Việc thiết kế cơ cấu BRKT thay thế cơ cấu bốn khâu bản lề phải đảm bảo các điều kiện: (i) Kích thước của cơ cấu gạt nước mưa phải tối ưu; (ii) Khoảng cách trục phải chẵn nhằm phục vụ cho việc thiết kế và chế tạo; (iii) Đường lăn phải có bán kính cong đủ lớn để tạo hình BDR.
a) Thiết kế đường lăn và BDR cho các cặp BRKT
Hình 4.45 Thiết kế đường lăn của các cặp BRKT với a) Hàm truyền, b) Đường lăn của cặp BRKT 1-2 và c) Đường lăn của cặp BRKT 3-4
Trên cơ sở đường đặc tính hàm truyền của cơ cấu bốn khâu được xác định như Hình 4.44c, chọn trước khoảng cách trục của các cặp BRKT bằng 50 mm, sử dụng các phương trình (2.4, 2.6) ở chương 2 và phần mềm được viết trong Matlab, sau khi tính toán thiết kế ta có đặc tính hàm truyền của cơ cấu BRKT và đường lăn của cặp BRKT trong chiều đi (cặp BRKT 1 - 2) và chiều về (cặp BRKT 3-4) của cần gạt được mô tả
trên Hình 4.45.
b)Thiết kế BDR cho các cặp BRKT
Trên cơ sở đường lăn đã được thiết kế, sử dụng TRS có BDR mới để tạo hình cho các cặp BR với thông số TRS 1 tạo hình cho cặp BRKT 1-2 và TRS 2 tạo hình cho cặp BRKT 3-4 được cho trong Bảng 4.21, từ đó thông số thiết kế các cặp BRKT được cho trong Bảng 4.22.
Bảng 4.21 Thông số TRS có BDR mới tạo hình cho các cặp BRKT cơ cấu gạt nước mưa Thông số Ký hiệu Đơn vị TRS 1 TRS 2 Thông số thiết kế của elíp sinh E
+ Bán trục lớn của E aEi mm 0,90 1,00
+ Bán trục nhỏ của E bEi mm 0,79 0,87
Môđun mc -- 3,38 3,74
Chiều dày răng sc mm 5,31 5,87
Chiều rộng rãnh răng wc mm 5,31 5,87
Bước răng pc mm 10,62 11,75
Chiều cao đỉnh răng ha mm 1,80 2,0
Chiều cao chân răng hf mm 1,80 2,0
Chiều cao răng h mm 3,60 4,0
Bảng 4.22 Thông số thiết kế của các BRKT trong cơ cấu gạt nước mưu
Thông số Ký hiệu Đơn vị Cặp BRKT 1 - 2 Cặp BROV 3 - 4
Môđun m -- 3,38 3,74
Số răng z -- 5,00 5,00
Bước răng p mm 10,62 11,75
Chiều dày răng s mm 5,31 5,87
Chiều rộng rãnh răng w mm 5,31 5,87
Chiều cao răng h mm 3,60 4,0
Chiều cao đỉnh răng ha mm 1,80 2,0
Chiều cao chân răng hf mm 1,80 2,0
Bản thiết kế và bố trí vị trí ban đầu của các BRKT phải thỏa mãn điều kiện BRKT 2, BRKT 4 nằm trên cùng một trục quay gắn với cần gạt nước mưa để đảm bảo cần lắc theo hai chiều đi – về. Kết hợp với các thông số thiết kế trong Bảng 4.21 và Bảng 4.22 ta có Hình 4.46 là bản thiết kế các BRKT trong cơ cấu gạt nước mưa.
Hình 4.46 Bản thiết kế các BRKT trong cơ cấu gạt nước mưa
c) Thiết kế bộ gạt nước mưa ô tô sử dụng cơ cấu BRKT
Một bộ gạt nước mưa ô tô được thiết kế sử dụng cơ cấu BRKT kết hợp với BRTT như mô tả trên Hình 4.47 đảm bảo các điều kiện: (i) Động cơ dẫn động quay theo một chiều; (ii) Các BRTT được bố trí để truyền chuyển động liên tục trên hai trục quay; (iii) Vị trí ban đầu của các BRKT được bố trí để tránh va chạm trong quá trình chuyển
động.
Hình 4.47 Bản thiết kế bộ gạt nước mưa với a) Hình chiếu đứng, b) Hình chiếu bằng, c) Phối cảnh 3D và d) Vị trí bộ gạt nước mưa
Với bộ gạt nước mưa đã thiết kế và mô phỏng bằng Solidworks góc lắc của cần đạt được 70.
4.6.3 Chế tạo thực nghiệm cơ cấu gạt nước mưa ô tô
Hình 4.48 Bộ gạt nước mưa ô tô sau khi chế tạo
Trên cơ sở thiết kế thực nghiệm của bộ gạt nước mưa ô tô, Hình 4.48 trên đây là ảnh chụp bộ gạt nước mưa sau khi chế tạo thực nghiệm. Phương pháp gia công và từng nguyên công chế tạo nhằm đảm bảo độ chính xác được trình bày trong Phụ lục 2 của luận án.
4.6.4 Thực nghiệm xác định đặc tính của cơ cấu
a) Thiết bị thí nghiệm
Hệ thống thiết bị thí nghiệm như được mô tả trên Hình 4.49, nguồn phát động là động cơ Servo Drive (86HSE8.5N-1,5Kw) qua hộp giảm tốc BR hành tinh có tỷ số
truyền 8:1 với gắn với Cần 2. Trục ra là trục của BR trung tâm 1 được gắn với encorder độ phân giải 400 xung (E6B2-CWZ6C).
Hình 4.49 Hệ thống thí nghiệm xác định đặc của cơ cấu gạt nước mưa
b) Kết quả đo thực nghiệm
Phần cứng và phần mềm thí nghiệm cũng như phương pháp đo, xử lý số liệu được tiến hành tương tự như Mục 4.2, vận tốc động cơ 24DC/50W là 40 vòng/phút , các dữ liệu thực nghiệm được tổng hợp trong Phụ lục 3 của luận án và Hình 4.50 dưới đây là
a) b)
Hình 4.50 Đồ thị đặc tính cơ cấu với a) Đồ thị chuyển vị góc và b) Vận tốc góc cần gạt nước Từ Hình 4.50, nhận thấy rằng về hình dạng hình học, giá trị và quy luật của đồ thị đặc tính cơ cấu gạt nước mưa (đồ thị chuyển vị góc và đồ thị vận tốc góc của cần gạt) xấp xỉ với quy luật của cơ cấu bốn khâu bản lề ở Hình 4.44.
c) Thảo luận và đánh giá kết quả thực nghiệm
Sau khi xử lý số liệu thí nghiệm và đặt lại điểm chuẩn “0” ta có đồ thị so sánh giữa đặc tính cơ cấu gạt nước mưa ứng dụng BRKT và sử dụng cơ cấu bốn khâu bản lề như trên Hình 4.51 dưới đây.
a) b)
Hình 4.51 Đồ thị so sánh đặc tính bộ gạt nước mưa giữa cơ cấu ứng dụng BRKT và cơ cấu bốn khâu bản lề với a) Chuyển vị góc và b) Vận tốc góc cần gạt nước
Từ Hình 4.51, nhận thấy đường đặc tính của bộ gạt nước mưa ứng dụng BRKT bám sát đường đặc tính bộ gạt nước mưa sử dụng cơ cấu bốn khâu bản lề. Sai lệch tại các điểm cực trị của chuyển vị góc tại vị trí 1, 2 (Hình 4.51a) lần lượt là: 1,15o, 2,70o . Sai lệch tại các điểm cực trị của vận tốc góc tại vị trí 1, 2 (Hình 4.51b) lần lượt là: 0,63
vòng/phút và 3,16 vòng/phút. Từ đó cho thấy, bộ gạt nước mưa sử dụng BRKT hoàn toàn có thể thay thế cho cơ cấu bốn khâu bản lề với kích thước nhỏ gọn hơn.
4.7 Thảo luận đánh giá kết quả nghiên cứu khảo sát và thực nghiệm
Từ những kết quả khảo sát, đánh giá và thực nghiệm của chương 4 cho thấy:
1. BDR mới được đề xuất đã khắc phục được một số nhược điểm của BDR thân khai truyền thống và có khả năng tải lớn hơn thông qua đặc điểm ăn khớp lồi- lõm và có khả năng thiết kế răng với môđun lớn số răng ít để tăng khả năng tải trong khi BDR thân khai truyền thống không thực hiện được.
2. Các kết quả khảo sát, đánh giá thực nghiệm ở Mục 4.3, đã chỉ ra đặc tính hàm truyền, hình dạng hình học, biên độ, bước, dải biến đổi tốc độ của hệ BRKT không những phụ thuộc vào thiết kế và tổng hợp đường lăn mà còn phụ thuộc vào góc đặt các BRKT trên trục, phương án bố trí các BRKT trong hệ. Kết quả của nghiên cứu này đã bổ sung cho nghiên cứu đã được trình bày ở chương 2 khi tổng hợp đường lăn theo đặc tính hàm truyền.
3. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và các mẫu chế tạo thử nghiệm của luận án cho thấy với công nghệ hiện đại và tương lai thì việc gia công chế tạo BRKT không còn là một trở ngại.
4. Thông qua chế tạo thử nghiệm bộ gạt nước mưa ô tô bằng cách thay thế cơ cấu bốn khâu một tay quay một cần lắc bằng các BRKT kết hợp với BRTT truyền thống đã minh chứng cho khả năng ứng dụng của BRKT trong thực tiễn qua đó cho thấy kết quả nghiên cứu của luận án có tính ứng dụng trong thực tiễn. Ngoài ra, trong thực tế có rất nhiều cơ cấu máy và thiết bị có đặc tính làm việc biến đổi như được trình bày trong chương 1 của luận án. Điều đó cho thấy tiềm năng ứng dụng của BRKT trong tương lai gần là rất lớn. Do đó kết quả nghiên cứu của luận án ngoài việc có ý nghĩa thực tiễn còn là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu ứng dụng trong tương lai gần.
5. Các kết quả nghiên cứu của chương này đã bổ sung và củng cố về mặt lý thuyết đã được nghiên cứu ở chương 2 và chương 3 về bài toán thiết kế ngược để đáp ứng các yêu cầu của thực tiễn.
Kết luận chương 4
Từ các kết quả khảo sát, nghiên cứu thực nghiệm và các thảo luận chương 4 của luận án đã đạt được các kết quả sau:
(1) Làm rõ các ưu điểm của BDR mới được đề xuất ở chương 3 so với BDR thân khai truyền thống.
(2) Thông qua các mẫu chế tạo thực nghiệm bao gồm: cặp BROV chính tâm, cặp BREL lệch tâm, hệ BRKT thường, hệ BRKT kiểu hành tinh kép và thay thế cơ cấu 1 tay quay 1 cần lắc bằng các BRKT có đường lăn hở của bộ gạt nước mưa ô tô đã minh chứng cho:
(i) Tính đúng đắn của các kết quả nghiên cứu lý thuyết ở chương 2 và chương 3 theo mục tiêu đã đề ra của luận án.
(ii) Tính thực tiễn của luận án và chỉ ra tiềm năng ứng dụng cũng như nghiên cứu ứng dụng của BRKT vào thiết kế máy móc và thiết bị trong tương lai gần.
(3) Các kết quả khảo sát, đánh giá, thực nghiệm ở chương này đã bổ khuyết và nâng cao tính học thuật và chặt chẽ về mặt phương pháp luận cho kết quả nghiên cứu lý thuyết ở chương 2 và chương 3. Thông qua đó có thể nghiên cứu phát triển cho các ứng dụng khác nhau với phương pháp luận tương tự bởi luận án đã nghiên cứu phát triển một cách phổ quát cho các BRKT có đường lăn kín, đường lăn hở, thiết kế thuận, thiết kế ngược với các hệ BRKT cơ bản: cặp BROV, cặp BREL, BRTT lệch tâm, hệ BRKT thường, hệ BRKT
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Việc nghiên cứu, phát triển hoàn thiện, bổ khuyết lý thuyết thiết kế BRKT luôn là một vấn đề cấp thiết không những ở trong nước mà còn trên thế giới trong bối cảnh cần tổng hợp những bộ truyền biến đổi vô cấp để cải tiến, phát triển thiết bị máy móc các cơ cấu chấp hành phù hợp với đòi hỏi của quá trình phát triển nền sản xuất công nghiệp 4.0. Để góp phần đáp ứng những đòi hỏi bức thiết trên của thực tiễn luận án đã giải quyết một số vấn đề sau:
1. Từ việc tổng hợp, phân tích, đánh giá, chắt lọc các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực BRKT một cách có hệ thống nhằm tạo ra một tài liệu tổng quan và hệ thống các xu hướng phát triển của BRKT. Luận án đã đề ra các mục tiêu và các nội dung giải quyết cụ thể. Các nội dung nghiên cứu trong khuôn khổ luận án bám sát với mục tiêu và tên đề tài đã đề ra. 2. Đề xuất đường cong mới cycloid cải tiến từ elíp sinh làm BDR của BRKT. 3. Đã thiết lập các biểu thức giải tích, các thuật toán, các điều kiện biên để
tổng hợp đường lăn của các hệ BRKT phức tạp khác nhau như hệ BRKT kiểu vi sai, BRKT kiểu hành tinh v.v.. theo hàm truyền cho trước.
4. Thiết lập phương trình giải tích hình thành BDR của dụng cụ tạo hình (TRS, BRS) để tạo hình BDR của BRKT đường cycloid cải tiến.
5. Đưa ra được các thuật toán hiệu chỉnh và tối ưu các thông số thiết kế từ đường lăn cho đến BDR nhằm đảm bảo các điều kiện: kích thước các răng trên BRKT đều nhau và thỏa mãn các điều kiện ăn khớp.
6. Chế tạo các bộ truyền BRKT mẫu trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án, cũng như chế tạo và tích hợp các thiết bị đo để tiến hành kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án.
7. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết luận án đã viết được môđun phần mềm tính toán và tự động hóa thiết kế hệ BRKT phức tạp.
8. Chất lượng ăn khớp của BDR mới được đề xuất tốt hơn so với BDR thân khai truyền thống.
Từ những kết quả nghiên cứu nêu trên luận án đã có những đóng góp chính và điểm mới của luận án về mặt học thuật như sau:
- Đề xuất đường cong mới trong thiết kế BDR của BRKT bên cạnh đường than khai truyền thống với ưu điểm có khả năng nâng cao khả năng tải của bộ truyền.
- Giải quyết triệt để các điều kiện của đường cong mới nhằm khắc phục hiện tượng lõm đỉnh răng và chân răng cũng như hiện tượng không đều về hình dạng hình học và kích thước ở các vị trí khác nhau ở các răng trên BRKT.
- Đưa ra điều kiện để BRKT ngoài trong hệ BRKT vi sai có thể bao được hệ BRKT bên trong và các điều kiện đồng trục. Kết quả nghiên cứu này là một đóng góp mới khi tổng hợp và tối ưu kích thước khi thiết kế đường lăn của hệ BRKT kiểu vi sai hoặc hành tinh kép có BRKT ở ngoài.
- Đưa ra các điều kiện và thuật toán để tối ưu kích thước hệ BRKT kiểu hành tinh và vi sai.
- Xây dựng được các thuật toán hiệu chỉnh tối ưu khi tổng hợp các hệ BRKT khác nhau.
Những điểm mới và đóng góp trên đây có ý nghĩa khoa học trong việc góp phần hoàn thiện, bổ khuyết lý thuyết thiết kế các hệ BRKT, góp một phần nhỏ hoàn thiện lý thuyết ăn khớp trong những trường hợp đặc biệt. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu này cũng góp một phần nhỏ trí tuệ của người Việt Nam trong vấn đề khám phá, sáng tạo và hoàn thiện lý thuyết BRKT trong quá trình phát triển và hoàn thiện lý thuyết thiết kế BRKT của nhân loại theo thời gian.
Về mặt thực tiễn các kết quả nghiên cứu lý thuyết, kết quả nghiên cứu thực nghiệm của luận án có ý nghĩa thực tiễn trong việc thiết kế, chế tạo các bộ truyền bánh răng có hàm truyền thay đổi phục vụ chế tạo, cải tiến các máy móc thiết bị mới trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền sản xuất của Việt Nam theo hướng tiến tới công nghiệp 4.0 mà chính phủ đã đề ra.
Kiến nghị
Mặc dù đã cố gắng thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá kiểm chứng lý thuyết đã nghiên cứu. Nhưng trong điều kiện Việt Nam còn rất hạn chế về thiết bị thí nghiệm và các loại cảm biến đắt tiền phục vụ các hướng chuyên môn hẹp. Do đó, luận án vẫn còn những hạn chế để có thể ứng dụng đó là:
i) Nghiên cứu động lực học và truyền động cũng như nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tải đến sai số hàm truyền và hiệu suất của BDR mới.
ii) Cần phải nghiên cứu các vấn đề về kết cấu, vật liệu, các phương pháp gia công để đảm bảo độ bền, độ chính xác cũng như giá thành sản xuất.
iii) Tiếp tục nghiên cứu các vấn đề về tốc độ, mô men quán tính, công suất để có giải
pháp khắc phục các nhược điểm của BRKT hiện nay chỉ phù hợp ở các kịch bản ứng dụng ở tốc độ thấp.
iv) Tiếp tục các nghiên cứu ứng dụng BRKT trong thay thế các bộ biến đổi phức tạp
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Nguyễn Thành Trung, Nguyễn Hồng Thái (2017); "Nghiên cứu tạo hình và chế tạo bánh răng elip", Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017,
Tập 1, pp.1027-1034
2. Nguyễn Thành Trung, Nguyễn Hồng Thái, Nguyễn Hoàng Việt (2019), "Thiết kế
hình học hệ bánh răng không tròn kiểu hành tinh có biên dạng là đường thân khai của đường tròn", Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Kỷ niệm 40 năm thành lập
Viện Cơ học, Hà Nội, 09/04/2019, Tập 2, pp.323-332.
3. Nguyễn Thành Trung, Nguyễn Hồng Thái, Đàm Công Trưởng (2019), "Ứng dụng
biên dạng Novikov trong thiết kế hệ bánh răng không tròn", Hội nghị Cơ học kỹ