-Xác định được tỉ số truyền tối ưu phân phối cho hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài để đạt khối lượng của hệ dẫn động là nhỏ nhất.

Mục tiêu nghiên cứu: - Lựa chọn được thông số thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí dùnghộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp khai triển và bộ truyền đai đểđạt khối lượng của hệ dẫn động

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

- Xuất phát từ những ứng dụng thực tiễn ngày càng rộng rãi của hệdẫn động cơ khí trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy

- Xuất phát từ yêu cầu nghiên cứu thiết kế tối ưu hệ thống dẫn động

cơ khí bao gồm cả hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài mà chưa cónghiên cứu trong và ngoài nước nào đề cập đến

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Lựa chọn được thông số thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí dùnghộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp khai triển và bộ truyền đai đểđạt khối lượng của hệ dẫn động là nhỏ nhất

- Xác định được tỉ số truyền tối ưu phân phối cho hộp giảm tốc và

bộ truyền ngoài để đạt khối lượng của hệ dẫn động là nhỏ nhất

3 Các kết quả đạt được trong luận văn

- Tìm hiểu chung về hệ dẫn động và hệ dẫn động cơ khí

- Xác định được thông số thiết kế tối ưu cho hệ dẫn động cơ khídùng hộp giảm tốc và bộ truyền đai

- Xác định được tỉ số truyền tối ưu phân phối cho hộp giảm tốc và

bộ truyền ngoài để đạt khối lượng của hệ dẫn động là nhỏ nhất

- Đề xuất được phương trình thể hiện mối liên hệ giữa tỉ số truyềncủa hộp giảm tốc và bộ truyền đai cho từng loại đai nhằm đạtđược giá trị khối lượng tối ưu cho hệ dẫn động

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 Các hệ dẫn động và hệ dẫn động cơ khí

- Trong các thiết bị và dây chuyền công nghệ có thể sử dụng nhiềuloại truyền động khác nhau: Truyền động cơ khí, truyền động điện, truyềnđộng thủy lực và truyền động khí ép

- Trong các loại truyền động thì truyền động cơ khí được sử dụngnhiều hơn cả Truyền động cơ khí là truyền động dùng các cơ cấu đểtruyền cơ năng từ động cơ đến các bộ phận làm việc của máy, thôngthường có biến đổi vận tốc, lực, mô men và đôi khi biến đổi cả đặc tính,quy luật chuyển động

- Truyền động cơ khí dựa trên hai nguyên lý:

+ Truyền động bằng ma sát: Truyền động bánh ma sát, truyền độngđai

+ Truyền động bằng ăn khớp: Truyền động bánh răng, truyền độngtrục vít - bánh vít, truyền động xích

Trong công nghiệp, để nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế cũngnhư tính khả thi người ta chỉ chế tạo ra các động cơ điện có công suất vàvận tốc quay là giá trị cụ thể trong các bảng tiêu chuẩn Tuy nhiên, trongsản xuất thực tế, các chuyển động cơ học của máy thường yêu cầu các giátrị công suất ngoài tiêu chuẩn Vì vậy, các động cơ điện không thể truyềntrực tiếp công suất sang cho các hệ thống truyền động mà phải thông quathiết bị chuyển đổi công suất Một trong những thiết bị phổ biến nhất làhộp giảm tốc Hộp giảm tốc là cơ cấu truyền động cơ khí bằng nguyên lý

ăn khớp trực tiếp với tỉ số truyền không đổi nhằm giảm vận tốc góc và

tăng mô men xoắn Vậy một hệ thống máy chuyển động cần phải có động

cơ, bộ truyền, hộp giảm tốc (hoặc hộp tăng tốc) và hệ thống tải Một hệthống như vậy được gọi là hệ thống dẫn động cơ khí

1.2 Sự cần thiết của tối ưu hóa hệ dẫn động cơ khí

Vấn đề tính toán thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí nói chung và một

số bộ phận của hệ dẫn động nói riêng được chú trọng nhiều trong nhữngnăm gần đây Trong tính toán thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí thì việcthiết kế tối ưu hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài đóng vai trò rất quan trọng

vì chúng là những bộ phận chính của hệ dẫn động cơ khí Hơn nữa, quátrình thiết kế tối ưu hộp giảm tốc và bộ truyền ngoài có liên hệ mật thiếtvới nhau vì tỉ số truyền của hộp giảm tốc và của bộ truyền ngoài có ảnhhưởng trực tiếp đến khối lượng của toàn hệ dẫn động

1.3 Mục tiêu của luận văn

- Thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơ khí dùng hộp giảm tốc bánh răng trụhai cấp khai triển và bộ truyền đai Qua đó lựa chọn được thông số thiết kếtối ưu cho hệ dẫn động

- Xác định được tỉ số truyền hợp lý dùng trong hệ dẫn động gồm hộpgiảm tốc bánh răng trụ hai cấp khai triển và bộ truyền đai để đạt được khốilượng hệ dẫn động là nhỏ nhất

1.4 Kết luận chương 1

- Hệ dẫn động cơ khí đã được sử dụng rộng rãi và có một vị trí quantrọng trong ngành công nghiệp nói chung và cơ khí nói riêng Tính toánthiết kế tối ưu hệ dẫn động được đặc biệt quan tâm nghiên cứu trong nhiềunăm trở lại đây

- Các hệ truyền động chính được sử dụng trong công nghiệp đã đượcgiới thiệu từ đó cấu tạo cũng như vai trò của hệ dẫn động cơ khí đã đượckhảo sát.

- Hệ dẫn động cơ khí bao gồm nhiều bộ phận trong đó hộp giảm tốc

và bộ truyền ngoài đóng vai trò rất quan trọng Do đó hộp giảm tốc và bộtruyền ngoài đã được lựa chọn là đối tượng để tối ưu hóa

- Trong việc thiết kế tối ưu hộp giảm tốc và bộ truyền đai, tỉ sốtruyền là thông số quan trọng cần được phân phối tối ưu vì chúng có ảnhhưởng rất lớn đến kết cấu, khuôn khổ, khối lượng và qua đó ảnh hưởngđến giá thành của toàn hệ thống

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ

2.1 Một số nghiên cứu của các tác giả trong nước

Các tác giả trong [16] đã tiến hành thiết kế tối ưu hộp tăng tốc bánh

răng trụ răng nghiêng hai cấp khai triển dùng trong máy phát điện sức giótrục đứng Mối quan hệ giữa tỉ số truyền của hộp tăng tốc và số vòng quaycủa máy phát được chỉ ra trên hình 2.1

Hình 2.1 Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp tăng tốc

Hình 2.5 Quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hộp và tỉ số truyền các cấp

[18]

Hình 2.5 trình bày kết quả nghiên cứu về mối liên hệ giữa tỉ sốtruyền chung của hộp và tỉ số truyền các cấp trong hộp giảm tốc bánh răngtrụ răng nghiêng hai cấp phân đôi cấp chậm (được tính toán với

2 1.1, 1 0.3, 2 0.35

Kết quả trên hình 2.5 chỉ ra rằng nếu tỉ số truyền của hộp uh tăng thì

tỉ số truyền các cấp cũng tăng theo, trong đó tỉ số truyền của bộ truyền cấpnhanh u1 tăng nhanh hơn tỉ số truyền của bộ truyền cấp chậm u2 Qua đóxác định được giá trị tối ưu của u2 theo công thức sau [18]:

2 2 3

2.2 Các nghiên cứu của các tác giả nước ngoài

Faruk Mendi, Fatih Emre Boran và đồng nghiệp [6] đã giới thiệu bài

toán tối ưu đa mục tiêu cho các thông số mô đun bánh răng, đường kínhtrục và ổ lăn cho bánh răng trụ răng thẳng bằng thuật toán phát sinh Cáckết quả của bài toán tối ưu được thể hiện trên Hình 2.9, Hình 2.10, Hình2.11[6]

Hình 2.9 Kết quả bài toán tối ưu các thông số mô đun, số răng

Bảng 2.1 Kết quả tối ưu các thông số của hộp tốc độ

Các thông số tối ưu Giá trị tối ưu của thuật toán

Chiều dài của hộp, l (mm) 210

Tương tự bằng thuật toán phát sinh, tác giả đã đưa ra các bảng giá trịtối ưu cho các hàm mục tiêu của trục và ổ lăn trong các bảng 8, 9:

Bảng 2.2 Kết quả tối ưu các thông số của trục

Các thông số tối ưu Giá trị tối ưu của thuật toán

phát sinhĐường kính trục, dmil (mm) 25.30

Chiều dài trục, l1 (mm) 16.46

Chiều dài trục, l2 (mm) 8.85

Thể tích trục tối ưu 75359.124

Bảng 2.3 Kết quả tối ưu các thông số của ổ lăn

Các thông số tối ưu

Giá trị tối ưu của thuật toán phát sinh

Kích thước tiêu chuẩn SKFĐường kính ngoài của ổ, D

Bài toán tối ưu hệ dẫn động còn có thể được giải bằng phương pháp

khác, đó là tối ưu bộ truyền ngoài Các tác giả Hee-Jin Shim và Jung-Kyu

Kim [7] đã đề cập đến vấn đề tối ưu hóa puli đai thang nhằm đạt tuổi thọ

lớn nhất Thiết kế tối ưu của puli đai thang được biểu diễn thông qua mộthàm xấp xỉ và được kiểm nghiệm bằng các thí nghiệm mỏi về độ bền, mụctiêu nhằm nâng cao tuổi thọ của sản phẩm

là một trong những mục tiêu của bài toán thiết kế tối ưu:

Tác giả kiểm nghiệm hàm xấp xỉ bằng việc phân tích bảng các biến thiết

kế và đã thu được kết quả như sau:

Giá trị cực tiểu: Khối lượng

Chương 3 XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU 3.1 Giới thiệu về bài toán tối ưu

3.1.1 Bài toán tối ưu tổng quát

- Bài toán tối ưu là một vấn đề quan trọng không phải chỉ trong lĩnhvực kỹ thuật mà còn trong nhiều lĩnh vực quan trọng khác như kinh tế,nông nghiệp, quốc phòng, an ninh…vv… bởi bài toán tối ưu cho kết quảtốt nhất trong một số điều kiện nhất định Bài toán tối ưu có thể sử dụng đểgiải quyết mọi vấn đề kỹ thuật như: bài toán tối ưu về giá thành là nhỏnhất, bài toán tối ưu về khối lượng nhỏ nhất, bài toán tối ưu lợi nhuận lớnnhất…

3.1.2 Phân loại các bài toán tối ưu

Các bài toán tối ưu, cũng còn được gọi là các bài toán quy hoạchtoán học Nghiên cứu này sẽ đề cập đến bài toán tối ưu đơn mục tiêu vềkhối lượng của hệ gồm hộp giảm tốc và bộ truyền đai là nhỏ nhất và bàitoán về giá thành của hệ là thấp nhất

3.2 Xây dựng hàm đơn mục tiêu khối lượng của hệ gồm hộp giảm tốc

và bộ truyền đai là nhỏ nhất:

3.2.1 Khối lượng hộp giảm tốc

Khối lượng hộp giảm tốc bánh răng trụ khai triển được xác định như sau:

G G G G

a, Khối lượng của vỏ hộp GVH:

3 w1

1 01

1 2

3 w12

Với G1, G2lần lượt là khối lượng cặp bánh răng 1 và 2

Khối lượng cặp bánh răng 1 được biến đổi như sau:

3 3

3.2.2 Khối lượng của bộ truyền đai

a Tính khối lượng dây đai

GDĐ = DĐ .VDĐ.z

Trong đó:

+ DĐ: Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo dây đai

+ VBĐ: Thể tích của dây đai

2 1

3.3 Bài toán tối ưu

Từ các phương trình ta xác định được hàm đơn mục tiêu nhằm đạtkhối lượng nhỏ nhất như sau:

Min G = min ( GH + GBĐ + GDĐ ) = f (utong, uđ) min (3.55)Với các điều kiện ràng buộc:

Hàm đơn mục tiêu cho bài toán tình toán thiết kế tối ưu hộp giảm tốc

và bộ truyền đai đã được xây dựng, đó là: hàm đơn mục tiêu về khối lượngcủa hộp giảm tốc và bộ truyền đai là nhỏ nhất

Từ hàm đơn mục tiêu ở trên, bài toán tối ưu đơn mục tiêu đã đượcxây dựng Bài toán đó là: Bài toán đơn mục tiêu nhằm đạt khối lượng của

hệ (gồm hộp giảm tốc và bộ truyền đai) là nhỏ nhất

Chương 4 GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU 4.1 Lựa chọn phương pháp giải bài toán tối ưu

Có nhiều phương pháp để giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu Dướiđây trình bày một số phương pháp thông dụng sau:

4.1.1 Phương pháp đồ thị

- Phương pháp đồ thị chỉ giải bài toán đơn mục tiêu gồm hai biến Đểđạt được kết quả tối ưu của bài toán này ta sử dụng cách vẽ đồ thị theo cácđiều kiện ràng buộc và hàm mục tiêu Phương pháp đồ thị có ý nghĩa minhhọa và giúp hiểu bản chất vấn đề

4.1.2 Phương pháp biến đổi đơn hình

- Phương pháp này được đưa ra bởi George B Dantzig vào năm

1947 Đây là phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất để giải bài toán quyhoạch tuyến tính Phương pháp biến đổi đơn hình có thể giải bài toán tối

ưu đến hàng nghìn biến; sơ đồ khối giải bài toán như hình 4.2

Hình 4.2 Sơ đồ khối giải bài toán quy hoạch tuyến tính

4.1.3 Phương pháp Gradient liên hợp

Một trong các phương pháp giải bài toán tìm cực tiểu của hàm nhiềubiến là tìm cực tiểu theo một biến liên tiếp để đến gần điểm cực tiểu

4.1.6 Phương pháp tìm kiếm trực tiếp

- Robert Hooke and T A Jeeves đã đưa ra phương pháp tìm kiếmtrực tiếp vào năm 1961 Nội dung của phương pháp này là ở mỗi bước chỉbiến đổi một biến, còn các biến khác giữ nguyên cho tới khi nào đạt giá trịcực tiểu ứng với biến đã biến đổi thì mới biến đổi

- Đây là phương pháp đơn giản, tuy nhiên với những bài toán phứctạp thì sự hội tụ là rất lâu.

Kết luận: Qua phân tích tác giả chọn phương pháp tìm kiếm trực tiếp

để giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu vì phương pháp này cho phép giải đơngiản, dễ thực hiện Ngoài ra, do các hàm mục tiêu đã xây dựng cũng tươngđối đơn giản (chỉ gồm hai biến) nên sử dụng phương pháp này cho hội tụnhanh

4.2 Lập trình giải các bài toán tối ưu

Bằng việc sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp của RobertHooke and T A Jeeves cùng với sự trợ giúp của máy tính bởi phần mềmMatlab bài toán tối ưu đơn mục tiêu đã được giải quyết Các giá trị củaràng buộc sử dụng trong chương trình được chọn như sau:

lượng của hệ cũng tăng theo Vì vậy cần phải phân phối hợp lý tỉ sốtruyền để kết quả là kích thước, khối lượng và giá thành của cả hệ là nhỏnhất.

Hình 4.4 Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hệ dẫn động và tỉ

số truyền hộp giảm tốc và bộ truyền đai

Hình 4.4 biểu diễn mối quan hệ giữa tỉ số truyền chung của hệ dẫnđộng và tỉ số truyền của hộp giảm tốc và bộ truyền đai dùng trong hệ Khi

tỉ số truyền chung của hệ tăng thì tỉ số truyền của hộp và bộ truyền ngoàicũng tăng

Đối với tất cả các loại đai kể trên, việc phân phối tỉ số truyền củahộp giảm tốc và bộ truyền đai được chia ra 3 trường hợp như sau:

+ Trường hợp tỉ số truyền chung của hệ dẫn động cần truyền trongkhoảng 5 đến 10 (utong = 5÷10): Hệ đạt khối lượng nhỏ nhất khi uđ = uđmin =

1 và uh =utong/ uđ;

+ Trường hợp tỉ số truyền chung của hệ dẫn động cần truyền lớn hơn

120 (Utong > 120): Hệ đạt khối lượng nhỏ nhất khi uđ = uđmax = 6 và uh

=utong/ uđ;

+ Trường hợp tỉ số truyền chung của hệ dẫn động cần truyền trongkhoảng từ 10 đến 120 (10 u tong  120): Hệ đạt khối lượng nhỏ nhất phụ thuộc

vào loại đai và việc phân phối tỉ số truyền tương ứng trong hệ dẫn động,cụ thể như sau:

(a)

(b)

(c)

- Nghiên cứu đã tiến hành tính toán thiết kế tối ưu hệ dẫn động cơkhí dùng hộp giảm tốc hai cấp khai triển và bộ truyền đai nhằm đạt khốilượng nhỏ nhất; tìm ra mối liên hệ giữa tỉ số truyền của hộp giảm tốc và bộtruyền đai được phân phối trong hệ dẫn động để đạt kết quả tối ưu về khốilượng của hệ Qua đó thấy rõ việc xác định ảnh hưởng của tỉ số truyền vàvấn đề phân phối tỉ số truyền trong hệ dẫn động cơ khí có vai trò rất quantrọng vì nó quyết định đến khối lượng của toàn hệ.

- Đã khảo sát, phân tích và đánh giá các nghiên cứu trước đây về vấn

đề tối ưu hóa hệ dẫn động và các bộ phận chính của hệ là hộp giảm tốc và

bộ truyền ngoài Qua đó đã lựa chọn được mục tiêu nghiên cứu: Nghiên

cứu lý thuyết để tìm ra thông số thiết kế tối ưu cho hệ dẫn động dùng hộpgiảm tốc hai cấp khai triển và bộ truyền đai.

- Đã đề xuất được phương trình thể hiện mối liên hệ giữa tỉ số truyềncủa hộp giảm tốc và bộ truyền đai cho từng loại đai nhằm đạt được giá trịkhối lượng và tối ưu cho hệ dẫn động, cụ thể như sau:

Đối với tất cả các loại đai, việc phân phối tỉ số truyền của hộp giảmtốc và bộ truyền đai được chia ra 3 trường hợp như sau:

+ Trường hợp tỉ số truyền chung của hệ dẫn động cần truyền trongkhoảng 5 đến 10 (utong = 5÷10): Hệ đạt khối lượng nhỏ nhất khi uđ = uđmin =

1 và uh =utong/ uđ;

+ Trường hợp tỉ số truyền chung của hệ dẫn động cần truyền lớn hơn

120 (utong > 120): Hệ đạt khối lượng nhỏ nhất khi uđ = uđmax = 6 và uh =utong/

uđ;

+ Trường hợp tỉ số truyền chung của hệ dẫn động cần truyền trongkhoảng từ 10 đến 120 (10 u tong  120): Hệ đạt khối lượng nhỏ nhất phụ thuộcvào loại đai và việc phân phối tỉ số truyền tương ứng trong hệ dẫn động:

Mặc dù nghiên cứu đã đạt được những kết quả rất hữu ích cho việcthiết kế và chế tạo hệ dẫn động cơ khí nhưng vẫn còn một số kiến nghị chocác nghiên cứu tiếp theo như sau:

- Nghiên cứu này mới chỉ tính toán tối ưu hệ dẫn động cơ khí dùnghộp giảm tốc dùng bánh răng trụ răng nghiêng hai cấp khai triển, vậy việctính toán tối ưu cho các loại hộp giảm tốc khác như: hộp giảm tốc trục vít– bánh vít, hộp giảm tốc hành tinh, hộp giảm tốc ba cấp…là cần thiết

- Kết quả nghiên cứu mới áp dụng được cho hệ dẫn động gồm hộpgiảm tốc và bộ truyền đai Trên thực tế đôi khi còn dùng hộp giảm tốc và

bộ truyền xích Do vậy cần thiết tiến hành nghiên cứu phân phối tỉ sốtruyền cho trường hợp này

Trên đây là một số hạn chế của luận văn mà tôi sẽ tiếp tục tìm hiểutrong thời gian tới Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn dokiến thức có hạn, khả năng lĩnh hội các kiến thức mới còn hạn chế nên nộidung luận văn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo củacác thầy cô

Tôi xin chân thành cảm ơn!