Tổng quan luận án

Bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong có biên dạng xyclôít được phát minh bởi Myron F. Hill vào năm 1920. Dựa trên biên dạng đường cong xyclôít của cặp bánh răng (cặp rôto), dòng bơm này được phân loại thành hai nhóm chính: bơm Gerôto (sử dụng đường cong epixyclôít kéo dài) và bơm Hypôgerôto (sử dụng đường cong hypôxyclôít kéo dài). Trong lịch sử phát triển, loại bơm Hypôgerôto ít được nghiên cứu ứng dụng do công nghệ gia công vành răng trong biên dạng hypôxyclôít phức tạp, chi phí sản xuất cao; tài liệu học thuật trước đây hầu như chỉ đề cập về mặt hình học trong các công trình lý thuyết bánh răng của Faydor L. Litvin từ thập niên 1950. Khi công nghệ chế tạo điều khiển số (CNC) phát triển, việc gia công biên dạng hypôxyclôít trở nên khả thi với chi phí tương đương epixyclôít. Đồng thời, yêu cầu tiết kiệm từ 10% đến 15% nhiên liệu tiêu thụ trong ngành công nghiệp ô tô thông qua cải thiện hệ thống bôi trơn động cơ đốt trong đòi hỏi các dòng bơm bôi trơn phải giảm kích thước hướng kính nhưng vẫn duy trì lưu lượng và độ ổn định áp suất. Đây là cơ sở thực tiễn và khoảng trống nghiên cứu mà tác giả Trương Công Giang lựa chọn để thực hiện luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí với đề tài "Nghiên cứu xác định kích thước tối ưu theo lưu lượng của bơm Hypôgerôto".

Mục tiêu tổng quát của luận án là tối ưu hóa tập tham số thiết kế đặc trưng ${R, r_{cl}, R_1}$ của bơm bôi trơn Hypôgerôto theo khoảng cách trục $E$, số răng rôto trong $z_1$ và lưu lượng cho trước $Q$, nhằm giảm thiểu kích thước hướng kính của bơm mà vẫn bảo đảm lưu lượng, áp suất làm việc và chất lượng dòng chảy sau bơm.

Để đạt được mục tiêu tổng quát, luận án xác định ba nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Xác định các điều kiện hình thành biên dạng bánh răng trong (rôto trong) và bánh răng ngoài (rôto ngoài) nhằm bảo đảm lưu lượng, áp suất và triệt tiêu hiện tượng tồn đọng chất lỏng sau mỗi vòng quay gây ra lực quán tính ly tâm có hại; trên cơ sở đó xác định chính xác bán kính chân răng rôto trong ($R$).
  2. Phân tích động học quá trình ăn khớp để xác định điều kiện chọn bán kính đỉnh răng rôto trong ($r_{cl}$) nhằm thỏa mãn tiêu chí mòn đều hai biên dạng đối tiếp theo động học, đồng thời xác lập điều kiện của bán kính chân răng $R$ để tránh hiện tượng va chạm giữa hai rôto trong quá trình vận hành.
  3. Xây dựng thuật toán tối ưu hóa các tham số thiết kế đặc trưng trên cơ sở các điều kiện biên đã thiết lập, hướng đến mục tiêu đạt kích thước hướng kính nhỏ nhất tương ứng với một giá trị lưu lượng yêu cầu.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít ứng dụng trong hệ thống bôi trơn. Đối tượng khảo sát cụ thể là bơm Hypôgerôto có rôto ngoài mang biên dạng hypôxyclôít và rôto trong có biên dạng tổ hợp từ các cung tròn lồi lõm, phục vụ hệ thống bôi trơn của động cơ đốt trong.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thông số chức năng cốt lõi của bơm bôi trơn động cơ, bao gồm: lưu lượng lý thuyết, lưu lượng thực tế, áp suất làm việc, dao động lưu lượng và đặc tính mòn động học của cặp biên dạng bánh răng. Không gian ứng dụng thực nghiệm được giới hạn trên các dòng động cơ xe máy dung tích 110CC, 125CC và động cơ diesel tĩnh tại D20-SZ1110.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử cho thấy lý thuyết nền tảng của biên dạng xyclôít bắt nguồn từ Galloway (1787) và phát minh bơm rôto của Hill (1920). Các giai đoạn tiếp theo ghi nhận đóng góp về mô hình hóa hình học của Ansdale và Lockley, Colbourne (nghiên cứu nguyên lý đường cong epixyclôít và hypôxyclôít), Robinson và Lyon, Beard, Maiti và Sinha.

Trong giai đoạn từ năm 2000 đến 2019, các nghiên cứu quốc tế về bơm xyclôít phát triển mạnh mẽ theo các hướng chuyên biệt:

  • Mô hình hóa và cải tiến biên dạng: Mimmi và Pennacchi (2000), Fabiani (2002), Manco (2004), Demenego (2002), Vecchiato (2001) nghiên cứu lý thuyết ăn khớp và đường ăn khớp của bơm Gerôto. Bonandrini, Mimmi và Rottenbacher (2005–2008) mô hình hóa cặp rôto biên dạng xyclôít thông thường theo bốn thông số thiết kế đặc trưng. Hướng cải tiến biên dạng sinh được Kim và cộng sự (2007–2015), Karamtooz Ravari (2011), Jacazio và De Martin (2014), Hao và cộng sự (2015) triển khai bằng cách tích hợp đường ellipse và thân khai để tăng diện tích khoang bơm và giảm dao động lưu lượng. Các mẫu biên dạng công nghiệp như "Megafloid" của Sasaki và cộng sự (2008) hay "Geo clotid" của Yoshida và cộng sự (2009) được tạo ra nhằm giảm kích thước hướng kính nhưng duy trì lưu lượng.
  • Động lực học, áp suất và khe hở: Rundo (2010) nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và độ nhớt; Meira (2011), Inaguma (2012–2014), Kamal (2016) khảo sát thực nghiệm tổn thất lưu lượng qua khe hở cạnh răng và khe hở mặt đầu; Jamadar và cộng sự (2013) xác lập bảng dung sai chế tạo chi tiết; Ivanovic (2010–2018) phân tích lực ăn khớp và biến thiên khe hở cạnh răng; Stryczek và cộng sự (2011–2017) khảo sát việc thay thế vật liệu kim loại bằng polyme (nhựa POM, polyphthalamide sợi thủy tinh) chế tạo rôto và vỏ bơm.
  • Tự động hóa thiết kế và mô phỏng số: Chang và cộng sự (2006) dùng AutoLISP; Gamez Montero và cộng sự phát triển phần mềm GeroLAB (2009, 2012); Jeong (2013), Prakash và Manjula (2014) sử dụng CAD 3D; các mô đun CFD, CFX trong ANSYS FLUENT và STAR-CD được sử dụng bởi nhiều nhóm tác giả để mô phỏng dòng chất lỏng và hiện tượng xâm thực.

Tại Việt Nam, bơm bánh răng xyclôít được đề cập từ giáo trình của Bùi Bá Thư và Tạ Khánh Lâm (1970). Năm 1996, Nguyễn Đức Hùng khảo sát động học bơm Gerôto thông qua định luật bảo toàn công và phương pháp điểm ảnh để đo diện tích khoang. Giai đoạn 2001–2014, các công trình trong nước (Trịnh Đồng Tính, Nguyễn Hồng Thái) chủ yếu tập trung vào ứng dụng bánh răng xyclôít trong hộp giảm tốc hành tinh con lăn cho robot và máy điều khiển số, chưa đi sâu vào cơ chế thủy lực thể tích của bơm bánh răng ăn khớp trong.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra: Các công trình nghiên cứu về bơm Hypôgerôto còn rất hạn chế. Nghiên cứu của Kwon và đồng nghiệp (2010) mới chỉ dùng phương pháp tâm vận tốc tức thời để xác định miền giới hạn tránh giao thoa đỉnh răng ($R_{1\min}, r_{cl\max}, R_{\min}$). Các hiện tượng va chạm kẹt răng, nhọn đỉnh răng rôto trong, giới hạn cung ăn khớp, sự chồng lấn biên dạng chân răng lên đỉnh răng và điều kiện mòn đều động học của cặp biên dạng Hypôgerôto chưa được giải quyết triệt để. Về lưu lượng, các công thức lý thuyết trước đây (theo đường ăn khớp hoặc bảo toàn công) đều bỏ qua ảnh hưởng của bán kính chân răng rôto trong ($R$), dẫn đến tình trạng thiếu hụt lưu lượng thực tế hoặc gây tồn đọng thể tích dầu dư thừa tại cuối chu trình xả, buộc các kết cấu truyền thống phải bổ sung rãnh hồi dầu phụ trên thân vỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết ăn khớp bánh răng phẳng, phương pháp bao hình và phương pháp tâm vận tốc tức thời. Cặp rôto ăn khớp trong có số răng thỏa mãn điều kiện $z_2 = z_1 + 1$. Vận tốc góc của rôto trong $\omega_1$ và rôto ngoài $\omega_2$ liên hệ qua tỷ số truyền:

$$i_{12} = \frac{\omega_1}{\omega_2} = \frac{z_2}{z_1} = \frac{z_1 + 1}{z_1}$$

Bán kính vòng lăn (vòng tâm tích) của rôto trong $r_1$ và rôto ngoài $r_2$ xác định theo khoảng cách trục lệch tâm $E$:

$$r_1 = E z_1$$ $$r_2 = E z_2 = E (z_1 + 1)$$ $$r_2 - r_1 = E$$

Cơ sở thiết lập phương trình biên dạng sử dụng hệ ba hệ quy chiếu:

  • $S_1(O_1, x_1, y_1)$: Hệ quy chiếu động gắn với rôto trong, gốc tại tâm quay $O_1$.
  • $S_2(O_2, x_2, y_2)$: Hệ quy chiếu động gắn với rôto ngoài, gốc tại tâm quay $O_2$.
  • $S_3(O_3, x_3, y_3)$: Hệ quy chiếu cố định gắn trên thân vỏ bơm, gốc $O_3$ trùng với $O_2$.

Vector vị trí điểm tiếp xúc $K_{1j}$ trên đỉnh răng cung tròn của rôto trong biểu diễn trong hệ quy chiếu $S_1$:

$$\mathbf{r}{K1j}^{(1)}(\gamma_i) = \begin{bmatrix} R_1 + r{cl} \cos \alpha(\gamma_i) \ r_{cl} \sin \alpha(\gamma_i) \ 0 \end{bmatrix}$$

Tọa độ biên dạng răng rôto ngoài trong hệ quy chiếu $S_2$ được xác định thông qua các ma trận biến đổi tọa độ $^{2}C_3$ và $^{3}C_1$:

$$\mathbf{r}{K2j}^{(2)}(\gamma_i) = {^{2}C_3} \cdot {^{3}C_1} \cdot \mathbf{r}{K1j}^{(1)}(\gamma_i)$$

Phương trình giải tích biên dạng rôto ngoài (vành răng hypôxyclôít) thu được:

$$x_{K2j}(\gamma_i) = R_1 \cos\left(\frac{\gamma_i}{z_1 + 1}\right) - r_{cl} \cos\left[\alpha(\gamma_i) - \frac{\gamma_i}{z_1 + 1}\right] - E \cos\left(\frac{z_1}{z_1 + 1}\gamma_i\right)$$

$$y_{K2j}(\gamma_i) = -R_1 \sin\left(\frac{\gamma_i}{z_1 + 1}\right) + r_{cl} \sin\left[\alpha(\gamma_i) - \frac{\gamma_i}{z_1 + 1}\right] + E \sin\left(\frac{z_1}{z_1 + 1}\gamma_i\right)$$

Góc ăn khớp $\alpha(\gamma_i)$ được giải tích từ điều kiện tiếp xúc $\mathbf{n}_j \cdot \mathbf{t}_j = 0$:

$$\alpha(\gamma_i) = \arctan\left(\frac{E z_1 \sin \gamma_i}{R_1 - E z_1 \cos \gamma_i}\right)$$

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa toán học, giải thuật tối ưu hóa phi tuyến trên máy tính và kiểm chứng thực nghiệm độc lập. Tác giả xây dựng thuật toán số để quét và tối ưu các tham số hình học ${E, z_1, R_1, r_{cl}, R}$. Về thực nghiệm, tác giả tiến hành chế tạo mẫu bơm vật lý, lắp đặt trên băng thử thủy lực chuyên dụng, sử dụng cảm biến lưu lượng, đồng hồ đo áp suất, thiết bị đo số vòng quay và hai loại dầu bôi trơn chuyên dụng động cơ (ký hiệu trong văn bản là SAE2 và SAE3) để đo đạc và xây dựng đường đặc tính làm việc.

Dữ liệu tham chiếu và dung sai chế tạo kiểm soát trong nghiên cứu kế thừa từ bảng tiêu chuẩn của Jamadar (2013):

Vị trí khe hở và dung sai Trị số cho phép (mm)
Khe hở hướng kính giữa rôto trong và rôto ngoài $25 \div 80 \times 10^{-3}$
Khe hở hướng kính giữa rôto ngoài và vỏ bơm $25 \div 80 \times 10^{-3}$
Khe hở mặt đầu giữa rôto trong và nắp bơm $2 \div 4 \times 10^{-3}$
Khe hở mặt đầu giữa rôto ngoài và nắp bơm $2 \div 4 \times 10^{-3}$
Độ phẳng bề mặt vỏ bơm (thân bơm) $25 \times 10^{-3}$
Độ phẳng bề mặt nắp bơm $25 \times 10^{-3}$
Độ phẳng mặt đầu rôto trong $1 \times 10^{-3}$
Độ phẳng mặt đầu rôto ngoài $1 \times 10^{-3}$

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương này trình bày cấu tạo, nguyên lý vận hành và lược sử phát triển của dòng máy thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít. Bơm được cấu thành bởi cặp rôto ăn khớp trong lệch tâm $E$, số răng chênh lệch $z_2 - z_1 = 1$. Mọi răng của cặp rôto đều đồng thời tham gia tiếp xúc, chia không gian làm việc thành các khoang độc lập đối xứng qua đường nối tâm hai trục quay.

Nguyên lý làm việc diễn ra qua hai pha kế tiếp:

  • Quá trình hút: Rôto trong quay kéo theo rôto ngoài quay cùng chiều. Khoang làm việc dịch chuyển từ điểm liên kết tâm, thể tích khoang tăng dần từ giá trị cực tiểu lên cực đại ($V_{\max}$), áp suất trong khoang giảm thấp hơn áp suất mặt thoáng ngoài cửa hút, dầu bôi trơn được nạp đầy vào khoang.
  • Quá trình đẩy: Khi thể tích đạt $V_{\max}$, khoang chuyển sang thông với cửa đẩy. Thể tích khoang thu hẹp dần từ $V_{\max}$ về giá trị cực tiểu ($V_{\min}$), nén dầu vào đường ống xả. Trong một vòng quay của rôto trong, bơm thực hiện $z_1$ lần chu trình hút - xả, lưu lượng riêng lý thuyết đạt $q_v = z_1 V_{\max}$.

Phần tổng quan phân tích 113 công trình quốc tế và 7 công trình trong nước từ năm 1920 đến 2019, chỉ ra sự tập trung áp đảo vào bơm Gerôto và xác lập 4 vấn đề tồn tại của bơm Hypôgerôto cần giải quyết: xác định điều kiện biên tránh va chạm và cắt lẹm biên dạng, xác định bán kính chân răng $R$ của rôto trong, thiết lập điều kiện mòn đều động học, và xây dựng thuật toán tối ưu kích thước hướng kính theo lưu lượng.

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 giải quyết toàn diện bài toán hình học và động học tiếp xúc của cặp rôto bơm Hypôgerôto. Tác giả khảo sát các bộ thông số kích thước hình thành biên dạng theo bảng số liệu thực nghiệm:

Bộ thông số $E$ (mm) $z_1$ $R_1$ (mm) $r_{cl}$ (mm)
Bộ 1 2,75 4 20,0 4,2
Bộ 2 2,75 4 22,0 4,0
Bộ 3 2,75 4 24,0 3,8

Nghiên cứu xác lập miền giới hạn toán học của 3 thông số thiết kế đặc trưng:

  1. Giới hạn bán kính $R_1$: Điều kiện để biên dạng hypôxyclôít không bị tự cắt (nhọn đỉnh răng hoặc cắt lẹm chân răng) là bán kính cong $\rho(\gamma_i) > 0$. Từ đó suy ra:

$$R_1 > R_{1\min} = E z_1$$

  1. Giới hạn bán kính đỉnh răng rôto trong $r_{cl}$: Để không xảy ra hiện tượng giao thoa biên dạng đỉnh răng và bảo đảm tính lồi của đường cong bao hình:

$$r_{cl} < r_{cl\max} = \frac{E z_1 (z_1 + 1)}{\sqrt{R_1^2 + E^2 z_1^2 - 2 E z_1 R_1 \cos \gamma_i}}$$

  1. Giới hạn bán kính chân răng rôto trong $R$: Để bảo đảm cung tròn chân răng nối tiếp trơn tru giữa hai con lăn đỉnh răng kế tiếp và không cắt lẹm vào phần làm việc của đỉnh răng:

$$R_{\min} < R < R_{\max}$$

Về động học tiếp xúc, tác giả phân tích vận tốc điểm ăn khớp $K_j$ trong chuyển động tuyệt đối của rôto trong ($v_{K1j}$) và rôto ngoài ($v_{K2j}$). Vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt răng tại điểm tiếp xúc:

$$v_{tr12} = |v_{K1j} - v_{K2j}| = \omega_1 \left(1 - \frac{1}{i_{12}}\right) \overline{P K_j} = \frac{\omega_1}{z_1 + 1} \overline{P K_j}$$

Hệ số trượt động học của rôto trong $\eta_1(\gamma_i)$ và rôto ngoài $\eta_2(\gamma_i)$ biến thiên dọc theo đường ăn khớp. Để hai biên dạng đối tiếp đạt trạng thái mòn đều theo tiêu chí động học, diện tích biểu đồ trượt của hai bề mặt phải cân bằng. Tác giả thiết lập hàm mục tiêu $F(t)$ và lập bảng xét dấu để tìm điểm cực trị, từ đó xác định giá trị tối ưu của tỷ số $r_{cl} / R_1$ tương ứng với từng hệ số hypôxyclôít $\lambda = E z_1 / R_1$ và hệ số đỉnh răng $c = r_{cl} / E$.

Cuối chương, tác giả thiết lập công thức tính toán kích thước chế tạo hình học cho cặp rôto:

  • Rôto trong: bán kính vòng đỉnh $R_{đ1} = R_1 + r_{cl}$, bán kính vòng chân $R_{ch1} = R_1 - R$, bán kính vòng chia $R_{c1} = E z_1$, bước răng $t_1 = 2 \pi R_{c1} / z_1$.
  • Rôto ngoài: bán kính vòng đỉnh $R_{đ2} = R_1 + E - r_{cl}$, bán kính vòng chân $R_{ch2} = R_1 - E + r_{cl}$, bán kính vòng chia $R_{c2} = E (z_1 + 1)$, bước răng $t_2 = 2 \pi R_{c2} / z_2$.

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

Chương 3 xây dựng mô hình tính toán giải tích lưu lượng và thuật toán tối ưu hóa kích thước bơm. Tác giả đối chiếu hai phương pháp xác định lưu lượng lý thuyết:

  • Phương pháp đường ăn khớp: Tính toán lưu lượng trung bình lý thuyết $Q_{ltak}$ dựa trên tọa độ cực và bán kính ăn khớp $\rho_{Kj}(\gamma_i)$.
  • Phương pháp giải tích diện tích khoang bơm $S_j^{GT}(\gamma_i)$: Xác định chính xác thể tích tức thời bằng cách chia diện tích tiết diện thành các miền tích phân phẳng giới hạn bởi cung tròn đỉnh rôto trong, cung tròn chân răng $R$, và đường cong hypôxyclôít của rôto ngoài.

Phân tích định lượng của tác giả chỉ ra rằng: Nếu thay đổi bán kính chân răng $R$ của rôto trong từ $2,0\text{ mm}$ đến $3,0\text{ mm}$ (khảo sát tại $R = 2,0\text{ mm}$, $R = 2,5\text{ mm}$, $R = 3,0\text{ mm}$), thể tích khoang bơm tại thời điểm đóng kín cửa xả sẽ biến thiên rõ rệt. Khi bán kính $R$ không được tính toán tương thích với đường ăn khớp, thể tích khoang tại vị trí kết thúc đẩy không triệt tiêu ($V_{\min} > 0$), gây hiện tượng đọng dầu chèn ép thủy lực và làm hụt lưu lượng thực tế $Q_{tk}$ so với lý thuyết ăn khớp $Q_{ltak}$.

Tác giả đề xuất hai thuật toán liên hoàn:

  1. Thuật toán 1: Xác định tập thông số ${E, z_1, R_1, r_{cl}}$ theo lưu lượng thiết kế $Q_{tk}$ cho trước, thỏa mãn các điều kiện biên không cắt lẹm, không giao thoa và mòn đều động học, với hàm mục tiêu là thu nhỏ đường kính ngoài của rôto ngoài ($D_{ngoai} = 2 R_{ch2} + 2 h_{vành} \to \min$).
  2. Thuật toán 2: Xác định chính xác thông số bán kính chân răng $R$ theo bộ thông số ${E, z_1, R_1, r_{cl}}$ nhằm bảo đảm dầu được ép hết hoàn toàn ra cửa đẩy khi kết thúc pha nén ($V_{\min} \to 0$).

Thuật toán được lập trình ứng dụng để thiết kế tối ưu mẫu 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 mô tả quá trình chế tạo thực tế ba mẫu bơm thử nghiệm và tiến hành đo kiểm trên băng thử để đánh giá tính đúng đắn của lý thuyết. Ba mẫu bơm được chế tạo có thông số hình học tương thích với yêu cầu bôi trơn của:

  • Động cơ xe máy dung tích 110CC (Honda 110CC)
  • Động cơ xe máy dung tích 125CC (Honda 125CC)
  • Động cơ diesel tĩnh tại D20-SZ1110

Băng thử đo lường các đại lượng: số vòng quay trục dẫn động $n$ (vòng/phút), áp suất đầu ra $P$ (bar), thể tích chất lỏng thu gom $V_{TBTN}$ qua bình chuẩn trong khoảng thời gian $t$ để xác định lưu lượng thực nghiệm $Q_{TN}$ (lít/phút). Hai loại dầu bôi trơn khảo sát là SAE2 và SAE3.

Kết quả thí nghiệm đo lưu lượng riêng $q_v$ và so sánh với lý thuyết thiết kế được tổng hợp trong các bảng dữ liệu của chương 4:

  • Sai số giữa lưu lượng đo thực nghiệm và lưu lượng tính toán lý thuyết nằm trong giới hạn hẹp ($< 5%$), khẳng định độ chính xác của mô hình giải tích tích phân diện tích khoang bơm ở Chương 3.
  • Đường đặc tính lưu lượng - áp suất ($Q - P$): Tại số vòng quay cố định, khi áp suất đầu ra tăng từ $1\text{ bar}$ lên $4\div 5\text{ bar}$, lưu lượng thực tế giảm nhẹ do rò rỉ qua các khe hở hướng kính và khe hở mặt đầu ($25 \div 80,\mu\text{m}$).
  • Hiệu suất thể tích $\eta_Q$: Với dầu có độ nhớt cao hơn (SAE3), hiệu suất thể tích đạt giá trị cao hơn so với dầu SAE2 ở cùng mức nhiệt độ làm việc, do dòng rò qua khe hở giảm.
  • Dao động lưu lượng: Khảo sát dao động lưu lượng tức thời qua đồ thị và xác định hệ số dao động lưu lượng $\delta$:

$$\delta = \frac{q_{\max} - q_{\min}}{q_{tb}}$$

Kết quả ghi nhận hệ số dao động lưu lượng của bơm Hypôgerôto tối ưu duy trì ở mức thấp, giảm dần khi tốc độ quay của trục tăng lên và ổn định theo dải độ nhớt động học của môi chất bôi trơn.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án công bố bốn đóng góp mới về mặt khoa học lý thuyết và thực tiễn kỹ thuật:

  1. Về lý thuyết hình học: Đã xác lập đầy đủ hệ thống điều kiện biên hình thành cặp biên dạng rôto của bơm Hypôgerôto. Hệ điều kiện này giải quyết triệt để các khuyết tật hình học trong thiết kế bánh răng hypôxyclôít ăn khớp trong gồm: hiện tượng nhọn đỉnh răng, hiện tượng cắt lẹm chân răng rôto ngoài, hiện tượng giao thoa đỉnh và cạnh răng, cùng điều kiện hình học tránh va chạm kẹt răng giữa hai rôto.
  2. Về động học và tuổi thọ tiếp xúc: Thiết lập công thức và tiêu chí xác định chính xác bán kính đỉnh răng rôto trong ($r_{cl}$) dựa trên sự cân bằng diện tích biểu đồ trượt tiếp xúc, bảo đảm điều kiện hai bề mặt biên dạng đối tiếp mòn đều theo tiêu chí động học.
  3. Về tính toán thủy lực thể tích: Phát hiện và chứng minh định lượng ảnh hưởng của bán kính chân răng rôto trong ($R$) tới sự biến thiên thể tích khoang bơm. Đưa ra thuật toán xác định chính xác bán kính $R$ giúp triệt tiêu thể tích đọng $V_{\min}$ ở cuối chu trình đẩy, khắc phục tình trạng hụt lưu lượng so với lý thuyết mà không cần sử dụng rãnh hồi dầu phụ trên vỏ bơm.
  4. Về phương pháp thiết kế tối ưu: Xây dựng thành công thuật toán tối ưu hóa tổng thể tập tham số thiết kế đặc trưng ${E, z_1, R_1, r_{cl}, R}$ theo lưu lượng yêu cầu $Q_{tk}$. Kết quả tối ưu cho phép thu nhỏ kích thước hướng kính của cụm bơm mà vẫn đảm bảo đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật về lưu lượng, áp suất và chất lượng dòng chảy.

Các kiến nghị thực tiễn được luận án đề xuất bao gồm việc áp dụng quy trình tính toán và thuật toán tối ưu này vào việc nội địa hóa, thiết kế chế tạo bơm bôi trơn kích thước nhỏ gọn cho các nhà máy sản xuất động cơ xe máy và động cơ đốt trong cỡ nhỏ tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án phản ánh một số giới hạn nghiên cứu:

  • Đối tượng thử nghiệm thực tế tập trung vào ba dải công suất động cơ đốt trong cụ thể (xe máy 110CC, 125CC và động cơ diesel một xi lanh D20-SZ1110) làm việc ở dải áp suất thấp và trung bình của hệ thống bôi trơn cưỡng bức.
  • Môi chất khảo sát thực nghiệm giới hạn ở hai loại dầu bôi trơn động cơ là SAE2 và SAE3; chưa tiến hành khảo sát mở rộng trên các dải nhiệt độ biến thiên rộng của dầu bôi trơn trong điều kiện vận hành khắc nghiệt kéo dài.
  • Nghiên cứu tập trung vào cặp rôto chế tạo từ vật liệu kim loại truyền thống, chưa mở rộng chế tạo thực nghiệm trên vật liệu phi kim loại (polyme kỹ thuật cao).

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả kiến nghị:

  • Nghiên cứu ứng dụng vật liệu phi kim loại (nhựa kỹ thuật POM, polyphthalamide pha sợi thủy tinh) để chế tạo cặp rôto nhằm giảm khối lượng và giảm ồn.
  • Ứng dụng mô phỏng động lực học chất lưu ba chiều (3D CFD) kết hợp phân tích tương tác kết cấu - chất lưu (FSI) để khảo sát sâu hiện tượng xâm thực và dao động áp suất tức thời tại các góc mở cửa hút/cửa xả.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo kỹ thuật cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí, Cơ kỹ thuật, Cơ sở thiết kế máy: Có thể tham khảo phương pháp giải tích thiết lập phương trình biên dạng hypôxyclôít bao hình, phương pháp đánh giá hệ số trượt động học để kiểm soát mòn đều, và mô hình tích phân diện tích khoang bơm phẳng.
  • Kỹ sư thiết kế, phòng R&D tại các doanh nghiệp sản xuất ô tô, xe máy, máy nông nghiệp và thiết bị thủy lực: Có thể khai thác trực tiếp hai thuật toán tối ưu hóa thông số ${E, z_1, R_1, r_{cl}}$ và bán kính $R$ để thiết kế bơm dầu bôi trơn có kích thước bao nhỏ gọn hơn các kết cấu hiện hành, loại bỏ rãnh hồi dầu trên vỏ bơm nhằm đơn giản hóa khuôn đúc và gia công cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Bơm Hypôgerôto khác biệt về mặt cấu tạo biên dạng như thế nào so với bơm Gerôto truyền thống?
Ở bơm Gerôto, biên dạng của rôto ngoài là các cung tròn, trong khi biên dạng rôto trong là đường cong epixyclôít kéo dài. Ngược lại, ở bơm Hypôgerôto, rôto ngoài có vành răng mang biên dạng đường cong hypôxyclôít kéo dài, còn rôto trong có biên dạng tổ hợp từ các cung tròn lồi lõm (cung đỉnh tròn bán kính $r_{cl}$ và cung chân răng bán kính $R$).

2. Tại sao thông số bán kính chân răng rôto trong $R$ lại quyết định đến hiện tượng hụt hoặc thừa lưu lượng của bơm?
Các công thức tính lưu lượng lý thuyết ăn khớp truyền thống chỉ xét đến các thông số đỉnh răng và đường ăn khớp mà bỏ qua $R$. Bán kính $R$ khép kín khoang bơm ở vùng chân răng. Nếu chọn $R$ không phù hợp, khi kết thúc quá trình xả, khoang bơm vẫn còn thể tích dư ($V_{\min} > 0$), dẫn đến dầu không được đẩy hết, sinh lực cản ly tâm và gây hụt lưu lượng thực tế $Q_{tk}$ so với tính toán lý thuyết.

3. Tiêu chí động học nào được tác giả sử dụng để tối ưu hóa khả năng chống mòn của cặp rôto?
Tác giả sử dụng tiêu chí cân bằng diện tích biểu đồ hệ số trượt tương đối giữa hai biên dạng đối tiếp dọc theo toàn bộ chu trình ăn khớp. Thông qua hàm mục tiêu $F(t)$ và phân tích vận tốc trượt tại điểm tiếp xúc $v_{tr12} = \frac{\omega_1}{z_1 + 1} \overline{P K_j}$, tác giả xác định tỷ lệ tối ưu giữa bán kính đỉnh răng $r_{cl}$ và bán kính tâm chốt $R_1$.

4. Thực nghiệm của luận án được tiến hành trên những mẫu bơm và điều kiện môi chất nào?
Thực nghiệm được thực hiện trên ba mẫu bơm chế tạo thực tế tương thích cho động cơ xe máy Honda 110CC, Honda 125CC và động cơ diesel D20-SZ1110. Quá trình đo kiểm sử dụng hai loại dầu bôi trơn động cơ là SAE2 và SAE3, khảo sát các thông số lưu lượng, áp suất đầu ra và dao động lưu lượng theo tốc độ vòng quay.

5. Những khuyết tật hình học nào trong chế tạo rôto ngoài đã được giải quyết triệt để về mặt giải tích?
Luận án đã xác lập các bất đẳng thức biên hình học để triệt tiêu hiện tượng nhọn đỉnh răng, cắt lẹm chân răng rôto ngoài (thông qua điều kiện bán kính cong $\rho(\gamma_i) > 0$), hiện tượng giao thoa đỉnh và cạnh răng, cũng như hiện tượng va chạm kẹt răng giữa hai bề mặt đối tiếp trong suốt quá trình quay.

Kết luận

Luận án của tác giả Trương Công Giang là công trình chuyên khảo về tính toán hình học, động học và thủy lực thể tích của dòng bơm Hypôgerôto ăn khớp trong. Luận án đã giải quyết được vấn đề tối ưu hóa kích thước hướng kính theo lưu lượng thông qua việc xác lập hệ điều kiện biên tránh khuyết tật biên dạng, giải thuật xác định bán kính chân răng $R$ triệt tiêu đọng dầu, và điều kiện mòn đều động học. Các kết quả giải tích được đối chứng và khẳng định tính đúng đắn qua thí nghiệm chế tạo mẫu trên động cơ xe máy 110CC, 125CC và động cơ diesel D20-SZ1110 với sai số lưu lượng dưới 5%. Công trình cung cấp cơ sở phương pháp luận hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu và thiết kế chế tạo bơm thủy lực thể tích biên dạng hypôxyclôít trong thực tiễn cơ khí chính xác.