Nghiên cứu xác định kích thước tối ưu theo lưu lượng của bơm hypôgerôto tt

LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Bơm thủy lực thể tích (TLTT) bánh ăn khớp có biên dạng đường cong xyclơít lần phát minh F.Hill vào năm 1920 [1] hay gọi bơm TLTT rơto với ngun lý hoạt động ví động Vanken Dựa nguyên lý hình thành biên dạng đặc điểm ăn khớp cặp bánh có biên dạng họ đường cong xyclơít mà loại bơm phân thành hai loại là: (i) Khi đường cong xyclơít dùng làm biên dạng cặp bánh (cặp rơto) đường epixyclơít gọi bơm Gerơto; (ii) Khi đường cong xyclơít dùng làm biên dạng cặp bánh (cặp rôto) đường cong hypơxyclơít gọi bơm Hypơgerơto Trong q trình phát triển gần trăm năm qua loại bơm nghiên cứu phát triển ngày hoàn thiện cho ứng dụng hệ thống bôi trơn [2, 3], kết có nhiều phát minh sáng chế sau kết nghiên cứu [4, 5] Do đặc điểm kích thước nhỏ gọn làm việc êm, không ồn lưu lượng lớn loại bơm TLTT kích thước mà từ năm 50 kỷ trước loại bơm ứng dụng hệ thống bôi trơn động đốt Do đó, loại bơm nghiên cứu phát triển với phát triển ngành công nghiệp ôtô giới Tuy nhiên, thời gian đầu việc chế tạo rơto ngồi với vành có biên dạng đường cong hypơxyclơít gặp nhiều khó khăn giá thành gia công chế tạo cao nhiều so với cặp bánh có biên dạng epixyclơít, nên hầu hết nghiên cứu trước tập trung vào hoàn thiện lý thuyết ứng dụng chủ yếu cho loại bơm bơi trơn Gerơto, loại bơm Hypơgerơto nhắc đến mặt hình học sách lý thuyết bánh răng Litvin vào năm 1950 [12] Cho đến năm cuối cách mạng công nghiệp lần thứ bước vào thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 với phát triển máy công cụ điều khiển số đại xuất phương pháp gia công mới, dẫn đến việc gia công chế tạo bánh hypơxyclơít với vành trở lên đơn giản giá thành sản xuất hai loại bánh epixyclơít hypơxyclơít Điều dẫn đến loại bơm hypôgerôto bắt đầu nghiên cứu trở lại năm gần 2009 [13] Mặt khác, ngành công nghiệp ô tô ngày phát triển với mẫu xe ô tô đại theo xu tiết kiệm nhiên liệu tiêu thụ việc bôi trơn tốt đóng vai trò quan trọng xu này, để tiết kiệm từ 10 ÷ 15% lượng nhiên liệu tiêu thụ Chính vậy, động lực cho việc lựa chọn đối tượng nghiên cứu tác giả luận án bơm Hypôgerôto với mục tiêu đặt tối ưu thông số thiết kế đặc trưng bơm theo lưu lượng cho trước Mục tiêu luận án Luận án đặt mục tiêu tối ưu tham số thiết kế đặc trưng {R, rcl, R1} bơm bôi trơn hypôgerôto theo {E, z1} lưu lượng Q cho trước nhằm giảm kích thước hướng kính thiết kế bơm đảm bảo lưu lượng, áp suất chất lượng dòng chảy sau bơm Để đạt mục tiêu đề luận án phải giải vấn đề cụ thể sau: i) Xác định điều kiện hình thành biên dạng bánh (rôto trong) bánh ngồi (rơto ngồi) nhằm đảm bảo lưu lượng áp suất không xảy tượng tồn đọng chất lỏng sau vòng quay gây lực qn tính ly tâm có hại cho máy Trên sở xác định xác bán kính chân bánh ii) Trên sở phân tích động học đưa điều kiện xác định bán kính đỉnh bánh rcl nhằm đảm bảo điều kiện mòn hai biên dạng đối tiêu chí động học điều kiện bánh kính R chân rôto đảm bảo không va chạm với rôto ngồi q trình làm việc iii) Xây dựng thuật toán tối ưu tham số thiết kế đặc trưng sở điều kiện biên đưa luận án để đảm bảo kích thước hướng kính nhỏ mà đáp ứng lưu lượng áp suất chất lượng dòng chảy sau bơm Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu chung luận án bơm thủy lực thể tích bánh ăn khớp biên dạng xyclơít ứng dụng phổ biến hệ thống bơi trơn Trong đó, đối tượng cụ thể loại bơm rôto kiểu bánh ăn khớp Hypôgerôto, với rơto ngồi có biên dạng đường hypơxyclơít rơto có biên dạng cung tròn lồi lõm, ứng dụng hệ thống bôi trơn động đốt 3.2 Phạm vi nghiên cứu luận án Đối với loại bơm bôi trơn động đốt thông số quan trọng lưu lượng, áp suất, chất lượng dòng chảy dòng chất lỏng sau bơm (dao động lưu lượng dao động áp suất) Do đó, phạm vi luận án tập trung vào việc tối ưu thông số thiết kế đặc trưng nhằm đảm bảo thông số quan trọng nâng cao tuổi thọ bơm thơng qua điều kiện mòn cặp bánh hypơxyclơít hình thành khoang hút đẩy bơm Hypôgerôto Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học Các kết nghiên cứu luận án điều kiện biên hình thành biên dạng bánh răng, điều kiện tránh va chạm rơto rơto ngồi q trình làm việc, điều kiện mòn biên dạng cặp bánh theo tiêu chí động học, thuật tốn tối ưu tham số thiết kế theo lưu lượng cho trước có ý nghĩa quan trọng việc phát triển hoàn thiện lý thuyết thiết kế loại bơm hệ thống bôi trơn động đốt Ngoài ra, kết nghiên cứu luận án góp phần đem lại nhận thức việc tối ưu tính tốn thiết kế loại bơm Hypơgerơto mà nhiều cơng trình nghiên cứu trước chưa nhìn nhận cách đầy đủ 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Các điều kiện biên đưa luận án như: điều kiện hình thành biên dạng răng, điều kiện mòn biên dạng theo tiêu chí động học, điều kiện để đẩy hết dầu vòng quay, điều kiện tránh va chạm rơto rơto ngồi v.v làm cho thuật toán tối ưu nhanh hơn, kết thiết kế xác mà khơng cần phải có giải pháp phụ rãnh hồi dầu góp phần nâng cao tuổi thọ bơm Kết toán tối ưu luận án thiết kế số bơm bơi trơn có kích thước nhỏ mà đáp ứng yêu cầu lưu lượng, áp suất chất lượng dòng chảy áp suất đầu bơm Do đó, kết nghiên cứu luận án có ý nghĩa thực tiễn cao việc phát triển loại bơm Hypôgerôto hệ thống bơi trơn nói chung hệ thống bơi trơn động đốt nói riêng Những đóng góp luận án Với mục tiêu đề luận án có đóng góp cụ thể sau: i) Về mặt lý thuyết thiết kế hình học luận án nghiên cứu tìm điều kiện biên hình thành biên dạng cặp rôto bơm Hypôgerôto nhằm giải triệt để tượng: nhọn đỉnh răng, cắt lẹm chân răng, giao thoa đỉnh cạnh răng, tránh va chạm, kẹt mà nghiên cứu khác thời điểm chưa giải triệt để ii) Đã tìm cơng thức tính xác bán kính đỉnh rơto nhằm đảm bảo điều kiện mòn hai biên dạng đối tiêu chí động học nhằm góp phần nâng cao tuổi thọ bơm Hypơgerơto iii) Đưa thuật tốn xác định xác bán kính chân bánh nhằm đảm bảo bơm thiết kế với lưu lượng cho trước nhằm đảm bảo không bị hụt lưu lượng so với thiết kế mà không bị thừa chất lỏng có hại cho máy iv) Xây dựng thuật toán tối ưu tham số thiết kế đặc trưng theo lưu lượng cho trước nhằm đảm bảo kích thước nhỏ Phƣơng pháp nghiên cứu luận án Để đạt mục tiêu đề phương pháp nghiên cứu luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm đo đạc thiết bị thí nghiệm để kiểm chứng lý thuyết, cụ thể là: i) Tìm hiểu phân tích tổng hợp tài liệu khoa học, cơng trình nghiên cứu lĩnh vực bơm TLTT bánh ăn khớp (BRAKT) biên dạng xyclơít Để từ phân tích đánh giá ưu nhược điểm phương pháp nghiên cứu có, sở kế thừa trí thức đại cập nhật nhân loại lĩnh vực lý thuyết ăn khớp bánh xyclơít mà luận án quan tâm để tiếp tục nghiên cứu, phát triển hồn thiện vấn đề tồn đọng chưa giải chưa quan tâm lĩnh vực bơm bơi trơn kiểu Hypơgerơto tính đến thời điểm ii) Chế tạo mẫu bơm thử nghiệm theo kết nghiên cứu lý thuyết luận án xây dựng phương pháp đo Từ tổ chức triển khai thí nghiệm để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết khảo sát đánh giá chất lượng bơm chế tạo như: xây dựng đường đặc tính, khảo sát dao động lưu lượng bơm theo độ nhớt tốc độ quay Bố cục luận án Luận án trình bày chương với nội dung cụ thể sau: Chương Tổng quan bơm thủy lực thể tích bánh xyclơít ăn khớp trong: Trình bày tổng quan q trình phát triển bơm thủy lực thể tích bánh ăn khớp biên dạng xyclơít ứng dụng loại bơm Ngoài ra, tổng hợp phân tích đánh giá kết nghiên cứu nước lĩnh vực bơm bánh xyclơít ăn khớp trong, sở xác định nhiệm vụ nghiên cứu luận án Chương Xác định điều kiện hình thành biên dạng cặp rơto: Trình bày thiết lập mơ hình tốn học, mơ tả biên dạng hai rôto (rôto rơto ngồi) Trên sở xác định điều kiện biên hình thành biên dạng rơto tượng trượt biên dạng q trình ăn khớp Từ đó, xác định điều kiện để hai biên dạng đối tiếp mòn theo tiêu chí động học nhằm góp phần nâng cao tuổi thọ bơm Chương Tối ưu thông số thiết kế đặc trưng theo lưu lượng: Trình bày phương pháp thiết lập mơ hình tính tốn học xác định lưu lượng bơm Từ kết hợp với sở lý luận xây dựng chương để thiết lập giải thuật tối ưu thơng số kích thước thiết kế theo lưu lượng cho trước nhằm đảm bảo kích thước nhỏ Chương Thí nghiệm kiểm chứng lưu lượng xác định đường đặc tính bơm bánh hypơgerơto: Trình bày sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng, áp suất kết thí nghiệm đo lưu lượng, áp suất số bơm mẫu chế tạo theo kết nghiên cứu luận án Từ bàn luận, thảo luận đánh giá kiểm chứng tính xác sở lý luận thuật toán mà luận án đưa Kết luận kiến nghị: Tóm tắt kết đạt đóng góp luận án, bàn luận khả ứng dụng kết nghiên cứu luận án vào thực tế kiến nghị hướng phát triển luận án Chƣơng TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC VỀ VỀ BƠM THỦY LỰC THỂ TÍCH BÁNH RĂNG XYCLƠÍT ĂN KHỚP TRONG 1.1 Bơm thủy lực thể tích bánh xyclơít ăn khớp Như trình bày phần mở đầu bơm bánh ăn khớp có biên dạng xyclơít loại máy thủy lực thể tích (TLTT) kiểu rơto (RT) phát minh lần M F Hill vào năm 1920 sử dụng phổ biến hệ thống bôi trơn hệ thống trợ lực ôtô, xe máy đại 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Như trình bày mặt cấu tạo thành phần bơm cặp RT biên dạng xyclơít ăn khớp (xem hình 1.4) Nếu RTT có biên dạng cung tròn TRN có biên dạng đường hypơxyclơít kéo dài hình 1.4a Hình 1.4 Cấu tạo bơm bánh xyclơít (bơm hypơgerơto), RTN có biên dạng cung tròn RTT có biên dạng đường epixyclơít keo dài hình 1.4b (bơm gerơto) 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc Bơm TLTT bánh ăn khớp biên dạng xyclơít loại máy thủy lực thể tích kiểu RT phát minh lần vào năm 1920 [1] Từ đó, ngồi nước có nhiều nghiên cứu Hình 1.8 Tổng hợp nghiên cứu bơm TLTT bánh ăn khớp biên dạng xyclơít theo 10 năm gần loại bơm Tuy nhiên, thời gian đầu số lượng nghiên cứu loại bơm bị hạn chế nhà khoa học quan tâm, năm gần lĩnh vực lại có nhiều nhà khoa học quan tâm điều minh chứng số lượng nghiên cứu cơng bố (xem hình 1.8) 1.4 Tình hình nghiên cứu nƣớc bơm TLTT bánh ăn khớp biên dạng xyclơít 1.4.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc bơm TLTT a) Nghiên cứu biên dạng rôto Biên dạng rôto vấn đề ln nhà nghiên cứu ngồi nước quan tâm, việc mơ hình hóa biên dạng cặp bánh xyclơít tiếp cận nhiều hướng nghiên cứu khác như: (i) Biên dạng xyclơít thơng thường; (ii) Biên dạng xyclơít cải tiến; (iii)Biên dạng xyclơít đặc biệt b) Nghiên cứu lƣu lƣợng áp suất Lưu lượng áp suất vấn đề đặc biệt quan trọng bơm TLTT nói chung bơm TLTT bánh ăn khớp biên dạng xyclơít nói riêng Các vấn đề nghiên cứu: (i) nghiên cứu xác định lưu lượng, áp suất bơm; (ii) nghiên cứu ảnh hưởng kích thước khe hở đến lưu lượng, áp suất; (iii) nghiên cứu cải tiến biên dạng cặp rôto để tăng lưu lượng bơm c) Khe hở chi tiết chuyển động vị trí cửa vào thân bơm Các nghiên cứu đề xuất phương pháp mô hình hóa biên dạng cặp rơto cơng thức lý thuyết xác định lưu lượng, áp suất mà chưa thể kết hợp lý thuyết với vấn đề chế tạo thực nghiệm như: sai số gia công chế tạo, khe hở cạnh cặp đối tiếp, khe hở mặt đầu rôto với thân bơm, vị trí cửa vào dòng chất lỏng v.v yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng áp suất bơm TLTT nói chung bơm Gerơto nói riêng 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc bơm TLTT bánh ăn khớp biên dạng xyclơít Bơm thủy lực thể tích bánh ăn khớp biên dạng xyclơít giới thiệu giáo trình nguyên lý máy chuyên nghiệp năm 1970 [119] Tuy nhiên, nhà khoa học nước chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ứng dụng cặp bánh epixyclơít thiết kế truyền động (hộp giảm tốc) khớp quay robot hay truyền động máy điều khiển số điển [121-125] ứng dụng thiết kế bơm TLTT chưa quan tâm mức có vài cơng trình nghiên cứu loại bơm bánh thủy lực thể tích biên dạng epixyclơít Nguyễn Đức Hùng [120] Kết luận chƣơng Từ tổng hợp, phân tích đánh giá cho thấy từ bắt đầu xuất có nhiều nghiên cứu chuyên sâu bơm TLTT như: (1) Về biên dạng: nghiên cứu phương trình biên dạng đặc điểm ăn khớp cặp bánh ăn khớp biên dạng epixyclơít hypơxyclơít nhiều nhà nghiên cứu nước quan 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 nghiên cứu đặc điểm hình thành biên dạng phục vụ thiết kế loại hộp giảm tốc bánh chốt lăn epixyclơít bơm Gerơto loại bánh hypơxyclơít gần nghiên cứu ứng dụng Kwon đồng nghiệp (2010) [30] phương pháp tâm vận tốc tức thời Trong nghiên cứu Kwon đưa giới hạn thông số đặc trưng: R1 , rcl max , Rmin để thỏa mãn điều kiện tránh tượng giao thoa đỉnh bánh hypơxyclơít q trình hình thành bơm Hypơgeroto, vấn đề như: va chạm rơto rơto ngồi gây kẹt răng, nhọn đỉnh rôto trong, giới hạn cung ăn khớp đỉnh rôto chồng lấn biên dạng chân rôto lên phần cung ăn khớp đỉnh rôto chưa xét đến mà nhận dạng kiểm tra kinh nghiệm, nghiên cứu chưa đưa điều kiện để xác định cụ thể để cân hệ số trượt mà phân tích thay đổi tham số cách thủ công đưa thuật tốn để tìm thơng số thiết kế đặc trưng nhằm giảm thiểu vận tốc trượt tương đối để hai biên dạng đối tiếp mòn theo tiêu chí động học Do đó, vấn đề mà luận án giải chương để hồn thiện lý thuyết thiết kế bơm Hypơgeroto (2) Về lưu lượng: việc xác định lưu lượng lý thuyết ( Qlt ) toán thiết kế bơm quan trọng Giải vấn đề có nhiều nhà nghiên cứu đưa giải pháp, phương pháp khác như: (1) Phương pháp xác định diện tích khoang bơm; (2) Phương pháp giải tích, phương pháp lại chia thành phương pháp là: (i) Tính tốn lưu lượng lý thuyết theo phương pháp bảo tồn cơng (ii) Tính tốn lưu lượng lý thuyết dựa theo đường ăn khớp phương pháp đại nghiên cứu sử dụng nhiều Tuy nhiên, có vấn đề mà hầu hết nghiên cứu mắc phải quan tâm đến thơng số đặc trưng hình thành bánh xyclơít (epixyclơít hypơxyclơít) làm rơto bơm mà chưa quan tâm đến thông số liên kết (bán kính đỉnh chân răng) bánh đối tiếp với bánh xyclơít Điều dẫn đến từ khâu thiết kế gặp phải tượng: (a) Đọng lượng dầu dư thừa không đẩy hết khỏi bơm; (b) Thiếu hụt lưu lượng so với lý thuyết từ khâu thiết kế, tượng luận án chương Ngoài ra, từ việc tổng hợp lại nghiên cứu bơm thủy lực thể tích bánh xyclơít ăn khớp cho thấy, kết nghiên cứu áp dụng cho bơm Gerơto có biên dạng cặp bánh đường epixyclơít hình thành từu bốn thông số thiết kế đặc trưng {E, z2, R2, rcl} khơng có vấn đề kết tính tốn bơm hypơgerơto có biên dạng cặp bánh đường hypơxyclơít hình thành từ năm thông số thiết kế đặc trưng {E, z1, R1, rcl, R} gặp phải số vấn đề biên dạng cặp bánh hypơxyclơít lưu lương bơm là: i) Giới hạn bán kính chân (R) bánh để tránh tượng khơng hình biên dạng bánh chèn q trình ăn khớp ii) Các biểu thức tính lưu lượng lý thuyết theo phương pháp đường ăn khớp, bảo tồn cơng khơng kể đến thơng số Câu hỏi đặt bán kính R có ảnh hưởng tới thể đến thể tích khoang bơm lưu lượng bơm iii) Các thơng số hình thành biên dạng cặp bánh hypơxyclơít ảnh hưởng đến tốc độ mòn hai bánh iv) Đưa thuật tốn xác định xác bán kính chân bánh nhằm đảm bảo bơm thiết kế với lưu lượng cho trước không bị hụt lưu lượng so với thiết kế mà không bị thừa chất lỏng có hại cho máy Đây vấn đề mà luận án giải để hoàn thiện mặt lý thuyết thiết kế bơm TLTT bánh ăn khớp biên dạng xyclơít nói chung bơm Hypơgerơto nói riêng Chƣơng NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH CẶP BIÊN DẠNG RƠTO THEO CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐẶC TRƢNG 2.1 Thiết lập phƣơng trình tốn học mơ tả biên dạng 2.1.1 Phƣơng trình tốn học mơ tả biên dạng bánh Nếu gọi, rK1 j ( i ) véc tơ xác định điểm K1j thuộc biên dạng rơto xét hệ quy chiếu 1 ta có: Hình 2.1 Cặp biên dạng đối tiếp rK1 j ( i )  [ R1  rcl cos ( i )  rcl sin  ( i ) 0]T (2.9) Khi đó, đưa tọa độ điểm K1j hệ quy chiếu 1 hệ quy chiếu 2 sau biên đổi ta có phương trình biên dạng rơto ngồi cho 2  i   z )  rcl cos  ( i )  i   E cos( i )  x K j ( i )  R1 cos( z1  z1   z1      i i  z 1 i 2    y K j ( i )   R1 sin( z  1)  rcl sin   ( i )  z    E sin( z  1) 1    (2.13) 2.1.2 Bán kính cong biên dạng rơto ngồi Để xác định bán kính cong biên dạng rơto ngồi ta gọi  o ( i ) bán kính cong điểm tiếp xúc Kj đường hypơxyclơít kéo dài theo lý thuyết hình học vi phân [126] ta có:  o ( i )   r1 2   2 cos  i  3/ (2.26) z1  2   ( z1  1) cos  i Nếu gọi  ( i ) bán kính cong biên dạng hypơxyclơít ta có:  ( i )   o ( i )  rcl   r1 2   2 cos  i  3/ z1  2   ( z1  1) cos  i  rcl (2.27) 2.1.3 Biên dạng rôto (bánh cung tròn) Để hình biên dạng rơto liên kết lăn cung tròn tiếp xúc với đường tròn đỉnh liên tiếp để hình thành bánh 10 mơ tả hình 2.4b Như vậy, thông số thiết kế rôto cho { R1 , rcl , R } 2.2 Xác định điều kiện hình thành biên dạng cặp rơto bơm Hypôgerôto 2.2.1 Xác định miền giới hạn thông số thiết kế đặc trƣng R1 Hinh 2.4 Biên dạng rôto Xác định giới hạn nhỏ R1 R1  (rcl2 ( z1  1) )(27( z1  1)) 1 Ez1  (2.57) Xác định giới hạn lớn R1 R1 max  (2 z1  1)(z1  2) 1 Ez1 (2.59) 2.2.2 Xác định miền giới hạn thông số thiết kế đặc trƣng rcl Xác định giá trị lớn rcl 3/ (2.63) Ez1 2 R12  ( Ez1)2 ( z1  1) rcl max  Ez1 3( z1  11 ) Xác định giá trị nhỏ rcl rcl  (2.66) 2.2.3 Xác định miền giới hạn thông số thiết kế đặc trƣng R Cung tròn chân bánh có bán nhỏ điểm tiếp xúc Gj  Ej  (2.71) R  R E  R1 sin  rcl j z1 Cung tròn chân có bán kính lớn điểm tiếp xúc Gj  A1j  tg 2   rcl (2.78) Rmax  R A1 j  R1 sin z1 Để tránh tượng chèn bán Hình 2.7 Giới hạn làm việc đỉnh rơto kính chân R rơto phải nhỏ bán kính đỉnh rơto ngồi (xem hình 2.10) Khi đó, ta có: 11 R  1  R1  Ez1 2  r Ez12  R1 cl (2.80) Từ (2.71), (2.78), (2.80) ta có: R1 sin  z1  rcl  R  R1  Ez1 2 Ez12  R1  rcl (2.82) Hình 2.10 Ăn khớp bánh chưa xảy va chạm 2.3 Đƣờng ăn khớp 2.3.1 Thiết lập phƣơng trình đƣờng ăn khớp Đường ăn khớp cặp bánh hypơxyclơít quỹ tích điểm tiếp xúc Kj cặp biên dạng đối tiếp trình ăn khớp cho bởi:  xK ( i )  R1 cos i  rcl cos( i   i )  E  j 3  yK j ( i )   R1 sin  i r cl sin( i   i ) (2.84) 2.3.2 Bán kính ăn khớp Nếu gọi  Ki ( i ) bán kính ăn khớp Hình 2.12 đường ăn khớp cặp bánh hypơxyclơít điểm ăn khớp thứ j (khoảng cách từ tâm ăn khớp P tới điểm ăn khớp thứ Ki ta có:  K j ( i )  [ rK j ( i ) rP ]T [ rK j ( i ) rP ] (2.85) 2.4 Hiện tƣợng trƣợt biên dạng 2.4.1 Vận tốc điểm ăn khớp Vận tốc điểm K1j K2j (hình 2.15) cho điểm ăn khớp: v K1 j ( i )  1 rK1 j ( i )  v K j ( i )   rK j ( i ) (2.88) Chiếu phương trình (2.88) lên phương tiếp tuyến tt ta có (xem): vKt ( i )  1rK ( i ) cos[1 j ( i )] (2.93  1j 1j  t vK j ( i )  2 rK j ( i ) cos[ j ( i )] Hình 2.15 Sơ đồ tính vận tốc trượt điểm ăn khớp Kj Nếu gọi vtr12 ( i ) , vtr21 ( i ) vận tốc trượt tương đối RTT với RTN RTN so với RTT Khi đó, ta có: 12 vtr12 ( i )  v Kt 1i ( i )  v Kt 2i ( i ) vtr21 ( i )  v Kt 2i ( t i )  v K1i ( i ) (2.94) (2.95) 2.4.2 Đƣờng cong trƣợt Để đánh giá trình mòn hai biên dạng đối tiếp ta gọi 1 j ( i ),  j ( i ) hệ số trượt rôto rơto ngồi: Vtr1 ( i )  1i ( i )  t V K1 j ( i )    ( )  Vtr2 ( i )  2i i VKt j ( i )  (2.96) 2.5 Ảnh hƣởng thông số thiết kế đặc trƣng đến đƣờng cong trƣợt biên dạng Do hai thông số E z1 biết trước nên để đánh giá ảnh hưởng thông số lại đến biên dạng bánh hypơxyclơít đỉnh rôto ta đánh giá qua hai hệ số: hệ số hypơxyclơít  (với   R1 ( Ez1 ) 1 ), hệ số bán kính đỉnh c (với c  rcl ( E ) 1 ) Từ việc khảo sát ảnh hưởng  , c ta thấy: i) Hình dáng hình học đường ăn khớp không phụ thuộc nhiều vào hệ số c tức bán kính đỉnh bánh ii) Khi kích thước R1 lớn đường ăn khớp tiến dần đường tròn làm tăng kích thước hướng kính Khi cặp (  , c ) miền giới hạn hình thành biên dạng lấy  nhỏ c lớn gặp phải tượng chèn (kẹt rôto làm việc) iii) Thông qua đánh giá mục 2.6 cho thấy hệ số c ảnh hưởng đến hệ số trượt nhiều hệ số  , điều có nghĩa người thiết kế ưu tiên hiệu chỉnh rcl để giảm tượng trượt tức hiệu chỉnh hệ số c 2.6 Tối ưu kích thước thiết kế đặc trưng để cặp biên dạng đối tiếp mòn xét mặt động học Theo đặc điểm ăn khớp cặp bánh hypơxyclơít bánh tham gia ăn khớp phần cung tròn đỉnh nên đường cong trượt 1 ( i ) ln mang giá trị dương, đường cong trượt  ( i ) mang giá âm Để hai biên dạng đối tiếp mòn trình ăn khớp 13 cần giảm thiểu biểu thức 1max ( i )   ( i )  Khi để hai biên dạng đối tiếp mòn rcl  ( z1  1) E  R1 2.7 Xác thông số chế tạo rôto theo thông số thiết kế đặc trƣng hình thành biên dạng cặp rơto cấu thành bơm hypơgerơto 2.7.1 Xác định thơng số kích thƣớc rơto Rđ  R1  rcl (2.108) (2.112) 1 Rc1  ( Rđ  Rch1 ) 2.7.2 Xác định thơng số kích thƣớc thiết kế rơto ngồi theo thơng số kích thƣớc đặc trƣng Rđ2 = E + R1 + rcl (2.115) (2.117) Rch2  R1  rcl - E Kết luận chƣơng Từ phân tích đánh giá thảo luận chương luận án có đóng góp sau mặt lý thuyết thiết kế động học cho loại bơm bôi trơn kiểu biên dạng hypơxyclơít: i) Kế thừa giải triệt để điều kiện thông số thiết kế đặc trưng để hình thành biên dạng cặp rơto (cặp bánh hypơxyclơít) cấu thành bơm hypơgerơto là:  Ez1 2 R12  ( Ez1 )2 ( z1  1) 1 1 rcl2 ( z1  1)3 27( z1  1)  Ez1   R1  Ez1 2 z1  1z1  2  rcl  Ez1 3( z1  11 ) R1 sin  z1  3/   rcl  R  R1  Ez1  Ez12  R1  1  rcl ii) Đưa biểu thức xác định xác bánh kính cung tròn đỉnh rơto (bánh trong) để hai biên dạng mòn theo tiêu chí động học rcl  ( z1  1) E  R1 14 Chƣơng TỐI ƢU CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐẶC TRƢNG THEO LƢU LƢỢNG 3.1 Các khái niệm định nghĩa lƣu lƣợng Lưu lượng (Q) hai thông số quan trọng loại bơm thủy lực thể tích nói chung bơm TLTT bánh ăn khớp biên dạng xyclơít nói riêng, thơng số thể cho lượng chất lỏng bơm đẩy khỏi bơm đơn vị thời gian 3.2 Thiết lập công thức tính lƣu lƣợng lý thuyết bơm Hypơgerơto theo đƣờng ăn khớp cặp bánh cấu thành bơm Nếu gọi V j ( i ) thể tích khoang bơm thứ j ta có: V j ( i )  V j N ( i )  V jT ( i ) (3.5) Mặt khác, gọi S jLT ( i ) diện tích khoang bơm thứ j (hinh 3.2) V j ( i )  bS jLT ( i ) (3.6) Với cách sơ đồ hóa miền diện tích miền diện ta có: S jLT ( i )  S jT ( i )  S jN ( i ) (3.7) Hình 3.2 Sơ đồ mơ tả cách tính SjLT(i) Trong đó, miền diện tích S jT ( i ), S jN ( i ) xác định:     d S jT ( i )  1 rO21K j1 ( i )  rO21K j ( i ) d i (3.15) d S jN  2 rO22K j ( i )  rO22K j1 ( i ) d ( i ) (3.30)     Khi đó, ta có biến thiên diện tich khoang bơm   1  2    d V j ( i )  21b  rO1K j1 ( i )  rO1K j ( i )   z1 ( z1  1)  rO K j1 ( i )  rO K j ( i ) d i     Sau biến đổi (3.32) ta có:    (3.32)  (3.41)  (3.45) 2 d V j ( i )  21b( z1  1)1  PK ( i )   PK ( i ) d i j 1 j Lưu lượng trung bơm (lưu lượng bơm)  ( z1 1)( z1 ) 1 Qltak  nz1 2  ( z1 ) 1  2 ( z1  1) 1 b  PK ( i )   PK ( i ) d i j 1 j 1 15 3.3 Thiết lập công thức xác định quy luật biến thiên thể tích khoang bơm theo góc quay trục dẫn động Như trình bày mục 2.1 chương luận án để hình thành rơto phải có thơng số đặc trưng bán kính chân R Nhưng biểu thức tính lưu lượng phương pháp lý thuyết trình bày mục 3.2 lại có thơng số đặc trưng { E , z1 , R1 , rcl } phần luận án tiến hành thiết lập biểu thức tính diện tích tiết diện thực khoang bơm SjGT(i) theo góc quay tục dẫn động nhằm hai mục đích: i) Chỉ vấn đề mà phương pháp tính lưu lượng đường ăn khớp thiếu sót cần phải khắc phục ii) Phục vụ xây dựng thuật tốn xác định bán kính R trình bày mục 3.5 luận án 3.3.1 Thiết lập phƣơng trình xác định miền diện tích khoang bơm theo góc quay trục dẫn động Nếu gọi S jGT ( i ) diện tích khoang thứ j giới hạn biên dạng hai cặp đối tiếp (xem hình ) S jGT ( i )  S2j( i )  S1j( i ) (3.47) Trong đó, miền diện tích S 2j ( i ) miền diện tích hình thang cong giới hạn biên dạng rơto ngồi cho bởi: Hình 3.7 Sơ đồ mơ tả cách tính miền diện tích SjGT(i) S2 j ( i )  i 1 ( i )  xrh ( i ) i ( i ) yrh ( i ) ( i )  i d i (3.49) Còn để xác định S1 j ( i ) thông qua việc chia nhỏ miền diện tích (xem hình 3.9): S1 j ( i )  S11 j ( i )  S12 j ( i )  S13 j ( i ) (3.51) Các miền diện tích phải phương trình (3.51) cho bởi: (3.52) S11 j ( i )  21 xK j ( i ) yK j ( i ) S13 j ( i )  21 xK j 1 ( i ) yK j1 ( i ) 16 (3.53) Hình 3.9 Sơ đồ tính S1j(i)    S12 j ( i )  21 rcl R1 sin   sin  j 1 ( i )  rcl2      j 1 ( i )  Rl sin   R   rcl R1 sin   sin  ( i )  1   21 rcl2      ( i ) (3.70) Khi đó, diện tích khoang bơm S jGT ( i ) thể tích khoang bơm V jGT ( i ) : S jGT  i 1 (  i )  i ( xrh ( i ) y rh ( i ) ( i ) i)  i d   x K j ( i ) y K j ( i )  x K j 1 ( i ) y K j 1 ( i )  (3.72 ) rcl R1 sin   sin  j 1 ( i )   rcl2      j 1 ( i )  1  Rl sin   R   rcl R1 sin   sin  ( i )   rcl2      ( i )  2   i 1 ( i ) y r ( ) ( i ) d  x K j ( i ) y K j ( i )  x K j 1 ( i ) y K j 1 ( i ) V jGT  b  xrh ( i ) h i   ( )   i  i i  brcl R1 sin   sin  j 1 ( i )   rcl2      j 1 ( i )  1   Rl sin   R   rcl R1 sin   sin  ( i )   rcl2      ( i )  2    (3.73 ) 3.3.2 Đánh giá ảnh hƣởng thông số R đến tƣợng hụt thừa lƣu lƣợng thiết kế so với lý thuyết ăn khớp Để đánh giá ảnh hưởng thơng số bán kính chân rôto R đến lưu lượng thiết kế bơm Xét bơm bơi trơn động xăng hãng Honda có dung tích 100CC với bốn thơng số thiết kế đặc trưng: E  1mm, z1  , R1  7.5mm , rcl  1.5mm thơng số R chọn ba trường hợp sau: (1) R =2mm; (2) R= 2.5mm; (3) R = 3mm Từ phân tích đánh giá ta nhận thấy với thông số thiết kế đặc trưng gồm bốn thông số { E , z1 , R1 , rcl } tính lưu lượng trung bình bơm theo lý thuyết ăn khớp có giá trị lưu lượng trung bình xác định Tuy nhiên, thực tế thiết kế để hình thành rơto thơng số R (bán kính chân rơto trong) bán kính phải thỏa mãn điều kiện để không xảy tượng thừa hụt lưu lượng thiết kế so với lý thuyết tính tốn xác định vấn đề chưa có tác giả quan tâm thường bỏ qua thiết kế tối ưu Để giải vấn đề này, luận án đưa thuật toán mục 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 tốn 17 Hình 3.18 Thuật tốn tối ưu tìm thông số thiết kế đặc trưng theo lưu lượng Qtk cho trước Để thực mục tiêu mà luận án đề ra, phần ứng dụng phương pháp xác định lưu lượng lý thuyết theo phương pháp đường ăn khớp thiết lập mục 3.2 điều kiện hình thành biên dạng xác định chương để xây dựng thuật toán tìm thơng số { E , z1 , 18 R1 , rcl } theo Qtk cho trước trình bày hình 3.18 với mục đích: (1) Tìm tất thơng số { E , z1 , R1 , rcl } thỏa mãn điều kiện hình thành biên dạng cặp rơto thỏa mãn tiêu chí mòn động học chương đạt lưu lượng thiết kế Qtk cho trước (2) Từ thơng số tìm tìm thơng số có kích thước hướng kính nhỏ Rch cho công thức 2.116 chương Với sai số tính tốn Q đưa vào để thuật toán hội tụ nghiệm gia số R1 để xác định độ thuật toán 3.4.2 Ứng dụng thuật tốn thiết kế bơm bơi trơn động Trên sở thuật tốn trình bày mục 3.4.1 phần luận án tiến hành tìm thơng số thiết kế đặc trưng { R1 , rcl } loại bơm bôi trơn: Diesel D20 - SZ1110, Động xe máy Honda 110CC, Động xe máy Honda 125CC cho trước thông số bảng 3.1, để tiến hành chế tạo thử nghiệm chạy thuật toán với R1  0.5mm sai số Q  0.005mm3 3.5 Thuật toán xác định thơng số R theo kích thƣớc đặc trƣng {E, z1, R1, rcl} nhằm thỏa mãn điều kiện lƣu lƣợng cho trƣớc 3.5.1 Sơ đồ thuật tốn Như trình bày mục đặt vấn đề thuật tốn trình bày mục 3.4 chưa xác định bán kính chân hình thành rơto { R } Để xác định bán kính R thỏa mãn thể tích khoang bơm thực trùng với thể tích khoang bơm tính tốn theo lý thuyết điều kiện R xác định mục 2.2.3 luận án, nội dung luận án đưa thuật toán cụ thể sau: Bƣớc 1: Xác định diện tích tiết diện khoang bơm S jLT theo lưu lượng lý thuyết xác định mục 3.2   S jLT  21 ( z1  1)1 ( PK j 1 )2  ( PK j )2 d (3.74) Từ (3.74) ta có diện tích lớn khoang bơm theo lý thuyết xác định theo thông số { E , z1 , R1 , rcl } 19 Bƣớc 2: Xác định diện tích thực khoang bơm theo kích thước thiết kế theo lý thuyết trình bày mục 3.3 Trong cơng thức tính phần diện tích có mặt thơng số R gọi S jGT cho (3.72) Bƣớc 3: Quét từ Rmin tới Rmax q trình qt số tính giá trị S jGT theo R so sánh với S jGT với sai số S để thuật toán hội tụ, R gia số lặp thuật tốn Hình 3.19 thuật tốn tìm giá trị R theo Q { E , z1 , R1 , rcl } 3.6.2 Ứng dụng thuật tốn tìm R thiết kế biên dạng rôto bơm bôi trơn động Áp dụng thuật tốn tìm R với S  0.01mm2 R  0.5mm ta tìm thơng số thiết kế đặc trưng rôto R theo diện tích khoang bơm thơng số đặc trưng bơm Hypôgerôto: Diesel D20 - SZ1110, Động xe máy Honda 110CC, Động xe máy Honda 125CC Chƣơng THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG VÀ XÂY DỰNG ĐƢỜNG ĐẶC TÍNH CỦA BƠM HYPƠGERƠTO 4.1 Thiết kế chế tạo bơm bánh xyclơít ăn khớp (bơm Hypơgerơto) Với kích thước thiết kế bơm xác định theo sở lý thuyết cho bảng 3.3 luận án, tác giả tiến hành thiết kế chế tạo mẫu bơm Hypôgerôto: (1) Động xăng: Động xe máy có dung tích 110CC 125CC; (2) Động dầu: Máy nông nghiệp D20 - SZ1110 4.2 Thí nghiệm xác định lƣu lƣợng riêng bơm Sơ đồ thiết bị thí nghiệm đo lƣu lƣợng riêng bơm Mục đích thí nghiệm nhằm kiểm chứng thuật toán phương pháp luận lý thuyết thực trước Để tổ chức thực thí nghiệm tác giả tiến hành chạy rà mẫu bơm 48 tiến hành chỉnh sau chạy rà đồ gá đo (xem hình 4.1) Trình tự thí nghiệm đo lƣu lƣợng riêng bơm Từ kết thí nghiệm đo lưu lượng mẫu bơm ta nhận thấy: 20 Lưu lượng đo ( QTN ) thực tế nhỏ lưu lượng lý thuyết QLT sai số lưu lượng đo thực tế so với lý thuyết từ 1% 14 đến 7% điều khẳng định độ tin cậy lý thuyết thuật toán mà luận 15 án nghiên cứu tìm ra, 16 sai số lý thuyết 32 42 2 2 thí nghiệm biểu thức tính lưu lượng chưa xét đến khe hở cạnh răng, 10 2 khe hở mặt đầu độ nhớt 11 12 13 M 2 dầu chảy qua bơm ii) Khi độ nhớt giảm tổn thất rò rỉ lưu lượng qua khe hở cạnh khe hở Hình 4.1 Sơ đồ đo lưu lượng bơm mặt đầu lớn dẫn đến hiệu suất thể tích giảm làm sai số tăng lên i) 4.3 Thí nghiệm xác định đƣờng đặc tính bơm 4.3.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định đƣờng đặc tính Hypơgerơto loại bơm thủy lực thể tích nên sau chế tạo cần phải xác định đường đặc tính P – Q theo giá trị Q P Việc đo giá trị Q, P thực theo sơ đồ hình 4.2 4.3.2 Trình tự thí nghiệm xác định đƣờng đặc tính Để xác định đường đặc tính bơm sau 23 24 n t Q P t 16 S K j ( i ) 21 22 20 19 17 18 10 2 11 12 13 14 15 M Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng (Qđ), áp suất (P) bơm theo thời gian (t) 21 chế tạo, thí nghiệm tổ chức thực theo quy trình sau: tiến hành gia tải thơng qua van (14) từ ( P  , Qmax ) đến P [bar] 3.50 3.00 2.50 ( P  Pmax , Q  ) với gia số gia tải n=750 [vòng/phút] Lưu lượng lý thuyết tốc độ 1000 v/p n=1000 [vòng/phút] 4.00 Lưu lượng lý thuyết tốc độ 750 v/p Lưu lượng lý thuyết tốc độ 500 v/p 4.50 2.00 P  0.5bar (sau lần gia tải) gọi điểm đo Tại điểm đo số lần trích mẫu 60 lần, lần giây lấy giá trị trung bình điểm đo 1.50 1.00 n=500 [vòng/phút] 0.50 0.00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.3 Đường đặc tính bơm bơi trơn động Honda 110CC thí nghiệm với dầu bơi trơn SAE2 4.4 Thí nghiệm xác định dao động lƣu lƣợng bơm Ở trường hợp q trình thí nghiệm tiến hành dòng chảy ổn định đo trực tiếp sau bình điều hòa Thí nghiệm xác định dao động lưu lượng bơm bôi trơn động xe máy Hon da dung tích 110CC SAE2 Q(l/p) 0.8 n=1000(vg/p) P=1(bar) 0.7 SAE3 SAE2 0.6 0.5 n=750(vg/p) P=1(bar) 0.4 SAE2 0.3 n=500(vg/p) P=1(bar) SAE3 0.2 10 20 30 40 60 50 t (phút) Hình 4.10 Lưu lượng tức thời  0.35 0.30 0.25 0.20 500 750 Hình 4.11 Dao động lưu lượng 1000 SAE3 SAE2 SAE3 SAE2 0.10 0.05 SAE3 SAE2 0.15 n (vg/p) Kết luận chƣơng Từ phân tích, đánh giá, thảo luận, thí nghiệm chương luận án có đóng góp cụ thể mặt tối ưu thiết kế kiểu bơm bôi trơn biên dạng hypơxyclơít, cụ thể sau: i) Tính đắn phương pháp luận thuật toán nghiên cứu ii) Đã xây dựng đường đặc tính làm việc bơm Qua thực nghiệm để chất lượng dòng chảy ổn định (để mấp mơ thấp) cần chọn tốc độ làm việc bơm tốc độ lớn 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Việc xây dựng biểu thức tính tốn thiết kế hồn thiện kích thước bơm nhằm đảm bảo mặt thủy lực tối ưu hóa thiết kế bơm bôi trơn Hypôgerôto hệ thống bôi trơn động hệ cần thiết xu hướng công nghiệp ôtô phương tiện giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu Để có thiết kế tối ưu mặt kích thước đảm bảo yêu cầu lưu lượng, áp suất, chất lượng dòng chảy sau bơm luận án đề mục tiêu phải tìm điều kiện biên điều kiện hình thành biên dạng bánh hypơxyclơít, nghiên cứu ảnh hưởng thông số thiết kế đặc trưng {R, R1, rcl} đến điều kiện mòn theo tiêu chí động học đến khả tồn dư chất lỏng sau vòng quay dẫn đến tượng hụt lưu lượng so với thiết kế Từ kết nghiên cứu đóng góp luận án: iii) Về mặt lý thuyết thiết kế hình học luận án nghiên cứu tìm điều kiện biên hình thành biên dạng cặp rơto bơm Hypơgerơto nhằm giải triệt để tượng: giao thoa đỉnh răng, cắt lẹm chân răng, giao thoa đỉnh cạnh răng, tránh va chạm, kẹt mà nghiên cứu khác thời điểm chưa giải triệt để iv) Đã tìm cơng thức tính xác bán kính đỉnh bánh rơto nhằm đảm bảo điều kiện mòn hai biên dạng đối tiêu chí động học nhằm góp phần nâng cao tuổi thọ bơm Hypôgerôto iii) Đưa thuật tốn xác định xác bán kính chân bánh nhằm đảm bảo bơm thiết kế với lưu lượng cho trước không bị hụt lưu lượng so với thiết kế mà không bị thừa chất lỏng có hại cho máy iv) Xây dựng thuật toán tối ưu tham số thiết kế đặc trưng theo lưu lượng cho trước nhằm đảm bảo kích thước nhỏ KIẾN NGHỊ Trong phạm vi nghiên cứu luận án, số vấn đề sau chưa đề cập tới ý tưởng đề xuất để tiếp tục hoàn thiện kết nghiên cứu mức độ hồn thiện mặt cơng nghệ nâng cao tuổi thọ bơm là: 23 Một là, nghiên cứu ma sát bôi trơn thủy tĩnh bơm vật liệu làm hai bánh Hai là, nghiên cứu vấn đề nội mặt thiết kế khí bơm như: ứng suất, biên dạng, chuyển vị q trình ăn khớp, tượng tróc, mỏi trình làm việc Ba là, giới hạn nhỏ nhất, lớn tốc độ quay làm bơm áp lưu lượng, vấn đề mà thực tế cần quan tâm 24 ... thiết lập giải thuật tối ưu thơng số kích thước thiết kế theo lưu lượng cho trước nhằm đảm bảo kích thước nhỏ Chương Thí nghiệm kiểm chứng lưu lượng xác định đường đặc tính bơm bánh hypơgerơto:... Nghiên cứu lƣu lƣợng áp suất Lưu lượng áp suất vấn đề đặc biệt quan trọng bơm TLTT nói chung bơm TLTT bánh ăn khớp biên dạng xyclơít nói riêng Các vấn đề nghiên cứu: (i) nghiên cứu xác định lưu. .. nghiên cứu xác định lưu lượng, áp suất bơm; (ii) nghiên cứu ảnh hưởng kích thước khe hở đến lưu lượng, áp suất; (iii) nghiên cứu cải tiến biên dạng cặp rôto để tăng lưu lượng bơm c) Khe hở chi tiết