Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu xác định kích thước tối ưu theo lưu lượng của bơm hypôgerôto

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. Mời các bạn cung tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu xác định kích thước tối ưu theo lưu lượng của bơm hypôgerôto

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢƠNG CÔNG GIANG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH KÍCH THƢỚC TỐI ƢU THEO LƢU LƢỢNG CỦA BƠM HYPÔGERÔTO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2020 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢƠNG CÔNG GIANG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH KÍCH THƢỚC TỐI ƢU THEO LƢU LƢỢNG CỦA BƠM HYPÔGERÔTO Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Hồng Thái 2. TS. Trịnh Đồng Tính Hà Nội - 2020 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu điểm mới trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 28 tháng 02 năm 2020 Tập thể giáo viên hƣớng dẫn Nghiên cứu sinh Trƣơng Công Giang i
LỜI CẢM ƠN Luận án này đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của các thầy TS. Nguyễn Hồng Thái, TS. Trịnh Đồng Tính cùng với những chỉ dẫn định hƣớng về mặt khoa học, sự động viên của các thầy cô trong bộ môn luôn là động lực lớn giúp tác giả tin tƣởng và say mê trong nghiên cứu. Qua đây, tác giả trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với các thầy giáo hƣớng dẫn và các thầy trong bộ môn đã tạo điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn tới bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Viện Cơ khí, phòng Đào tạo trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tác xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô khoa Cơ khí, trƣờng Cao đẳng kinh tế - kỹ thuật Vĩnh Phúc đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suất thời gian học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin đƣợc bày tỏ lỏng biết ơn đến gia đình luôn cảm thông, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả luận án ii
MỤC LỤC Nội dung Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ vi Error! Bookm DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................................... ix ỊError! Bookm DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................................. xi Error! Bookm LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... xv 1. Tính cấp thiết của luận án ............................................................................................ xv 2. Mục tiêu của luận án .....................................................................................................xvi 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án .......................................................... xvi 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu của luận án.................................................................. xvi 3.2. Phạm vi nghiên cứu của luận án ..................................................................... xvi 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................................ xvii 4.1 Ý nghĩa khoa học ............................................................................................. xvii 4.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................ xvii 5. Những đóng góp của luận án ....................................................................................... xvii 6. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án ......................................................................... xviii 7. Bố cục luận án ............................................................................................................... xviii Chƣơng 1 ................................................................................................................................... 1 Error! Bookm TỔNG QUAN VỀ BƠM THỦY LỰC THỂ TÍCH BÁNH RĂNG XYCLÔÍT 1 ĂN KHỚP TRONG .................................................................................................................. Error! Bookm 1.1. Bơm thủy lực thể tích bánh răng xyclôít ăn khớp trong ....................................... 1 1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ................................................................................ 2 1.2.1 Cấu tạo của bơm bánh răng xyclôít .............................................................. 2 1.2.2. Nguyên lý hoạt động của bơm bánh răng xyclôít ....................................... 3 1.3. Lịch sử nghiên cứu và phát triển bơm.................................................................... 5 1.3.1. Lịch sử nghiên cứu và phát triển bơm TLTT bánh răng ăn 5 khớp trong biên dạng xyclôít ....................................................................... 1.3.2 Tổng hợp số lƣợng nghiên cứu trong các năm ............................................. 10 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về bơm TLTT bánh 11 răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít ...................................................................... 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc về bơm TLTT ........................................ 11 1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc về bơm TLTT bánh răng ăn 20 khớp trong biên dạng xyclôít ....................................................................... Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................................. 21 Chƣơng 2 ................................................................................................................................... 25 Error! Bookm NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH CẶP BIÊN 25 DẠNG RÔTO THEO CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐẶC TRƢNG ....................................... Error! Bookm iii
2.1 Thiết lập phƣơng trình toán học mô tả biên dạng răng .......................................... 25 2.1.1 Phƣơng trình toán học mô tả biên dạng bánh răng ngoài ............................. 25 2.1.2 Bán kính cong của biên dạng rôto ngoài ...................................................... 29 2.1.3 Biên dạng rôto trong (bánh răng cung tròn) ................................................. 31 2.1.4 Sự phù hợp trong quan hệ giá trị của các tham số thiết kế ........................... 32 2.2 Xác định điều kiện hình thành biên dạng cặp rôto của bơm 33 hypogerôto................................................................................................................... 2.2.1 Xác định miền giới hạn của thông số thiết kế đặc trƣng R1 ......................... 33 2.2.2 Xác định miền giới hạn của thông số thiết kế đặc trƣng rcl.......................... 37 2.2.3 Xác định miền giới hạn của thông số thiết kế đặc trƣng R........................... 37 2.3 Đƣờng ăn khớp ............................................................................................................ 41 2.3.1 Thiết lập phƣơng trình đƣờng ăn khớp ......................................................... 41 2.3.2 Bán kính ăn khớp .......................................................................................... 42 2.4 Hiện tƣợng trƣợt biên dạng........................................................................................ 43 2.4.1 Vận tốc điểm ăn khớp................................................................................... 43 2.4.2 Đƣờng cong trƣợt ......................................................................................... 46 2.5 Ảnh hƣởng của các thông số thiết kế đặc trƣng đến cac đƣờng 47 cong trƣợt dạng ........................................................................................................... 2.5.1 Khảo sát sự thay đổi biên dạng cặp rôto và đƣờng cong trƣợt 48 theo  ........................................................................................................... 2.5.2 Khảo sát sự thay đổi biên dạng cặp rôto và đƣờng cong trƣợt 49 theo c........................................................................................................... 2.5.3 Khảo sát sự thay đổi biên dạng cặp rôto và đƣờng cong trƣợt 50 khi  tăng c giảm ........................................................................................ 2.5.4 Khảo sát sự thay đổi biên dạng cặp rôto và đƣờng cong trƣợt 52 khi c tăng  giảm ......................................................................................... 2.6 Tối ƣu các kích thƣớc thiết kế đặc trƣng để cặp biên dạng đối tiếp mòn 54 đều xét về mặt động học ............................................................................................... 2.7 Xác các thông số chế tạo rôto theo các thông số thiết kế đặc trƣng 58 hình thành biên dạng cặp rôto cấu thành bơm hypôgerôto ................................... 2.7.1 Xác định thông số kích thƣớc rôto trong ...................................................... 58 2.7.2 Xác định thông số kích thƣớc thiết kế rôto ngoài theo thông số 59 kích thƣớc đặc trƣng .................................................................................... Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................................. 60 Chƣơng 3 ................................................................................................................................... 63 Error! Bookm TỐI ƢU CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ ĐẶC TRƢNG THEO LƢU LƢỢNG....................... 63 Error! Bookm 3.1. Các khái niệm và định nghĩa về lƣu lƣợng ............................................................. 63 iv
3.2 Thiết lập công thức tính lƣu lƣợng lý thuyết của bơm Hypôgerôto 64 theo đƣờng ăn khớp của cặp bánh răng cấu thành bơm ........................................ 3.3 Thiết lập công thức xác định quy luật biến thiên thể tích khoang 71 bơm theo góc quay của trục dẫn động ..................................................................... 3.3.1 Thiết lập phƣơng trình xác định miền diện tích khoang bơm 71 theo góc quay của trục dẫn động ................................................................. 3.3.2 Đánh giá ảnh hƣởng của thông số R đến hiện tƣợng hụt hoặc 79 thừa lƣu lƣợng thiết kế so với lý thuyết ăn khớp......................................... 3.4 Thuật toán xác định bốn thông số thiết kế đặc trƣng {E, z1, R1, rcl} 81 theo lƣu lƣợng cho trƣớc ........................................................................................... 3.4.1 Sơ đồ thuật toán ............................................................................................ 81 3.4.2 Ứng dụng thuật toán trong thiết kế bơm bôi trơn động cơ ........................... 83 3.5 Thuật toán xác định thông số R theo các kích thƣớc đặc trƣng {E, 83 z1, R1, rcl} nhằm thỏa mãn điều kiện lƣu lƣợng cho trƣớc ..................................... 3.5.1 Sơ đồ thuật toán ............................................................................................ 83 3.5.2 Ứng dụng thuật toán tìm R trong thiết kế biên dạng rôto của 84 bơm bôi trơn động cơ .................................................................................. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................................. 86 Chƣơng 4 ................................................................................................................................... 87 Error! Bookm THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG VÀ XÂY DỰNG ĐƢỜNG ĐẶC TÍNH CỦA 87 BƠM HYPÔGERÔTO ................................................................................................. Error! Bookm 4.1 Thiết kế chế tạo bơm bánh răng xyclôít ăn khớp trong (bơm 87 Hypôgerôto) .............................................................................................................. n 4.2 Thí nghiệm xác định lƣu lƣợng riêng của bơm ....................................................... 88 4.3 Thí nghiệm xác định đƣờng đặc tính của bơm ........................................................ 91 4.3.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định đƣờng đặc tính ................................................... 91 4.3.2 Trình tự thí nghiệm xác định đƣờng đặc tính ............................................... 92 4.4 Thí nghiệm xác định dao động lƣu lƣợng của bơm ................................................ 102 Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................................. 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 107 Error! Bookm DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................................... 109 Error! Bookm TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................110 Error! Bookm PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................................... 1 Error! Bookm PHỤ LỤC 2 .............................................................................................................................. 12 Error! Bookm PHỤ LỤC 3 .............................................................................................................................. 17 Error! Bookm PHỤ LỤC 4 .............................................................................................................................. 30 Error! Bookm PHỤ LỤC 5 .............................................................................................................................. 71 Error! Bookm v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải thích ý nghĩa Bj Tâm cung tròn đỉnh răng thứ j của bánh răng trong. Kj Điểm tiếp xúc của cặp răng thứ j (điểm ăn khớp). P Tâm vận tốc tức thời (tâm tích tĩnh). i12 Tỷ số truyền từ rôto trong sang rôto ngoài. 1 rad/s Vận tốc góc của rôto trong (bánh răng cung tròn). 2 rad/s Vận tốc góc của rôto ngoài (bánh răng hypôxyclôít). Góc quay của rôto ngoài so với giá (góc quay của (i) rad hệ quy chiếu 2 so với 3). (i) rad Góc hợp bởi phƣơng pháp tuyến nn và trục oy1. Góc quay của rôto trong so với giá (góc quay của hệ i rad quy chiếu 1 so với 3). Góc quay tƣơng đối của hai rôto (góc quay của hệ  rad quy chiếu 1 so với 2).  n Véc tơ pháp tuyến của hai biên dạng đối tiếp.  t Véc tơ tiếp tuyến của hai biên dạng đối tiếp. z1, z2 Số răng của rôto trong và rôto ngoài. Khoảng cách giữa hai tâm O1, O2 (khoảng cách E mm trục). r1, r2 mm Bán kính đƣờng tròn tâm tích 1 và 2. Bán kính đƣờng tròn đi qua tâm các cung tròn đỉnh R1 mm răng rôto trong. R1min mm Giá trị nhỏ nhất của R1. R1max mm Giá trị lớn nhất của R1. Bán kính đƣờng tròn con lăn (bán kính đỉnh răng rcl mm của rôto trong). vi
rclmin mm Giá trị nhỏ nhất của rcl. rclmax mm Giá trị lớn nhất của rcl. Bán kính đƣờng tròn tiếp xúc giữa hai con lăn (bán R mm kính chân răng bánh răng trong). Rmin mm Giá trị nhỏ nhất của R. Rmax mm Giá trị lớn nhất của R. Góc giới hạn làm việc của cung tròn đỉnh răng rôto ghI rad trong.  ( i ) mm Bán kính cong của biên dạng hypôxyclôít.  K ( i ) j mm Bán kính ăn khớp. Vận tốc của điểm ăn khớp Kj trong chuyển động VK1 j ( i ) mm/s tuyệt đối của rôto trong. Vận tốc của điểm ăn khớp Kj trong chuyển động VK2 j ( i ) mm/s tuyệt đối của rôto ngoài.  Hệ số hypôxyclôít. c Hệ số đỉnh răng bánh răng trong. vận tốc trƣợt của bánh răng trong so với bánh răng Vtr1 2 mm/s ngoài tại điểm tiếp xúc Kj. vận tốc trƣợt của bánh răng ngoài so với bánh răng Vtr2 1 mm/s trong tại điểm tiếp xúc Kj. 1i ( i ) Hệ số trƣợt của bánh răng trong.  2i ( i ) Hệ số trƣợt của bánh răng hypôxyclôít. Rch1 mm Bán kính đƣờng tròn chân răng rôto trong. Rđ1 mm Bán kính đƣờng tròn đỉnh răng rôto trong. Rc1 mm Bán kính đƣờng tròn chia của rôto trong. t1 mm Bƣớc răng rôto trong. Rch2 mm Bán kính đƣờng tròn chân răng rôto ngoài. Rđ2 mm Bán kính đƣờng tròn đỉnh răng rôto ngoài. vii
Rc2 mm Bán kính đƣờng tròn chia của rôto ngoài. t2 mm Bƣớc răng rôto ngoài. b mm Chiều dày rôto. q ml Lƣu lƣợng tức thời. qz ml Lƣu lƣợng trung của một khoang bơm. qv ml/vòng Lƣu lƣợng riêng của bơm. Q lít/phút Lƣu lƣợng trung bình của bơm. n Vòng/phút Số vòng quay của rôto trong. Diện tích khoang bơm lý thuyết tính theo lý thuyết S jLT cm2 ăn khớp. Diện tích khoang bơm tính theo phƣơng pháp giải S jGT cm2 tích. Lƣu lƣợng trung bình lý thuyết của bơm tính theo Qltak lít/phút tính lý thuyết ăn khớp. Qtk lít/phút Lƣu lƣợng thiết kế. P bar Áp suất đầu ra của bơm. Q % Hiệu suất thể tích của bơm. QTN lít/phút Lƣu lƣợng đo đầu ra của bơm. VTBTN cm3 Thể tích chất lỏng đầu ra của bơm trong thời gian t.  Hệ số dao động lƣu lƣợng. Chữ viết tắt Giải thích ỹ nghĩa TLTT Thủy lực thể tích. RT Rôto. RTT Rôto trong. RTN Rôto ngoài. viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các nghiên cứu ngoài nƣớc về bơm TLTT bánh răng ăn khớp 6 trong biên dạng xyclôít trong các năm gần đây Bảng 1.2 Các cứu trong nƣớc về bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong 10 biên dạng xyclôít trong Bảng 1.3 Dung sai chế tạo chi tiết 16 Bảng 2.1 Các bộ thông số kích thƣớc hình thành biên dạng bánh răng 29 hypôxyclôít. Bảng 2.2 Kích thƣớc của các thông số hình thành cặp bánh răng 32 hypôxyclôít. Bảng 2.3 Sự thay đổi bán kính chân răng Rch2 của rôto ngoài theo tham 48 số  Bảng 2.4 Sự thay đổi bán kính chân răng Rch2 của rôto ngoài theo tham 49 số c Bảng 2.5 Sự thay đổi bán kính chân răng Rch2 của rôto ngoài theo tham 51 số  và c Bảng 2.6 Sự thay đổi bán kính chân răng Rch2 của rôto ngoài theo tham 52 số  và c Bảng 2.7 Bảng xét dấu đối với hàm F(t). 55 Bảng 2.8 Thông số thiết kế đặc trƣng cặp bánh răng. 56 Bảng 2.9 Các thông số kích thƣớc thiết kế theo thông số thiết kế đặc 61 trƣng. Bảng 3.1 Giá trị của các thông số hình thành cặp bánh răng hypôxyclôít 83 Bảng 3.2 Giá trị của các thông số thiết kế đặc trƣng {E, z1, R1, rcl} 82 Bảng 3.3 Kích thƣớc của các thông số thiết kế đăc trƣng {E, z1, R1, rcl}. 84 Bảng 4.1 Các thông số thiết kế chế tạo bơm mẫu. 87 Bảng 4.2 So sánh các kết quả đo với kết quả lý thuyết. 90 Bảng 4.3 Tổng hợp kết quả thí nghiệm sau xử lý dữ liệu đo khi thí 93 nghiệm với dầu cho SAE2 động cơ xe máy dung tích 110CC. ix
Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả thí nghiệm sau xử lý dữ liệu đo khi thí 94 nghiệm với dầu SAE3 cho động cơ xe máy dung tích 110CC. Bảng 4.5 Tổng hợp hiệu suất của bơm động cơ xe máy dung tích 110CC 96 với hai loại dầu thí nghiệm Bảng 4.6 Tổng hợp kết quả thí nghiệm sau xử lý dữ liệu đo khi thí 96 nghiệm với dầu cho SAE2 động cơ xe máy dung tích 125CC. Bảng 4.7 Tổng hợp kết quả thí nghiệm sau xử lý dữ liệu đo khi thí 98 nghiệm với dầu cho SAE3 động cơ xe máy dung tích 125CC. Bảng 4.8 Bảng tổng hợp hiệu suất của bơm động cơ xe máy dung tích 99 125CC với hai loại dầu thí nghiệm Bảng 4.9 Tổng hợp kết quả thí nghiệm sau xử lý dữ liệu đo khi thí 99 nghiệm với dầu cho SAE2 động cơ D20- SZ1110. Bảng 4.10 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm sau xử lý dữ liệu đo khi thí 101 nghiệm với dầu cho SAE3 động cơ D20 – SZ1110. Bảng 4.11 Bảng tổng hợp hiệu suất của bơm động cơ D20-SZ1110 với 102 hai loại dầu thí nghiệm x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên hình Trang Hình 1.1 Bơm thủy lực thể tích bánh răng xyclôít ăn khớp trong của hệ 1 thống bôi trơn động cơ Hình 1.2 Bơm Gerôto trong bộ truyền lực ô tô, xe máy 2 Hình 1.3 Bơm hypôgerôto dùng trong hệ thống bôi trơn động cơ xăng. 2 Hình 1.4 Cấu tạo của bơm bánh răng xyclôít. 3 Hình 1.5 Vỏ bơm dầu trong động cơ xe máy Honda air blade. 3 Hình 1.6 Bơm Gerôto. 3 Hình 1.7 Quá trình làm việc của bơm. 5 Hình 1.8 Tổng hợp các nghiên cứu về bơm TLTT bánh răng ăn khớp 11 trong biên dạng xyclôít 10 năm gần đây Hình 1.9 Biên dạng của các cặp rôto 12 Hình 1.10 Cặp rôto sau khi cải tiến 13 Hình 1.11 Đồ thị lƣu dao động lƣu lƣợng theo số vòng quay 15 Hình 1.12 Khe hở cạnh răng theo góc quay của trục dẫn động 16 Hình 1.13 Cặp rôto với vật liệu phi kim loại 17 Hình 1.14 Mô đun phân tích và xác định lƣu lƣợng 18 Hình 1.15 Kết cấu bơm kép 18 Hình 1.16 Sự thay đổi khe hở giữa các cặp răng trong quá trình ăn khớp 19 Hình 2.1 Cặp biên dạng đối tiếp. 25 Hình 2.2 Biên dạng bánh răng hypôlôít tƣơng ứng với các bộ số liệu 29 bảng 2.1. Hình 2.3 Sự thay đổi bán kính cong biên  ( i ) của biên dạng hypôxyclôít. 31 Hình 2.4 Biên dạng rôto trong. 31 Hình 2.5 Biên dạng cặp bánh răng hypôxyclôít. 33 Hình 2.6 Bán kính cong đỉnh răng, chân răng của rôto ngoài 34 Hình 2.7 Giới hạn làm việc của đỉnh răng rôto trong. 38 xi
Hình 2.8 Sự thay đổi cung tròn tiếp xúc theo góc quay i 39 Hình 2.9 Các cặp bánh răng hypôxyclôít. 40 Hình 2.10 Ăn khớp của 2 bánh răng khi chƣa xảy ra va chạm. 40 Hình 2.11 Các dạng đƣờng ăn khớp. 42 Hình 2.12 Đƣờng ăn khớp của cặp bánh răng hypôxyclôít. 42 Hình 2.13 Biến thiên  Kj ( i ) theo góc  i . 43 Hình 2.14 Quá trình ăn khớp của hai rôto. 43 Hình 2.15 Sơ đồ tính vận tốc trƣợt tại điểm ăn khớp K j . 44 Hình 2.16 Đồ thị biến thiên vận tốc của điểm ăn khớp K j . 45 Hình 2.17 Các đƣờng cong trƣợt. 47 Hình 2.18 Sự thay đổi của biên dạng cặp rôto theo . 48 Hình 2.19 Sự biến thiên đƣờng cong trƣợt theo  49 Hình 2.20 Sự thay đổi của biên dạng cặp rôto theo c 50 Hình 2.21 Sự biến thiên đƣờng cong trƣợt theo c 50 Hình 2.22 Sự thay đổi của biên dạng cặp rôto theo , c 51 Hình 2.23 Sự biến thiên đƣờng cong trƣợt theo , c 52 Hình 2.24 Sự thay đổi của biên dạng cặp rôto theo , c 53 Hình 2.25 Sự biến thiên đƣờng cong trƣợt theo , c 53 Hình 2.26 Đƣờng cong trƣợt trƣớc khi hiệu chỉnh bán kính đỉnh răng rcl . 57 Hình 2.27 Giá trị cực trị của hàm F(t). 57 Hình 2.28 Các thông số chế tạo rôto trong. 58 Hình 2.29 Các thông số chế tạo rôto ngoài. 60 Hình 3.1 Bơm bánh răng xyclôít. 63 Hình 3.2 Sơ đồ mô tả cách tính S jLT ( i ) . 65 Hình 3.3 Mô hình tính S jT ( i ) . 66 Hình 3.4 Mô hình tính S jN ( i ) . 67 xii
Hình 3.5 Đồ thị q( i ) theo  i . 71 Hình 3.6 Diện tích khoang bơm S jGT ( i ) . 71 Hình 3.7 Sơ đồ mô tả cách tính miền diện tích S jGT (γi ) . 72 Hình 3.8 Sơ đồ tính diện miền diện tích S2 j ( i ) . 73 Hình 3.9 Sơ đồ tính S1j(γi ) . 74 Hình 3.10 Diện tích thành phần của S12j(γi ) . 75 Hình 3.11 Sơ đồ xác định miền diện tích S123j(γi ) . 75 Hình 3.12 Sơ đồ xác định miền diện tích S121j(γi ) . 76 Hình 3.13 Sơ đồ mô tả miền diện tích S122j . 77 Hình 3.14 Biến thiên diện tích khoang bơm trong bơm Hypôgerôto. 78 Hình 3.15 Biến thiên diện tích khoang bơm trong trƣờng hợp R = 2mm. 79 Hình 3.16 Biến thiên diện tích khoang bơm trong trƣờng hợp R = 80 2.5mm. Hình 3.17 Biến thiên diện tích khoang bơm trong trƣờng hợp R = 80 3.5mm. Hình 3.18 Thuật toán tối ƣu tìm các thông số thiết kế đặc trƣng theo lƣu 82 lƣợng Qtk cho trƣớc. Hình 3.19 Sơ đồ thuật toán tìm thông số R theo {E, z1, R1, rcl, R} và lƣu 85 lƣợng. Hình 4.1 Sơ đồ đo lƣu lƣợng bơm. 89 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý đo lƣu lƣợng (Qđ), áp suất (P) bơm theo thời 92 gian (t). Hình 4.3 Đƣờng đặc tính của bơm bôi trơn động cơ Honda 110CC khi 94 thí nghiệm với dầu bôi trơn SAE2. Hình 4.4 Đƣờng đặc tính của bơm bôi trơn động cơ Honda 110CC khi 95 thí nghiệm với dầu bôi trơn SAE3. Hình 4.5 Đƣờng đặc tính của bơm bôi trơn động cơ Honda 125CC khi 97 xiii
thí nghiệm với dầu bôi trơn SAE2. Hình 4.6 Đƣờng đặc tính của bơm bôi trơn động cơ Honda 125CC khi 98 thí nghiệm với dầu bôi trơn SAE3. Hình 4.7 Đƣờng đặc tính của bơm bôi trơn động cơ D20 khi thí nghiệm 100 với dầu bôi trơn SAE2. Hình 4.8 Đƣờng đặc tính của bơm bôi trơn động cơ D20 khi thí nghiệm 101 với dầu bôi trơn SAE3. Hình 4.9 Đồ thị dao động lƣu lƣợng tức thời. 103 Hình 1.10 Đồ thị dao động lƣu lƣợng tức thời bơm Honda 110CC 103 Hình 4.11 Hệ số dao động lƣu lƣợng theo độ nhớt động học của bơm 104 Honda 110CC Hình 4.12 Đồ thị dao động đổi lƣu lƣợng tức thời bơm Honda 125CC 104 Hình 4.13 Hệ số dao động lƣu lƣợng theo độ nhớt động học của bơm 104 Honda 125CC Hình 4.14 Đồ thị dao động đổi lƣu lƣợng tức thời bơm D20 – SZ1110 105 Hình 4.15 Hệ số dao động lƣu lƣợng theo độ nhớt động học của bơm D20-SZ1110 105 xiv
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 đƣờng cong xyclôít lần đầu tiên đƣợc phát minh bởi F.Hill vào năm 1920 [1] hay còn đƣợc gọi là bơm TLTT rôto với nguyên lý hoạt động đƣợc ví nhƣ 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 đƣờng cong xyclôít mà loại bơm này đƣợc phân thành hai loại đó là: (i) Khi đƣờng cong xyclôít dùng làm biên dạng răng của cặp bánh răng (cặp rôto) là đƣờng epixyclôít thì đƣợc gọi là bơm Gerôto; (ii) Khi đƣờng cong xyclôít dùng làm biên dạng răng của cặp bánh răng (cặp rôto) là đƣờng cong hypôxyclôít thì đƣợc gọi là bơm Hypôgerôto. Trong quá trình phát triển gần một trăm năm qua loại bơm này đã đƣợc 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 thƣớc nhỏ gọn làm việc êm, không ồn và lƣu lƣợng lớn hơn các loại bơm TLTT cùng kích thƣớc mà từ những năm 50 của thế kỷ trƣớc loại bơm này đã đƣợc ứng dụng trong hệ thống bôi trơn của động cơ đốt trong. Do đó, loại bơm này đƣợc 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 đƣờng 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 trƣớc đây tập trung vào hoàn thiện lý thuyết và ứng dụng chủ yếu cho loại bơm bôi trơn Gerôto, còn loại bơm Hypôgerôto chỉ đƣợc 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 bƣớc vào thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 với sự phát triển của các máy công cụ điều khiển số hiện đại cũng nhƣ xuất hiện các phƣơng 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 nhƣ nhau. Điều đó dẫn đến loại bơm hypôgerôto bắt đầu đƣợc nghiên cứu trở lại trong những năm gần đây (2009) [13]. 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, có thể tiết kiệm từ 10 ÷ 15% lƣợng nhiên liệu tiêu thụ. Chính vì vậy, đây là động lực cho việc lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu của tác giả xv
luận án là bơm Hypôgerôto với mục tiêu đặt ra là tối ƣu các thông số thiết kế đặc trƣng của bơm theo lƣu lƣợng cho trƣớc. 2. Mục tiêu của luận án Luận án đặt ra mục tiêu tối ƣu các tham số thiết kế đặc trƣng {R, rcl, R1} của bơm bôi trơn hypôgerôto theo {E, z1} và lƣu lƣợng Q cho trƣớc nhằm giảm kích thƣớc hƣớng kính thiết kế của bơm nhƣng vẫn đảm bảo lƣu lƣợng, áp suất và chất lƣợng dòng chảy sau bơm. Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra luận án phải giải quyết đƣợc các vấn đề cụ thể chính nhƣ sau: i) Xác định đƣợc các điều kiện hình thành biên dạng bánh răng trong (rôto trong) và bánh răng ngoài (rôto ngoài) nhằm đảm bảo lƣu lƣợng và áp suất cũng nhƣ không xảy ra hiện tƣợng 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 đƣa 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 bán kính chân răng R của rôto trong đảm bảo không va chạm với rôto ngoài trong quá trình làm việc. iii) Xây dựng thuật toán tối ƣu các tham số thiết kế đặc trƣng trên cơ sở các điều kiện biên đƣa ra bởi luận án để đảm bảo kích thƣớc hƣớng kính nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng đƣợc lƣu lƣợng và áp suất cũng nhƣ chất lƣợng 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 tƣợng nghiên cứu chung của luận án là các bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít đƣợc ứng dụng phổ biến trong các hệ thống bôi trơn. Trong đó, đối tƣợng cụ thể là loại bơm rôto kiểu bánh răng ăn khớp trong Hypôgerôto, với rôto ngoài có biên dạng là đƣờng 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 lƣu lƣợng, áp suất, chất lƣợng 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 ƣu xvi
các thông số thiết kế đặc trƣng 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 nhƣ 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 ƣu các tham số thiết kế theo lƣu lƣợng cho trƣớc 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 ƣu cũng nhƣ tính toán thiết kế các loại bơm Hypôgerôto mà nhiều công trình nghiên cứu trƣớc đây chƣa đƣợc nhìn nhận một cách đầy đủ. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Các điều kiện biên đƣợc đƣa ra bởi luận án nhƣ: 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 ƣu đƣợc nhanh hơn, kết quả thiết kế chính xác hơn mà không cần phải có các giải pháp phụ nhƣ rãnh hồi dầu cũng nhƣ góp phần nâng cao tuổi thọ của bơm. Kết quả bài toán tối ƣu của luận án đã thiết kế ra đƣợc một số bơm bôi trơn có kích thƣớc nhỏ hơn mà vẫn đáp ứng đƣợc yêu cầu về lƣu lƣợng, áp suất và chất lƣợng dòng chảy cũng nhƣ 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 Với mục tiêu đã đề ra luận án đã có những đóng góp chính cụ thể nhƣ sau: i) Về mặt lý thuyết thiết kế hình học luận án đã nghiên cứu tìm ra đƣợc các điều kiện biên hình thành biên dạng cặp rôto của bơm Hypôgerôto nhằm giải quyết triệt để các hiện tƣợng: nhọn đỉnh răng, cắt lẹm chân răng, giao thoa xvii
đỉnh răng và cạnh răng, tránh va chạm, kẹt răng mà các nghiên cứu khác cho đến thời điểm hiện tại chƣa giải quyết đƣợc 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) Đƣa ra đƣợc thuật toán xác định chính xác bán kính chân răng bánh răng trong nhằm đảm bảo bơm đƣợc thiết kế đúng với lƣu lƣợng cho trƣớc nhằm đảm bảo không bị hụt lƣu lƣợng so với thiết kế mà cũng không bị thừa chất lỏng có hại cho máy. iv) Xây dựng đƣợc thuật toán tối ƣu các tham số thiết kế đặc trƣng theo lƣu lƣợng cho trƣớc nhằm đảm bảo kích thƣớc nhỏ nhất. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra phƣơng 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 ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp nghiên cứu đã có, trên cơ sở đó kế thừa những tri 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 chƣa giải quyết đƣợc hoặc chƣa đƣợc 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 phƣơng pháp đo. Từ đó tổ chức triển khai thí nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng nhƣ khảo sát đánh giá chất lƣợng của bơm đƣợc chế tạo nhƣ: xây dựng đƣờng đặc tính, khảo sát dao động lƣu lƣợng theo độ nhớt và tốc độ quay. 7. Bố cục luận án Luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng với nội dung cụ thể nhƣ 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 nhƣ những ứng dụng của loại bơm này. Ngoài ra, xviii