phần mở đầu bơm bánh răng ăn khớp trong có biên dạng xyclôít là loại máy thủy lực thể tích (TLTT) kiểu rôto (RT) đƣợc phát minh lần đầu tiên bởi M. Hill vào năm 1920 cho đến nay vẫn đang đƣợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống bôi trơn và các hệ thống trợ lực của ôtô, xe máy hiện đại (hình1.2), cũng nhƣ các loại xe chuyên dụng trong lĩnh vực thi công đƣờng bộ, các loại xe vận tải cỡ lớn và thiết bị khai thác trong hầm lò hoặc các dây chuyền sản xuất hiện đại.1 Bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp xyclôít trong hệ thống bôi trơn động cơ đốt trong [2] 1 Bơm đƣợc hình thành trên cơ sở cặp bánh răng xyclôít (epixyclôít và hypôxyclôít) ăn khớp trong và thƣờng đƣợc gọi là cặp rôto. Do đặc điểm ăn khớp của cặp RT này là tất cả các răng cùng tham gia ăn khớp, dẫn đến hình thành các khoang hút và khoang đẩy đối xứng qua đƣờng nối tâm của hai rôto. 2 Bơm Gerôto trong bộ với các loại bơm thủy lực khác cùng truyền lực ô tô, xe máy [3] kích thƣớc loại bơm này có ƣu điểm: kết 4 cấu đơn giản, tuổi thọ Rôto ngoài 3 cao, làm việc ổn định, 2 lƣu lƣợng lớn hơn 1 nhƣng lại có nhƣợc điểm áp suất thấp, do đó phù hợp với các hệ Rôto trong thống bôi trơn làm mát, đặc biệt là hệ Hình 1.3 Bơm hypôgerôto dùng trong hệ thống bôi trơn thống bôi trơn của động cơ xăng [30] c n c o on on o động cơ đốt trong.
Mặt khác, do biên dạng RT của bơm sử dụng họ đƣờng cong xyclôít nên loại bơm đƣợc phân thành hai loại: (1) khi sử dụng đƣờng cong epixyclôít làm biên dạng răng của RT thì đƣợc gọi là bơm Gerôto; (2) còn khi sử dụng đƣờng cong hypôxyclôít làm biên dạng răng thì đƣợc gọi là bơm Hypôgerôto (hình 1. Tuy nhiên, trong các hệ thống bôi trơn làm mát của các loại động đốt trong ở các thập niên qua thƣờng sử dụng loại bơm Gerôto còn loại bơm Hypôgerôto mới chỉ đƣợc nghiện cứu và đƣa vào ứng dụng trong những năm gần đây.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 1.1 Cấu tạo của bơm bánh răng xyclôít Nhƣ đã trình bày ở trên về mặt cấu tạo thành phần chính của bơm là cặp RT biên dạng xyclôít ăn khớp trong (xem hình 1. Nhƣ vậy, nếu RTT có biên dạng là các cung tròn thì RTN có biên dạng là đƣờng hypôxyclôít kéo dài hình 1.4a (bơm Hypôgerôto), còn nếu RTN có biên dạng là các cung tròn thì RTT có biên dạng là đƣờng epixyclôít keo dài hình 1. Để tránh áp suất dầu quá cao 2 trong các khoang ở phía cửa đẩy gần với tâm ăn khớp trên vỏ bơm đƣợc thiết kế thêm những rãnh dẫn hồi dầu trong thân bơm (hình 1.5b) nhằm làm giảm áp lực gia tăng cục bộ tại khoang bơm gần tâm ăn khớp gây ra sóng va và biến tính dầu bôi trơn.
Rôto ngoài đƣờng hypôxyclôít kéo dài Rôto ngoài Cửa đẩy đƣờng epixyclôít kéo dài Cửa đẩy Rôto trong Rôto trong P Tâm ăn khớp P O2 O1 O2 O1 Cửa hút Tâm ăn khớp Cung tròn Cung tròn Cửa hút a) Hypôgerôto b) Bơm Gerôto Hình 1.4 Cấu tạo của bơm bánh răng xyclôít Rãnh hồi dầu trên thân bơm cửa vào cửa ra a) Lắp bơm b) Vỏ bơm Hình 1.5 Vỏ bơm dầu trong động cơ xe máy Honda air blade 1.2 Nguyên lý hoạt động của bơm Cửa đẩy Cửa hút bánh răng xyclôít Về mặt bản chất các khoang bơm Điểm ăn khớp đƣợc hình thành trên cơ sở các khoảng Rôto trong trống giữa các cặp răng đối tiếp trong Rôto ngoài quá trình ăn khớp của cặp RT tạo nên sự Vỏ bơm Khoang bơm biến đổi thể tích của các khoang bơm ở phía cửa hút và cửa đẩy (xem hình 1.6 bơm Gerôto [4] Tại cửa hút các khoảng trống có xu hƣớng thể tích tăng dần theo chiều quay, dẫn đến áp suất trong khoang bơm giảm so với áp suất ngoài mặt thoáng cửa hút, còn ở 3 cửa ra các khoang bơm có xu hƣớng thu hẹp dần thể tích theo chiều quay để tạo áp lực đẩy. Quá trình hút và đẩy của bơm đƣợc mô tả trên hình 1.7 nhƣ sau: Quá trình hút Xét khoang bơm bất kỳ (khoang bơm đƣợc khoanh tròn) tại thời điểm RTT và RTN ở vị trí điểm chuẩn đƣợc mô tả trên hình hình 1. Khi RTT quay với góc quay i làm RTN quay cùng chiều với góc quay (i) z2 tƣơng ứng với tỷ số truyền i12 của cặp RT. Khi đó, thể tích khoang khảo sát z1 tăng dần, đồng thời áp suất giảm dần, quá trình hút bắt đầu dầu từ cửa hút tràn vào khoang khảo sát.
Nếu RTT tiếp tục quay thể tích của khoang bơm khảo sát tăng lên, đồng thời áp suất càng giảm, tạo áp lực hút dầu từ ngoài cửa hút vào trong các khoang hút, lƣợng dầu tràn vào khoang khảo sát tăng lên. Cùng lúc này khoang kế tiếp với khoang khảo sát lại vào cửa hút và bắt đầu quá trình hút nhƣ đƣợc mô tả trên hình 1. Khi bắt đầu đi qua vị trí cửa hút khoang khảo sát có thể tích Vmax trƣớc khi sang cửa đẩy và đƣợc mô tả ở hình 1. Quá trình đẩy Sau khi khoang khảo sát đạt thể tích Vmax, bơm bắt đầu quá trình đẩy (quá trình xả), thể tích khoang khảo sát giảm dần, tạo áp suất đẩy dầu từ khoang khảo sát vào cửa đẩy, thực hiện quá trình đẩy (hình 1.
Trong khoảng thời gian này khoang kế tiếp khoang khảo sát đang có lƣợng dầu lớn nhất và chuẩn bị đi vào quá trình đẩy. RTT tiếp tục quay, thể tích khoang khảo sát giảm dần về Vmin (hình 1.7g), đẩy toàn bộ dầu trong khoang khảo sát ra cửa đẩy. Kết thúc quá trình đẩy, dầu đƣợc đẩy hết ra khỏi khoang khảo sát quay về vị trí ban đầu, bắt đầu thực hiện 1 chu kì mới (hình 1.7h) của chu trình làm việc Trong khi khoang khảo sát thực hiện chu kì hút/đẩy của mình, thì đồng thời các khoang khác của bơm cũng liên tục thực hiện chu kì hút/đẩy của nó, tạo ra chu kì hút đẩy liên tục của bơm. Nếu gọi z1, z2 lần lƣợt là số răng của RTT và RTN, với z2 = z1 + 1 thì sau 1 vòng quay bơm thực hiện z1 lần hút/đẩy, lƣu lƣợng dầu mà bơm thực hiện trong một vòng là qv =z1Vmax.
Nhƣ vậy, bơm bánh răng xyclôít ăn khớp trong kiểu RT là một loại bơm thủy lực thể tích có cấu tạo đơn giản, kích thƣớc của bơm nhỏ. Ngoài ra, do số răng ít nên lƣu lƣợng sau mỗi vòng quay lớn. Vì vậy, mà loại bơm này rất thích hợp sử dụng trong các máy có giới hạn về kích thƣớc, đặc biệt là động cơ đốt trong. 4 Quá trình hút Quá trình đẩy Quá trình hút Quá trình đẩy Quá trình hút Quá trình đẩy Quá trình hút Quá trình đẩy Cửa Cửa hút đẩy Điểm chuẩn tại vị trí đầu a) b) c) d) Quá trình hút Quá trình đẩy Quá trình hút Quá trình đẩy Quá trình hút Quá trình đẩy Quá trình hút Quá trình đẩy e) f) g) h) Hình 1.7 Quá trình làm việc của bơm 1.
Lịch sử nghiên cứu và phát triển bơm 1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít Bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít là loại máy thủy lực thể tích kiểu RT đƣợc phát minh lần đầu tiên vào năm 1920 [1] dựa trên các cơ sở lý thuyết đƣợc đề xuất trong các cuốn sách Galloway (1787). Sau đó các lý thuyết thiết kế bơm đƣợc dần hoàn thiện bởi các nghiên về sau (các nghiên cứu sau năm 1920) với các chủ đề nghiên cứu cụ thể nhƣ sau: (1) Mô hình hóa mô tả biên dạng cặp RT đƣợc đề xuất bởi Ansdale và Lockley [5], định nghĩa nguyên lý hình thành đƣờng cong epixyclôít và hypôxyclôít chỉ ra bởi Colbourne [6, 7], xác định thông số hình thành biên dạng cặp RT của Robinson và Lyon [8], cách xác định bán kính cong biên dạng răng của rôto đƣợc đƣa ra trong nghiên cứu của Beard và các cộng sự [9], phƣơng pháp thiết lập phƣơng trình biên dạng RT [10, 11]. Ngoài ra, còn có một số các nghiên cứu khác nhƣ: ứng dụng cặp bánh răng xyclôít trong thiết kế động cơ thủy lực của Maiti và Sinha [12, 13] và đặc tính mô men xoắn trên các trục dẫn động [14], hiệu suất bơm bánh răng xyclôít [15]. Đặc biệt, ở những năm đầu của thể kỷ 21 với sự phát triển của ngành công nghiệp ôtô 5 trên thế giới với các mẫu xe hiện đại đƣợc thiết kế với xu hƣớng tiết kiệm nhiên liệu nên đòi hỏi các bơm TLTT (bơm dầu) trong hệ thống bôi trơn làm mát phải có kết cấu đơn giản, kích thƣớc nhỏ, lƣu lƣợng lớn, làm việc ổn định, hiệu suất cao và tuổi thọ cao.
Để giải quyết những vấn trên một số nhà khoa học đề xuất giải pháp cải tiến biên dạng cặp RT nhƣ: Mimmi và Pennacchi [16], Fabiani [17] và Manco [18] đề xuất phƣơng pháp mô hình hóa biên dạng cặp rôto của bơm Gerôto dựa trên các chỉ tiêu yêu cầu của nhà sản xuất bơm phát triển theo hƣớng cải tiến biên dạng cặp RT. Ngoài vấn đề về biên dạng cặp RT thì vấn đề ăn khớp (đường ăn khớp) của cặp RT với biên dạng xyclôít cũng đƣợc rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm với các hƣớng nghiên cứu nhƣ: nghiên cứu đặc điểm ăn khớp của cặp rôto biên dạng xyclôít của bơm Gerôto[19] của Vecchiato; phân tích ảnh hƣởng của các tham số hình thành biên dạng cặp rôto đến đƣờng ăn khớp [20] của Demenego. Nhƣ vậy, có thể thấy bắt đầu từ đề xuất của Hill năm 1920 cho đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít đƣợc thực hiện bởi các nhà khoa học, kỹ thuật trong và ngoài nƣớc. Để rõ hơn các vấn đề nghiên cứu trong những năm gần đây về bơm TLTT bánh răng ăn khớp trong biên dạng xyclôít tác giả luận án tổng hợp các nghiên cứu đƣợc công bố từ năm 2000 cho đến nay (xem bảng 1.