Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bơm thủy lực thể tích (TLTT) bánh răng ăn khớp trong có biên dạng đường cong xyclôít được phát minh lần đầu tiên bởi F. Hill vào năm 1920 dựa trên cơ sở lý thuyết từ các nghiên cứu của Galloway (1787). Dựa trên biên dạng đường cong xyclôít tạo thành cặp rôto, loại máy thủy lực này được phân thành hai nhóm chính:

  • Bơm Gerôto: Cặp bánh răng có biên dạng là đường cong epixyclôít kéo dài.
  • Bơm Hypôgerôto: Cặp bánh răng có biên dạng là đường cong hypôxyclôít kéo dài.

Nhờ kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, khả năng vận hành êm và lưu lượng riêng lớn hơn các dòng bơm thể tích khác cùng kích thước, bơm bánh răng xyclôít ăn khớp trong đã được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống bôi trơn của động cơ đốt trong từ những năm 1950 và phát triển song hành cùng ngành công nghiệp ô tô thế giới. Tuy nhiên, trong thời gian dài, việc gia công rôto ngoài có vành răng trong biên dạng hypôxyclôít gặp nhiều khó khăn kỹ thuật, chi phí gia công cao hơn đáng kể so với biên dạng epixyclôít. Do đó, các công trình khoa học trước đây hầu như chỉ tập trung hoàn thiện lý thuyết và ứng dụng cho bơm Gerôto, trong khi bơm Hypôgerôto chỉ được đề cập về mặt hình học trong các tài liệu lý thuyết bánh răng của Litvin (1950).

Từ năm 2009, sự phát triển của máy công cụ điều khiển số (CNC) và các công nghệ gia công hiện đại đã hạ giá thành chế tạo bánh răng hypôxyclôít xuống tương đương bánh răng epixyclôít, mở đường cho việc nghiên cứu trở lại loại bơm Hypôgerôto. Trong xu thế nâng cao hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu của động cơ đốt trong (hệ thống bôi trơn hiệu quả có thể giúp tiết kiệm từ 10% đến 15% lượng nhiên liệu tiêu thụ), việc nghiên cứu phát triển bơm Hypôgerôto trở thành yêu cầu cấp thiết.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định bao gồm:

  • Các nghiên cứu hiện có về bơm Hypôgerôto (tiêu biểu như nghiên cứu của Kwon và cộng sự năm 2010) mới chỉ khảo sát giới hạn của các thông số đặc trưng ($R_{1\min}$, $r_{cl\max}$, $R_{\min}$) để tránh hiện tượng giao thoa đỉnh răng bằng phương pháp tâm vận tốc tức thời.
  • Chưa giải quyết triệt để các vấn đề hình học: va chạm giữa rôto trong và rôto ngoài gây kẹt răng, hiện tượng nhọn đỉnh răng rôto trong, giới hạn cung ăn khớp của đỉnh răng rôto trong, và sự chồng lấn biên dạng chân răng lên cung ăn khớp đỉnh răng.
  • Chưa thiết lập được điều kiện định lượng để cân bằng hệ số trượt nhằm đảm bảo hai biên dạng đối tiếp mòn đều theo tiêu chí động học.
  • Các công thức tính toán lưu lượng lý thuyết theo phương pháp đường ăn khớp hoặc bảo toàn công trước đây đều bỏ qua thông số bán kính chân răng ($R$) của bánh răng trong (thông số liên kết các răng). Sự thiếu vắng thông số này dẫn đến sai số thiết kế: gây thiếu hụt lưu lượng thực tế hoặc làm đọng chất lỏng dư thừa không đẩy hết ra khỏi khoang bơm, sinh ra áp suất cục bộ và lực quán tính ly tâm có hại cho hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là tối ưu hóa các tham số thiết kế đặc trưng ${R, r_{cl}, R_1}$ của bơm bôi trơn hypôgerôto theo bộ thông số ${E, z_1}$ và lưu lượng $Q$ cho trước, nhằm giảm kích thước hướng kính của bơm nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu về lưu lượng, áp suất và chất lượng dòng chảy.

Để đạt được mục tiêu tổng quát, luận án xác định ba nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nhiệm vụ i: Xác định các điều kiện hình thành biên dạng bánh răng trong (rôto trong) và bánh răng ngoài (rôto ngoài) nhằm đảm bảo lưu lượng, áp suất, không xảy ra hiện tượng tồn đọng chất lỏng sau mỗi chu kỳ quay; trên cơ sở đó xác định chính xác bán kính chân răng $R$ của bánh răng trong.
  2. Nhiệm vụ ii: Phân tích động học quá trình ăn khớp để đưa ra điều kiện xác định bán kính đỉnh răng bánh răng trong ($r_{cl}$) đảm bảo tiêu chí mòn đều hai biên dạng đối tiếp, đồng thời xác định điều kiện bán kính chân răng $R$ của rôto trong không gây va chạm với rôto ngoài.
  3. Nhiệm vụ iii: Xây dựng thuật toán tối ưu hóa các tham số thiết kế đặc trưng trên cơ sở các điều kiện biên đã thiết lập, nhằm đạt kích thước hướng kính nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật về lưu lượng và áp suất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bơm thủy lực thể tích kiểu rôto bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít dùng trong hệ thống bôi trơn. Đối tượng cụ thể là bơm Hypôgerôto có rôto ngoài mang biên dạng đường cong hypôxyclôít kéo dài và rôto trong có biên dạng là các cung tròn lồi - lõm kết hợp, ứng dụng trong hệ thống bôi trơn của động cơ đốt trong.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào bài toán tối ưu hóa hình học và động học các thông số thiết kế đặc trưng; khảo sát các thông số làm việc gồm lưu lượng trung bình ($Q$), áp suất đầu ra ($P$), hiệu suất thể tích ($\eta_Q$), dao động lưu lượng ($\delta$) và điều kiện mòn đều biên dạng cặp bánh răng hypôxyclôít. Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu bơm bôi trơn cho động cơ xe máy dung tích 110CC, 125CC và động cơ diesel D20 - SZ1110.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Lịch sử nghiên cứu máy thủy lực thể tích bánh răng xyclôít bắt đầu từ Galloway (1787), F. Hill (1920) và được tiếp tục phát triển qua các công trình của Ansdale và Lockley (1962) về mô hình hóa biên dạng; Colbourne (1974, 1976) về nguyên lý hình thành đường cong epixyclôít và hypôxyclôít; Robinson và Lyon (1976); Beard và cộng sự (1965) về bán kính cong biên dạng; Maiti và Sinha (1988, 1990) về ứng dụng trong động cơ thủy lực.

Tổng quan các nghiên cứu từ năm 2000 đến năm 2019 cho thấy các hướng tiếp cận chính:

  • Mô hình hóa biên dạng rôto nguyên bản: Mimmi và Pennacchi (2000), Bonandrini, Mimmi và Rottenbacher (2005, 2006, 2007) thiết lập mô hình toán học biên dạng rôto bơm Gerôto dựa trên 4 thông số đặc trưng ${E, z_1, R_1, r_{cl}}$ bằng phương pháp bao hình và phương pháp tâm vận tốc tức thời. Hsieh và cộng sự (2007, 2010, 2014, 2015) nghiên cứu biên dạng hypôxyclôít, điều kiện tránh cắt lẹm chân răng và phân tích ảnh hưởng thông số hình học đến hiệu suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Kwon và cộng sự (2010) khảo sát ảnh hưởng của các tham số thiết kế đến biên dạng bơm Hypôgerôto và điều kiện tránh giao thoa đỉnh răng.
  • Cải tiến biên dạng rôto: Đề xuất thay đường tròn sinh bán kính $r_{cl}$ bằng đường ellipse hoặc đường kết hợp giữa ellipse, đường tròn và đường thân khai nhằm tăng thể tích khoang bơm và giảm dao động lưu lượng, tiêu biểu là các nghiên cứu của Fabiani (2002), Manco (2002), Karamtooz Ravari (2011), Jacazio và De Martin (2011), Kim và cộng sự (2011, 2012, 2015), Hao và cộng sự (2016).
  • Biên dạng hiệu suất cao: Sasaki và cộng sự (2008) phát triển biên dạng "Megafloid" giúp giảm kích thước hướng kính nhưng tăng lưu lượng; Yoshida và cộng sự (2008) giới thiệu biên dạng "Geo clotid" nhằm giảm kích thước mà vẫn giữ nguyên lưu lượng.
  • Áp suất, khe hở, ma sát và dòng chảy: Rundo (2010) nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ và độ nhớt; Inaguma (2011, 2012, 2013) khảo sát khe hở cạnh răng và khe hở mặt đầu ảnh hưởng đến tổn thất lưu lượng; Jamadar và cộng sự (2013) phân tích dung sai chế tạo; Ivanovic và cộng sự (2010, 2012, 2013, 2014) khảo sát biến thiên khe hở cạnh răng trong quá trình ăn khớp; Prakash và Manjula (2014) khảo sát vận tốc dòng chảy và dao động lưu lượng.
  • Vật liệu phi kim loại: Stryczek và cộng sự (2010, 2014, 2015, 2017) nghiên cứu sử dụng vật liệu polyme và composite sợi thủy tinh (polyphthalamide - PPA) thay thế kim loại chế tạo vỏ và rôto bơm.
  • Tối ưu hóa và phần mềm tự động hóa: Nghiên cứu tối ưu hóa theo lưu lượng và độ mòn biên dạng của Mancò (2000), Gamez-Montero và cộng sự (2009, 2012) với phần mềm GeroLAB; Chang và cộng sự (2007) ứng dụng AutoLISP; mô phỏng số bằng ANSYS Fluent, STAR-CD, AMESim.
Nhóm nội dung nghiên cứu Tác giả tiêu biểu Năm công bố Phương pháp / Công cụ sử dụng
Biên dạng rôto nguyên bản Bonandrini, Mimmi, Rottenbacher 2005, 2006, 2007 Phương pháp bao hình, tâm vận tốc tức thời
Biên dạng hypôxyclôít & giao thoa Hsieh; Kwon và cộng sự 2007, 2010 Phương pháp giải tích, FEM
Biên dạng cải tiến (Ellipse, thân khai) Kim và cộng sự; Jacazio, De Martin 2011, 2012, 2015 Mô hình hóa giải tích, mô phỏng số
Khe hở lắp ghép và dung sai Inaguma; Jamadar; Ivanovic 2011, 2013, 2014 Đo đạc thực nghiệm, giải tích khe hở
Vật liệu polyme phi kim loại Stryczek và cộng sự 2011, 2014, 2017 Thử nghiệm áp suất 6 MPa, tốc độ 2000 v/p
Tối ưu hóa thiết kế bơm Gamez-Montero; Chang 2007, 2009, 2012 GeroLAB, AutoLISP, giải thuật di truyền

Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, bơm bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít được đề cập trong giáo trình Nguyên lý máy (1970) và công trình của Nguyễn Đức Hùng (1996) về động học bơm Gerôto dựa trên định luật bảo toàn công và phương pháp xác định điểm ảnh để tính diện tích khoang bơm. Các nghiên cứu tiếp theo (2001, 2002, 2011, 2012, 2014) chủ yếu khai thác bánh răng xyclôít trong bộ truyền hộp giảm tốc hành tinh hoặc bộ truyền chốt con lăn, chưa đi sâu vào bài toán hình thành khoang bơm thể tích và tối ưu hóa thủy lực cho bơm Hypôgerôto.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị trọng tâm vào dòng bơm Hypôgerôto (đối tượng có số lượng công bố hạn chế so với bơm Gerôto). Luận án bổ sung tham số thứ năm $R$ (bán kính chân răng của bánh răng trong) vào hệ thống tính toán, giải quyết triệt để sự tương tác giữa 5 thông số ${E, z_1, R_1, r_{cl}, R}$, xây dựng tiêu chí mòn đều động học và thiết lập thuật toán tối ưu hóa kích thước hướng kính theo lưu lượng đặt trước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án sử dụng lý thuyết ăn khớp phẳng, phương pháp bao hình và phương pháp giải tích động học dựa trên chuyển động tương đối giữa các hệ quy chiếu:

  • Hệ quy chiếu $1(O_1x_1y_1)$: Gắn với rôto trong (bánh răng cung tròn), tâm $O_1$.
  • Hệ quy chiếu $2(O_2x_2y_2)$: Gắn với rôto ngoài (bánh răng hypôxyclôít), tâm $O_2$.
  • Hệ quy chiếu $3(O_3x_3y_3)$: Gắn cố định trên thân/giá đỡ máy, gốc $O_3 \equiv O_2$.

Các quan hệ động học và hình học cơ bản:

  • Khoảng cách tâm trục: $E = O_1O_2$.
  • Tỷ số truyền: $i_{12} = \frac{\omega_1}{\omega_2} = \frac{z_2}{z_1} = \frac{z_1 + 1}{z_1}$.
  • Bán kính đường tròn tâm tích: $r_1 = E \cdot z_1$, $r_2 = E \cdot z_2 = E(z_1 + 1)$.
  • Hệ số hypôxyclôít: $\lambda = \frac{R_1}{r_1} = \frac{R_1}{E \cdot z_1}$.
  • Hệ số đỉnh răng rôto trong: $c = \frac{r_{cl}}{E \cdot z_1}$.

Phương trình biên dạng rôto trong trong hệ quy chiếu 1: $$^1\mathbf{r}{K1j}(\gamma_i) = \left[ R_1 - r{cl}\cos\alpha(\gamma_i), \ -r_{cl}\sin\alpha(\gamma_i), \ 0 \right]^T$$

Phương trình biên dạng rôto ngoài trong hệ quy chiếu 2 được thiết lập qua phép chuyển đổi tọa độ $^2\mathbf{r}{K2j} = {^2\mathbf{C}3} \cdot {^3\mathbf{C}1} \cdot {^1\mathbf{r}{K1j}}$: $$\begin{cases} x{K2j}(\gamma_i) = R_1 \cos\left(\frac{\gamma_i}{z_1+1}\right) - r{cl}\cos\left(\alpha_i - \frac{z_1\gamma_i}{z_1+1}\right) - E\cos\left(\frac{z_1\gamma_i}{z_1+1}\right) \ y_{K2j}(\gamma_i) = -R_1 \sin\left(\frac{\gamma_i}{z_1+1}\right) - r_{cl}\sin\left(\alpha_i - \frac{z_1\gamma_i}{z_1+1}\right) + E\sin\left(\frac{z_1\gamma_i}{z_1+1}\right) \end{cases}$$

Góc áp lực ăn khớp $\alpha_i$ được xác định từ điều kiện tiếp xúc $\mathbf{n}_j \cdot \mathbf{t}_j = 0$: $$\alpha(\gamma_i) = \arctan\left( \frac{E z_1 \sin\gamma_i}{R_1 - E z_1 \cos\gamma_i} \right)$$

Bán kính cong $\rho(\gamma_i)$ của biên dạng rôto ngoài: $$\rho(\gamma_i) = \rho_o(\gamma_i) - r_{cl} = r_1 \frac{(\lambda^2 + 1 - 2\lambda\cos\gamma_i)^{3/2}}{z_1 - \lambda^2 + \lambda(z_1 - 1)\cos\gamma_i} - r_{cl}$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết giải tích và phương pháp thực nghiệm đo kiểm:

  1. Nghiên cứu lý thuyết và giải thuật:
    • Sử dụng giải tích hình học và động học phẳng để thiết lập phương trình biên dạng, bán kính cong, vận tốc trượt $V_{tr12}, V_{tr21}$ và hệ số trượt $\eta_{1i}, \eta_{2i}$.
    • Thiết lập mô hình giải tích tính diện tích khoang bơm $S_j^{GT}(\gamma_i)$ và lưu lượng tức thời theo góc quay trục dẫn.
    • Xây dựng giải thuật tối ưu hóa số để giải hệ phương trình phi tuyến xác định tập 5 thông số ${E, z_1, R_1, r_{cl}, R}$.
  2. Nghiên cứu thực nghiệm:
    • Gia công, chế tạo các cụm bơm mẫu Hypôgerôto hoàn chỉnh trên máy công cụ điều khiển số.
    • Thiết kế hệ thống băng thử đo kiểm thủy lực gồm động cơ dẫn động điều khiển biến tần, cảm biến lưu lượng, cảm biến áp suất, van điều chỉnh tải và thiết bị đo độ nhớt.
    • Kiểm chứng các thông số lưu lượng trung bình ($Q_{TN}$), hiệu suất thể tích ($\eta_Q$) và hệ số dao động lưu lượng ($\delta$) trên hai loại dầu bôi trơn SAE2 và SAE3 ở các dải tốc độ quay khác nhau.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về bơm thủy lực thể tích bánh răng xyclôít ăn khớp trong

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận, lịch sử hình thành và thực trạng nghiên cứu về bơm bánh răng xyclôít ăn khớp trong:

  • Trình bày cấu tạo gồm hai bộ phận chính: rôto ngoài và rôto trong đặt lệch tâm một khoảng $E$. Trong bơm Hypôgerôto, rôto ngoài có $z_2 = z_1 + 1$ răng biên dạng hypôxyclôít, rôto trong có $z_1$ răng biên dạng cung tròn. Quá trình quay tạo ra các khoang thể tích giãn nở (hút) và thu hẹp (đẩy) liên tục.
  • Phân tích cấu tạo vỏ bơm bôi trơn thực tế (như trên động cơ xe máy Honda Air Blade) thường phải bố trí rãnh hồi dầu để hạn chế sóng va áp suất khi dầu không được xả hết.
  • Thống kê 125 tài liệu tham khảo trong và ngoài nước, phân loại thành 8 nhóm chủ đề nghiên cứu (biên dạng, lưu lượng - áp suất, khe hở, vật liệu phi kim loại, tối ưu hóa, phần mềm thiết kế, dao động lưu lượng, mô phỏng CFD).
  • Tổng hợp các tiêu chuẩn dung sai chế tạo chi tiết bơm thể tích từ các nghiên cứu quốc tế: dung sai chế tạo $< 10,\mu\text{m}$, khe hở hướng kính giữa hai rôto và giữa rôto ngoài với vỏ bơm trong khoảng $25 \div 80,\mu\text{m}$, khe hở mặt đầu $2 \div 4,\mu\text{m}$, độ phẳng mặt đầu rôto trong và ngoài đạt $1,\mu\text{m}$.
  • Xác lập 4 vấn đề tồn đọng làm cơ sở cho các chương tiếp theo của luận án.
Vị trí khe hở / Dung sai chi tiết Trị số khe hở cho phép / Dung sai ($10^{-3},\text{mm}$)
Khe hở hướng kính giữa rôto trong và rôto ngoài $25 \div 80$
Khe hở hướng kính giữa rôto ngoài và vỏ bơm $25 \div 80$
Khe hở mặt đầu giữa rôto trong và nắp bơm $2 \div 4$
Khe hở mặt đầu giữa rôto ngoài và nắp bơm $2 \div 4$
Dung sai độ phẳng vỏ bơm (thân bơm) và nắp bơm $25$
Dung sai độ phẳng mặt đầu rôto trong và rôto ngoài $1$

Chương 2: Nghiên cứu xác định các điều kiện hình thành cặp biên dạng rôto theo các thông số thiết kế đặc trưng

Chương 2 tập trung giải quyết các bài toán hình học và động học tiếp xúc của cặp biên dạng hypôgerôto:

  • Thiết lập phương trình bán kính cong $\rho(\gamma_i)$ và chỉ ra điều kiện không xảy ra điểm kỳ dị (tiệm cận đứng làm cắt lẹm biên dạng rôto ngoài) khi mẫu số khác 0: $$z_1 - \lambda^2 + \lambda(z_1 - 1)\cos\gamma_i \neq 0$$
  • Xác định miền giá trị giới hạn của các thông số thiết kế đặc trưng:
    • Giới hạn bán kính $R_1$: $R_{1\min} = E \cdot z_1$, $R_{1\max} = E \cdot z_1^2$.
    • Giới hạn bán kính đỉnh răng $r_{cl}$: $r_{cl\min} = 0$, $r_{cl\max} = \frac{E \cdot z_1}{\lambda + 1} \sqrt{\frac{(\lambda - 1)^3}{\lambda(z_1 + 1) - z_1^2}}$.
    • Giới hạn bán kính chân răng $R$: $R_{\min} = \frac{R_1 \sin(\pi / z_1) - r_{cl}}{1 - \sin(\pi / z_1)}$, $R_{\max} = \frac{R_1 \sin(\pi / z_1) - r_{cl}}{\sin(\pi / z_1)}$.
  • Phân tích động học hiện tượng trượt biên dạng: Xác định vận tốc trượt tại điểm tiếp xúc $K_j$ và khảo sát đường cong trượt theo các tỷ số $\lambda$ và $c$. Khi $\lambda$ tăng và $c$ giảm, bán kính chân răng rôto ngoài $R_{ch2}$ tăng; ngược lại khi $c$ tăng và $\lambda$ giảm thì $R_{ch2}$ giảm.
  • Thiết lập điều kiện mòn đều biên dạng: Dựa trên việc phân tích hàm dấu $F(t)$ của hiệu vận tốc trượt, luận án chứng minh rằng để hai biên dạng mòn đều xét về mặt động học, giá trị bán kính đỉnh răng rôto trong $r_{cl}$ phải thỏa mãn phương trình cân bằng hệ số trượt cực trị.
  • Thiết lập công thức tính toán kích thước hình học chế tạo cho cả hai rôto:
    • Rôto trong: $R_{ch1} = R_1 - r_{cl}$, $R_{đ1} = R_1 + r_{cl}$, $R_{c1} = E \cdot z_1$, bước răng $t_1 = 2\pi R_{c1} / z_1$.
    • Rôto ngoài: $R_{ch2} = R_1 - E + r_{cl}$, $R_{đ2} = R_1 + E - r_{cl}$, $R_{c2} = E(z_1 + 1)$, bước răng $t_2 = 2\pi R_{c2} / (z_1 + 1)$.

Chương 3: Tối ưu các thông số thiết kế đặc trưng theo lưu lượng

Chương 3 xây dựng mô hình tính toán lưu lượng và thuật toán tối ưu hóa kích thước bơm:

  • Thiết lập công thức tính lưu lượng lý thuyết theo đường ăn khớp và đối chiếu với phương pháp giải tích diện tích khoang bơm $S_j^{GT}(\gamma_i)$.
  • Chia diện tích khoang làm việc thành các miền giải tích thành phần ($S_{2j}, S_{12j}, S_{121j}, S_{122j}, S_{123j}$) phụ thuộc vào góc quay $\gamma_i$ của trục dẫn động.
  • Đánh giá vai trò của bán kính chân răng $R$: Khi khảo sát các giá trị $R = 2,\text{mm}$, $R = 2.8,\text{mm}$ và $R = 3.5,\text{mm}$, luận án chứng minh $R$ ảnh hưởng trực tiếp đến hiện tượng hụt lưu lượng hoặc đọng dầu. Nếu chọn $R$ không chính xác, thể tích khoang bơm khi kết thúc quá trình đẩy không đạt giá trị cực tiểu $V_{\min} = 0$, dẫn đến việc nén dầu cục bộ hoặc giảm lưu lượng thực tế so với lý thuyết ăn khớp.
  • Xây dựng hai thuật toán tối ưu hóa:
    1. Thuật toán 1: Xác định bộ 4 thông số ${E, z_1, R_1, r_{cl}}$ theo lưu lượng thiết kế $Q_{tk}$ cho trước nhằm tối thiểu hóa kích thước hướng kính ngoài của bơm.
    2. Thuật toán 2: Xác định chính xác thông số $R$ từ bộ ${E, z_1, R_1, r_{cl}}$ đã tối ưu để thỏa mãn điều kiện xả sạch dầu và đảm bảo đúng lưu lượng yêu cầu.
  • Ứng dụng giải thuật thiết kế các bộ thông số bơm bôi trơn cho ba cấu hình động cơ thực tế.

Chương 4: Thí nghiệm kiểm chứng và xây dựng đường đặc tính của bơm hypôgerôto

Chương 4 trình bày quá trình chế tạo mẫu và kết quả thử nghiệm thực nghiệm:

  • Chế tạo 3 bộ bơm mẫu Hypôgerôto tương ứng cho động cơ Honda 110CC, Honda 125CC và động cơ D20 - SZ1110.
  • Tiến hành đo đạc lưu lượng riêng $q_v$, lưu lượng trung bình $Q_{TN}$, áp suất $P$, hiệu suất thể tích $\eta_Q$ và hệ số dao động lưu lượng $\delta$ khi sử dụng hai loại dầu bôi trơn động cơ là SAE2 và SAE3 ở các dải tốc độ quay từ 1000 đến 6000 vòng/phút.
Mẫu bơm thử nghiệm Loại dầu thử nghiệm Lưu lượng lý thuyết $Q_{lt}$ (lít/phút) Lưu lượng đo thực tế $Q_{TN}$ (lít/phút) Hiệu suất thể tích trung bình $\eta_Q$ (%)
Bơm Honda 110CC Dầu SAE2 $4.20 \div 4.35$ $3.85 \div 4.02$ $91.6 \div 92.4$
Bơm Honda 110CC Dầu SAE3 $4.20 \div 4.35$ $3.95 \div 4.12$ $94.0 \div 94.7$
Bơm Honda 125CC Dầu SAE2 $4.85 \div 5.05$ $4.48 \div 4.68$ $92.3 \div 92.8$
Bơm Honda 125CC Dầu SAE3 $4.85 \div 5.05$ $4.58 \div 4.79$ $94.4 \div 94.9$
Bơm D20 - SZ1110 Dầu SAE2 $12.10 \div 12.50$ $11.15 \div 11.55$ $92.1 \div 92.5$
Bơm D20 - SZ1110 Dầu SAE3 $12.10 \div 12.50$ $11.42 \div 11.83$ $94.3 \div 94.8$
  • Kết quả thí nghiệm khẳng định sai số giữa lưu lượng đo thực tế và lưu lượng tính toán lý thuyết nằm trong giới hạn cho phép ($< 8%$, phần lớn do tổn thất rò rỉ qua khe hở lắp ghép), hiệu suất thể tích đạt trên 91% đối với dầu SAE2 và trên 94% đối với dầu SAE3.
  • Xây dựng đồ thị đường đặc tính $Q - P$, đồ thị dao động lưu lượng tức thời theo góc quay và khảo sát sự suy giảm dao động lưu lượng khi độ nhớt động học của môi chất tăng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận khoa học

  1. Xác định đầy đủ hệ điều kiện biên hình thành cặp biên dạng rôto của bơm Hypôgerôto, giải quyết triệt để các hiện tượng nhọn đỉnh răng, cắt lẹm chân răng, giao thoa đỉnh răng và cạnh răng, tránh va chạm và kẹt răng trong quá trình ăn khớp.
  2. Thiết lập công thức giải tích xác định chính xác bán kính đỉnh răng rôto trong ($r_{cl}$) nhằm đảm bảo điều kiện mòn đều hai biên dạng đối tiếp theo tiêu chí động học, góp phần kéo dài tuổi thọ làm việc của cặp rôto.
  3. Đưa ra mô hình giải tích và thuật toán xác định chính xác bán kính chân răng ($R$) của bánh răng trong, khắc phục hiện tượng thiếu hụt lưu lượng thiết kế và loại bỏ lượng dầu ứ đọng sau mỗi chu kỳ làm việc.
  4. Xây dựng thuật toán tối ưu hóa tổng thể tập 5 thông số thiết kế đặc trưng ${E, z_1, R_1, r_{cl}, R}$ theo lưu lượng cho trước, cho phép thu nhỏ kích thước hướng kính của bơm so với các thiết kế truyền thống.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp ứng dụng

  • Thuật toán tối ưu hóa giúp rút ngắn thời gian tính toán thiết kế, cho kết quả chính xác mà không cần chế tạo thêm kết cấu rãnh hồi dầu phụ trên vỏ bơm nhằm giải tỏa áp suất ứ đọng.
  • Chế tạo và thử nghiệm thành công 3 mẫu bơm Hypôgerôto cho động cơ xe máy Honda 110CC, 125CC và động cơ diesel D20 - SZ1110, chứng minh tính khả thi trong sản xuất công nghiệp với kích thước nhỏ gọn hơn nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ yêu cầu lưu lượng, áp suất và độ ổn định dòng chảy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án tập trung khảo sát dòng bơm Hypôgerôto làm việc với môi chất dầu bôi trơn trong điều kiện vận hành của động cơ đốt trong thông thường; chưa khảo sát đầy đủ ứng xử động lực học ở dải nhiệt độ siêu cao hoặc áp suất thủy lực lớn ($> 50,\text{bar}$).
  • Các mẫu chế tạo thử nghiệm sử dụng vật liệu kim loại truyền thống, chưa mở rộng đánh giá thực nghiệm trên các vật liệu phi kim loại (polyme, composite).
  • Chưa tích hợp mô hình tính toán biến dạng nhiệt của cặp rôto dưới tác động nhiệt độ cao kéo dài trong động cơ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng ứng dụng thuật toán tối ưu cho các loại máy thủy lực thể tích cỡ lớn, máy công trình và hệ thống trợ lực tay lái.
  • Nghiên cứu ứng dụng vật liệu polyme chịu nhiệt cao (như PPA gia cường sợi thủy tinh) nhằm giảm khối lượng và chi phí sản xuất bơm Hypôgerôto.
  • Phát triển mô hình mô phỏng 3D CFD kết hợp phân tích tương tác chất lỏng - kết cấu (FSI) để đánh giá chuyên sâu hiện tượng xâm thực (cavitation) ở các dải tốc độ quay cao ($> 8000,\text{vòng/phút}$).

Giá trị tham khảo

Đối tượng sử dụng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Cơ kỹ thuật, Cơ sở thiết kế máy, Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo phương pháp thiết lập phương trình biên dạng bánh răng hypôxyclôít, lý thuyết ăn khớp phẳng, phân tích động học trượt tiếp xúc và giải thuật tối ưu hóa phi tuyến.
  • Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm (R&D) tại các nhà máy chế tạo động cơ, phụ tùng ô tô, xe máy: Sử dụng các công thức và quy trình thuật toán để tính toán kích thước tối ưu cho bơm bôi trơn, lựa chọn dung sai chế tạo và khe hở lắp ghép phù hợp.
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực thủy lực thể tích: Tham khảo phương pháp xây dựng băng thử nghiệm đo kiểm lưu lượng tức thời, xác định đường đặc tính và khảo sát dao động lưu lượng theo độ nhớt chất lỏng.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao

  • Phương trình toán học giải tích mô tả biên dạng rôto ngoài và công thức xác định góc áp lực $\alpha_i$ (Mục 2.1).
  • Tiêu chí và công thức cân bằng hệ số trượt để đạt điều kiện mòn đều biên dạng theo động học (Mục 2.6).
  • Thuật toán xác định bán kính chân răng $R$ và tối ưu hóa 5 thông số theo lưu lượng cho trước (Mục 3.4 và 3.5).
  • Bảng tổng hợp dung sai chế tạo chuẩn và số liệu thực nghiệm kiểm chứng trên các dòng động cơ thực tế (Chương 1 và Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Bơm Hypôgerôto có điểm gì khác biệt căn bản về mặt hình học so với bơm Gerôto?

Trong bơm Gerôto, rôto ngoài có biên dạng là các cung tròn lồi và rôto trong mang biên dạng đường cong epixyclôít kéo dài. Ngược lại, trong bơm Hypôgerôto, rôto trong có biên dạng là các cung tròn (được xác định bởi bán kính đỉnh răng $r_{cl}$ và bán kính chân răng $R$), còn rôto ngoài mang biên dạng đường cong hypôxyclôít kéo dài.

2. Bộ 5 thông số thiết kế đặc trưng cấu thành cặp bánh răng bơm Hypôgerôto gồm những gì?

Bộ 5 thông số bao gồm:

  • $E$: Khoảng cách trục (độ lệch tâm giữa hai rôto).
  • $z_1$: Số răng của rôto trong ($z_2 = z_1 + 1$).
  • $R_1$: Bán kính đường tròn đi qua tâm các cung tròn đỉnh răng rôto trong.
  • $r_{cl}$: Bán kính đường tròn con lăn (bán kính đỉnh răng rôto trong).
  • $R$: Bán kính đường tròn tiếp xúc giữa hai con lăn (bán kính chân răng rôto trong).

3. Vì sao việc bỏ qua thông số bán kính chân răng $R$ trong các nghiên cứu trước đây lại gây ra sai số thiết kế?

Các nghiên cứu trước chỉ sử dụng 4 thông số ${E, z_1, R_1, r_{cl}}$ để tạo biên dạng hypôxyclôít mà không tính đến bán kính liên kết chân răng $R$. Nếu $R$ không được tính toán chính xác, thể tích khoang bơm khi kết thúc hành trình đẩy sẽ không triệt tiêu ($V_{\min} > 0$), dẫn đến dầu bị ứ đọng, gây nén chất lỏng áp suất cao, phát sinh sóng va và lực quán tính ly tâm; hoặc làm suy giảm thể tích làm việc thực tế dẫn đến hụt lưu lượng so với lý thuyết ăn khớp.

4. Tiêu chí mòn đều hai biên dạng đối tiếp được giải quyết bằng nguyên lý nào?

Luận án giải quyết tiêu chí mòn đều dựa trên phân tích động học vận tốc trượt tương đối ($V_{tr12}, V_{tr21}$) và hệ số trượt ($\eta_{1i}, \eta_{2i}$) tại điểm tiếp xúc ăn khớp. Bằng cách khảo sát hàm xét dấu $F(t)$ của hiệu vận tốc trượt và điều chỉnh giá trị bán kính đỉnh răng $r_{cl}$, luận án tìm ra giá trị tối ưu của $r_{cl}$ để cân bằng hệ số trượt giữa hai bề mặt răng trong suốt chu kỳ ăn khớp.

5. Kết quả thực nghiệm của luận án được thực hiện trên những đối tượng và điều kiện nào?

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên 3 mẫu bơm chế tạo theo kích thước tối ưu, lắp thử nghiệm cho động cơ xe máy Honda 110CC, Honda 125CC và động cơ diesel D20 - SZ1110. Bơm được vận hành với hai loại dầu thử nghiệm SAE2 và SAE3 ở dải tốc độ $1000 \div 6000,\text{vòng/phút}$, đo đạc lưu lượng, áp suất, hiệu suất thể tích và biên độ dao động lưu lượng tức thời.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trương Công Giang đã hoàn thiện cơ sở lý thuyết hình học và động học cho loại bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong biên dạng hypôxyclôít (bơm Hypôgerôto). Bằng việc xác lập hệ điều kiện biên tránh cắt lẹm, va chạm, tiêu chí mòn đều động học và bổ sung thông số bán kính chân răng $R$, tác giả đã xây dựng thành công thuật toán tối ưu hóa 5 thông số thiết kế theo lưu lượng đặt trước nhằm thu nhỏ kích thước hướng kính của bơm. Các kết quả lý thuyết đã được kiểm chứng đầy đủ qua việc chế tạo mẫu và đo kiểm thực nghiệm trên các động cơ Honda 110CC, 125CC và D20 - SZ1110, đạt hiệu suất thể tích trên 91% và khẳng định tính chính xác của mô hình tính toán. Công trình cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị khoa học và thực tiễn cho lĩnh vực thiết kế máy thủy lực và hệ thống bôi trơn động cơ đốt trong.