Chƣơng 4 THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG VÀ XÂY DỰNG ĐƢỜNG ĐẶC TÍNH CỦA BƠM HYPÔGERÔTO 4.1 Thiết kế chế tạo bơm bánh răng xyclôít ăn khớp trong (bơm Hypôgerôto) Với các kích thước thiết kế bơm được xác định theo cơ sở lý thuyết và cho trong bảng 3.3 của luận án, tác giả tiến hành thiết kế và chế tạo các mẫu bơm Hypôgerôto: (1) Động cơ xăng: Động cơ xe máy có dung tích 110CC và 125CC; (2) Động cơ dầu: Máy nông nghiệp D20 - SZ1110. 4.2 Thí nghiệm xác định lƣu lƣợng riêng của bơm Sơ đồ thiết bị thí nghiệm đo lƣu lƣợng riêng của bơm Mục đích của thí nghiệm này nhằm kiểm chứng thuật toán và phương pháp luận của lý thuyết đã thực hiện trước đó. Để tổ chức thực hiện thí nghiệm tác giả đã tiến hành chạy rà các mẫu bơm trong 48 giờ và tiến hành căn chỉnh sau khi chạy rà trong các đồ gá đo (xem hình 4.1) Trình tự thí nghiệm đo lƣu lƣợng riêng bơm Từ kết quả thí nghiệm đo lưu lượng các mẫu bơm trên ta nhận thấy: 20
24. i) Lưu lượng đo ( QTN ) thực tế nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết QLT sai số lưu lượng đo thực tế so với lý thuyết là từ 1% 14 đến 7% điều này có thể 2 khẳng định độ tin cậy của lý thuyết và thuật toán mà luận 15 2 án đã nghiên cứu tìm ra, 16 2 3 4 5 6 7 8 còn sai số giữa lý thuyết và 2 2 2 2 2 2 thí nghiệm là do trong biểu 9 thức tính lưu lượng chưa 2 xét đến khe hở cạnh răng, 10 2 2 khe hở mặt đầu và độ nhớt 11 12 13 2 1 của dầu chảy qua bơm M 2 2 2 ii) Khi độ nhớt giảm thì tổn thất do rò rỉ lưu lượng qua khe hở cạnh răng và khe hở Hình 4.1 Sơ đồ đo lưu lượng bơm mặt đầu càng lớn dẫn đến hiệu suất thể tích giảm và làm sai số tăng lên. 4.3 Thí nghiệm xác định đƣờng đặc tính của bơm 4.3.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định đƣờng đặc tính Hypôgerôto là một loại 24 23 bơm thủy lực thể tích nên n sau khi chế tạo cần phải Q t P t xác định đường đặc tính P 1 16 SK ( i ) – Q theo các giá trị của Q j 22 21 20 19 và P. Việc đo các giá trị 17 Q, P được thực hiện theo 18 3 4 5 6 7 8 sơ đồ hình 4.2 9 4.3.2 Trình tự thí 2 nghiệm xác định 10 11 12 13 14 15 2 2 2 2 đƣờng đặc tính M1 Để xác định đường đặc tính của bơm sau khi Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng (Qđ), áp suất (P) bơm theo thời gian (t) 21
25. P [bar] chế tạo, thí nghiệm được tổ chức 4.50 n=1000 thực hiện theo quy trình sau: tiến [vòng/phút] 4.00 hành gia tải thông qua van (14) từ 3.50 v/p 0 tốc độ 500 v/p 500 tốc độ 3.00 tốc độ 750 v/p 750 tốc độ ( P 0 , Q ) đến ở thuyết lý Lưu lượng max n=750 100 tốc độ Lưu lượng lý thuyết ở ở thuyết lý Lưu lượng 2.50 [vòng/phút] ở thuyết lý Lưu lượng ( P P , Q 0) với gia số gia tải max 2.00 P 0.5bar (sau mỗi lần gia tải) 1.50 n=500 được gọi là một điểm đo. Tại mỗi 1.00 [vòng/phút] điểm đo số lần trích mẫu là 60 lần, 0.50 0.00 mỗi lần 1 giây và lấy giá trị trung 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.3 Đường đặc tính của bơm bôi trơn bình tại mỗi điểm đo. động cơ Honda 110CC khi thí nghiệm với dầu 4.4 Thí nghiệm xác định dao động lƣu lƣợngbôi của trơn SAE2bơm Ở trường hợp này quá trình thí nghiệm cũng được tiến hành khi dòng chảy ổn định và đo trực tiếp sau bình điều hòa. Thí nghiệm xác định dao động lưu lượng của bơm bôi trơn động cơ xe máy Hon da dung tích 110CC Q(l/p) SAE2 0.8 n=1000(vg/p) 0.7 P=1(bar) 0.6 SAE2 SAE3 0.5 n=750(vg/p) P=1(bar) 0.4 SAE2 0.3 n=500(vg/p) SAE3 P=1(bar) 0.2 0 10 20 30 40 50 60 t (phút) Hình 4.10 Lưu lượng tức thời  0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 SAE2 SAE3 SAE3 0.05 SAE2 SAE2 SAE3 0 500 750 1000 n (vg/p) Hình 4.11 Dao động lưu lượng Kết luận chƣơng 4 Từ những phân tích, đánh giá, thảo luận, thí nghiệm chương 4 của luận án có những đóng góp cụ thể về mặt tối ưu thiết kế kiểu bơm bôi trơn biên dạng hypôxyclôít, cụ thể như sau: i) Tính đúng đắn của phương pháp luận và thuật toán đã nghiên cứu ii) Đã xây dựng được đường đặc tính làm việc của bơm. Qua thực nghiệm đã chỉ ra được để chất lượng dòng chảy ổn định (để mấp mô thấp) thì cần chọn tốc độ làm việc của bơm ở tốc độ lớn. 22
26. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Việc xây dựng biểu thức tính toán thiết kế hoàn thiện kích thước bơm nhằm đảm bảo về mặt thủy lực cũng như tối ưu hóa thiết kế bơm bôi trơn Hypôgerôto trong các hệ thống bôi trơn của động cơ thế hệ mới là cần thiết và đang là xu hướng của nền công nghiệp ôtô và các phương tiện cơ giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu. Để có được những bản thiết kế tối ưu về mặt kích thước và đảm bảo các yêu cầu về lưu lượng, áp suất, chất lượng dòng chảy sau bơm luận án đã đề ra mục tiêu phải tìm được các điều kiện biên và điều kiện hình thành biên dạng bánh răng hypôxyclôít, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số thiết kế đặc trưng {R, R1, rcl} đến điều kiện mòn đều theo tiêu chí động học cũng như đến khả năng tồn dư chất lỏng sau mỗi vòng quay dẫn đến hiện tượng hụt lưu lượng so với thiết kế. Từ những kết quả nghiên cứu trên đây những đóng góp chính của luận án: iii) Về mặt lý thuyết thiết kế hình học luận án đã nghiên cứu tìm ra được các điều kiện biên hình thành biên dạng cặp rôto của bơm Hypôgerôto nhằm giải quyết triệt để các hiện tượng: giao thoa đỉnh răng, cắt lẹm chân răng, giao thoa đỉnh răng và cạnh răng, tránh va chạm, kẹt răng mà các nghiên cứu khác cho đến thời điểm hiện tại chưa giải quyết được triệt để. iv) Đã tìm ra công thức tính chính xác bán kính đỉnh răng bánh rôto trong nhằm đảm bảo điều kiện mòn đều hai biên dạng đối tiếp theo tiêu chí động học nhằm góp phần nâng cao tuổi thọ của bơm Hypôgerôto. iii) Đưa ra được thuật toán xác định chính xác bán kính chân răng bánh răng trong nhằm đảm bảo bơm được thiết kế đúng với lưu lượng cho trước không bị hụt lưu lượng so với thiết kế mà cũng không bị thừa chất lỏng có hại cho máy. iv) Xây dựng được thuật toán tối ưu các tham số thiết kế đặc trưng theo lưu lượng cho trước nhằm đảm bảo kích thước nhỏ nhất. KIẾN NGHỊ Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, một số vấn đề sau chưa được đề cập tới và cũng là những ý tưởng đề xuất để tiếp tục hoàn thiện kết quả nghiên cứu ở mức độ hoàn thiện hơn về mặt công nghệ cũng như nâng cao tuổi thọ của bơm đó là: 23
27. Một là, nghiên cứu về ma sát bôi trơn thủy tĩnh trong bơm cũng như vật liệu làm hai bánh răng. Hai là, nghiên cứu những vấn đề nội tại về mặt thiết kế cơ khí của bơm như: ứng suất, biên dạng, chuyển vị của các răng trong quá trình ăn khớp, hiện tượng tróc, mỏi trong quá trình làm việc. Ba là, các giới hạn nhỏ nhất, lớn nhất và tốc độ quay làm bơm có thể mất áp và mất lưu lượng, đây là những vấn đề mà thực tế cần quan tâm. 24