CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XUNG QUANH ĐỀ TÀI 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Ý tưởng đầu tiên về cấu tạo bánh đà cho phép điều chỉnh tự động mô men quán tính của vật quay là của Leona Dvinci, cho tới ngày nay vẫn còn sử dụng trong các thiết kế hệ thống điều tốc cơ khí. Tuy nhiên kết cấu này không tiên dụng cho các trục công tác nằm ngang, hơn nữa mô men quán tính không lớn do phần khối lượng nằm xa trục quay chiếm tỉ lệ không lớn trong toàn bộ khối lượng hệ quay. Các nghiên khác về bánh đà có mô men quán tính thay đổi hiện nay khá đa dạng.
Tuy nhiên các thiết kế được công bố chỉ trình bày kết quả thực nghiệm, còn nguyên lý, kết cấu và ứng dụng cụ thể thì không được trình bày chi tiết. Phần còn lại chủ yếu mới dừng lại ở ý tưởng. Patent 4730154, mô tả giải pháp thay đổi mô men quán tính bằng cách dùng bơm chân không tạo áp suất âm bên trong vành bánh đà để hút các con trượt ra xa trục quay, bằng cách đó có thể kiểm soát vị trí của con trượt và do đó là cả giá trị mô men quán tính theo thời gian. Thiết kế này thực ra chưa hiệu quả do vành bánh đà được làm rỗng ruột nên mô men quán tính không lớn nếu so tỉ lệ với kích thước bao.1 Patent 4730154 Patent 3968593 trình bày ý tưởng thiết kế bánh đà có mô men quán tính thay đổi tự động bằng cách bố trí các quả văng, các khối lượng này bố trí trong vành bánh đà sẽ có bán kính quay tăng dần theo tốc độ góc của trục mang nhờ lực ly tâm khi làm việc, bán kính khối lượng tăng dẫn đến mô men quán tính của bánh đà cũng tăng.
Nhưng thiết kế này có nhược điểm lớn là trạng thái khởi động bất lợi do không đảm bảo sự cân bằng vật quay.2 Patent 3968593 2 Patent 4995282 mô tải giải pháp thay đổi mô men quán tính bằng cách điều khiển vị trí con trượt có khối lượng đáng kể đi ra xa hay về gần trục quay. Tuy nhiên, kết cấu này yêu cầu kích thước dọc trục của bánh đà lớn. Yêu cầu độ chính xác chế tạo cao, kết cấu máy nói chung cồng kềnh.3 Patent 4995282 Các thiết kế khác, nếu xét về nguyên lý làm thay đổi mô men quán tính thì như nhau, đó là phân bố lại khối lượng bánh đà bằng cách di chuyển các khối lượng ra xa hay vào gần trục quay. Tuy vậy, tùy vào kết cấu, mà mô men quán tính có thể điều khiển được hoặc không.
Như kết cấu trong hình 1.4, nếu thiết kế hệ thống dẫn động thích hợp cho vành răng côn trung tâm, tùy thuộc vào chiều quay và số vòng quay của nó sẽ cho phép hiệu chỉnh vị trí theo phương hướng kính của các khối lượng cần phân bố lại trong bánh đà.4 : Phân bố lại khối lượng bánh đà dùng cơ cấu bánh răng và vít me-đai ốc 3 Như trong hình 1.5, các lò xo chịu trách nhiệm duy trì vị trí các phần khối lượng 2 ở bán kính nhỏ nhất so với trục quay, khi vận tốc góc tăng dần lên đến một ngưỡng đủ lớn, lực quán tính ly tâm sinh ra làm tăng bán kính làm việc của các quả nặng, và do đó làm tăng dần mô men quán tính của bánh đà. Tuy nhiên, kết cấu này làm gia tăng thụ động và không điều khiển mô men quán tính được.5 : Phân bố lại khối lượng bánh đà nhờ lực quán tính ly tâm Một cách khác cho phép thay đổi được mô men quán tính là thay đổi khối lượng của bánh đà trong quá trình làm việc, bằng cách thêm hay bớt một lượng lưu chất vào bên trong vành bánh đà. Như thiết kế của James D. Van de Ven được mô tả trong hình 1.6 : Thay đổi mô men quán tính bằng cách thay đổi khối lượng bánh đà 1.
Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện nay, trong nước chưa có công bố thiết kế bánh đà nào cho phép thay đổi được mô men quán tính. Một phần lý do là, với các sơ đồ nguyên lý vận hành bằng lực ly tâm đã có, việc chế tạo đảm bảo sự chính xác và cân bằng khi quay là một nhiệm vụ khó khăn, do yêu cầu cao về dung sai chế tạo cũng như dung sai độ cứng lò xo trong thiết kế. Tính cấp thiết của đề tài Với các máy làm việc với sơ đồ tải trọng thay đổi, hoặc tải trọng không đổi nhưng công sinh ra trong một chu kỳ máy thay đổi xung quanh công cản. Sự biến động của mối quan hệ công sinh ra và công cản theo thời gian làm làm ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của máy do sự không đều của chuyển động.
Trong trường hợp đó, để giải quyết vấn đề làm đều chuyển động máy, hệ thống truyền động có thể kết hợp với bánh đà nhằm cải thiện khả năng làm việc. Chức năng chính của bánh đà là tích trữ năng lượng dư sinh ra trong quá trình sinh công để bù đắp phần năng lượng thiếu hụt trong các hành trình tiêu hao công. Trong quá trình làm việc, nếu vận tốc góc lớn thì bánh đà sẽ thu năng lượng và ngược lại sẽ giải phóng năng lượng để ổn định chuyển động cho máy. Nếu mô men quán tính bánh đà càng lớn, hiệu quả làm việc càng cao.
Mô men quán tính có thể tăng nếu tăng khối lượng bánh đà hoặc tăng đường kính, hoặc dùng cả hai phương pháp này cùng lúc. Tuy nhiên, đường kính bánh đà thường không thể quá lớn do bị hạn chế bởi điều kiện bố trí chung của máy. Vì vậy, khi thiết kế, với đường kính lớn nhất mà vẫn không thỏa mãn yêu cầu, người ta thường chọn phương án tăng bề dày vành bánh đà nhằm tăng khối lượng. Nhưng chính điều đó gây trở ngại trong việc chọn động cơ dẫn động, do cần mô men mở máy lớn và tiêu tốn nhiều năng lượng.
Để khắc phục vấn đề trên, cần phải có một phương án thiết kế kết cấu có tính công nghệ, khả thi với điều kiện chế tạo trong nước, cho phép hệ thống động lực khởi động với bánh đà có mô men quán tính nhỏ nhất của phần kết cấu cơ sở; sau đó tăng dần khối lượng cho bánh đà hoặc thay đổi sự phân bố khối lượng trên bánh đà nhằm đạt đến trạng thái kết cấu có mô men quán tính bánh đà lớn nhất theo thiết kế. Nhu cầu kinh tế xã hội liên quan trực tiếp đến đề tài Tiết kiệm năng lượng vẫn đang là một vấn đề được quan tâm sâu sắc, và nội dung nghiên cứu của đề tài này nhằm mục đích đó. Từ kết quả nghiên cứu của đề tài, có thể mở rộng nghiên cứu để chế tạo và ứng dụng cụ thể vào sản phẩm như xe máy và hướng phát triển đến ứng dụng bánh đà có mô-men quán tính thay đổi vào sản phẩm cụ thể như ô-tô 1. Nội dung đăng ký - Nghiên cứu thiết kế nguyên lý các phương án bánh đà có môn-men quán tính thay đổi - Tính toán thiết kế bánh đà có mô men quán tính thay đổi - Mô hình hóa và mô phỏng bánh đà có mô-men quá tính thay đổi 5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÁNH ĐÀ 2.1 Chức năng của bánh đà Bánh đà là một bộ phận của máy dùng để trích trữ năng lượng nhằm làm đều chuyển động của máy.
Trong quá trình làm việc, nếu vận tốc góc lớn thì bánh đà sẽ thu năng lượng và ngược lại sẽ giải phóng năng lượng để ổn định chuyển động cho máy.1: Biểu đồ thu và giải phóng năng lượng của bánh đà Lấy ví dụ khảo sát một máy đột lỗ, có thể nhận thấy vai trò làm đều chuyển động máy của bánh đà như trong hình 2. Biểu đồ phân bố năng lượng khi không có bánh đà Biểu đồ phân bố năng lượng khi có bánh đà Hình 2.2: So sánh biểu đồ phân bố năng lượng khi có và không có bánh đà của máy đột lỗ 6 Trong các động cơ đốt trong, đặc biệt là các động cơ chỉ có một hoặc hai xy lanh, năng lượng được truyền đến trục khuỷu không liên tục. Năng lượng chỉ được tạo ra trong một kỳ nổ, nhưng máy phải làm việc toàn bộ chu kỳ. Do đó, năng lượng được tạo ra trong kỳ nổ phải lớn hơn mức năng lượng cần thiết của bộ phận công tác; vì trong các thì còn lại là hút, nén và xả đối với động cơ bốn thì; và thì nén với động cơ hai thì phải tiêu tốn năng lượng.
Vì vậy để cho trục khuỷu quay với tốc độ đều dưới tác dụng của tải trọng thực không đổi thì trục khuỷu cần phải gắn thêm bánh đà. Chức năng chính của bánh đà là lưu trữ năng lượng dư trong thì nổ của động cơ và trả ngược lại cho trục khủyu trong các thì còn lại, giúp làm đều tốc độ của trục khuỷu. Vận tốc của bánh đà không phải là hằng số. Vì khi bánh đà nhận thêm năng lượng, vận tốc tăng lên, còn khi giải phóng bớt năng lượng, vận tốc của nó lại giảm xuống.
Ví dụ, trong động cơ một xy lanh loại 4 thì, chỉ có một kỳ sinh công trong 4 hành trình của piston hay hai vòng quay của trục khuỷu; khi đó, phần năng lượng tích trữ trong bánh đà sẽ duy trì chuyển động quay toàn vòng cho trục.3: Bánh đà trong động cơ đốt trong Cơ sở nhận định như trên, được phân tích rõ trong khi xét biểu đồ phân bố năng lượng của một động cơ đốt trong hình 2.4 Biểu đồ quan hệ giữa momen xoắn và công thực hiện trên một vòng quay Ta thấy, tại góc trục khuỷu bằng 00, mô men xoắn bằng 0, tăng dần và đạt cực đại tại góc trục khuỷu bằng 900, sau đó quay về giá trị 0 khi góc trục khuỷu bằng 1800. Biến thiên năng lượng được xác định bởi sơ đồ momen quay trên một chu kỳ công tác. Giả thiết rằng, mô men xoắn do động cơ sinh ra phải bằng momen xoắn cản trung bình của tải trọng tạo ra. Khi đó, công sinh ra bằng công cản do tải trọng gây ra.
Vì vậy, diện tích hình chữ nhật (aAFe) tương ứng với công sinh ra để thắng momen xoắn cản trung bình. + Khi trục khuỷu di chuyển từ a – p thì công sinh ra do động cơ được xác định bằng diện tích hình phẳng (aBp); trong khi đó, năng lượng cần thiết phải có được biểu diễn bằng hình chữ nhật (aABp). Trong giai đoạn này, động cơ tạo ra năng lượng nhỏ hơn năng lượng yêu cầu và phần năng lượng thiếu hụt này sẽ được bổ sung từ bánh đà, vì vậy tốc độ quay của bánh đà sẽ giảm.