Chương 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Trên thực tế, các bộ truyền động ăn khớp và bộ truyền động ma sát được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật. Mục đích của các bộ truyền này là truyền công suất hoặc thay đổi tốc độ từ nguồn (động cơ điện, động cơ diezen…) đến cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, tỉ số truyền của các bộ truyền này là cố định điều này dẫn đến tốc độ của cơ cấu chấp hành không thay đổi.
Để thay đổi tốc độ của cơ cấu chấp hành người ta thường dùng các phương pháp sau: Sử dụng hộp tốc độ trong đó có nhiều cặp bánh răng có thể ăn khớp với nhau để tạo ra nhiều tỉ số truyền (Hình 1. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ thay đổi tốc độ trong phạm vi nhỏ và không liên tục. Thay đổi tốc độ động cơ thông qua biến tần (Hình 1. Sử dụng động cơ bước hoặc động cơ servo (Hình 1.
Tuy nhiên, sử dụng biến tần hoặc dùng động cơ servo thì rất khó để ứng dụng trong lĩnh vực truyền động có yêu cầu công suất lớn hoặc trong lĩnh vực truyền động ô tô, tàu thủy… Hình 1.1: Thay đổi tốc độ bằng cơ cấu bánh răng di trượt. 1 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Hình 1.2 Thay đổi tốc độ bằng biến tần.3: Thay đổi tốc độ bằng động cơ servo. Bên cạnh đó, truyền động vô cấp CVT (Continuously variable transmission) được biết đến là truyền động có tỷ số thay đổi liên tục hay không có cấp số cố định (stepless). Truyền động vô cấp được Leonardo da Vinci đặt ý tưởng từ hơn 500 năm trước.
Không giống như những bộ truyền truyền thống, CVT không có các cặp bánh răng tạo tỷ số truyền. CVT thông thường hoạt động trên một hệ thống puli (ròng rọc) và dây đai (Hình 1.4) cho phép thay đổi vô cấp và liên tục giữa giới hạn thấp nhất và cao nhất. Một dạng khác của CVT được trình bày trong Hình 1.5, một đĩa nối với động cơ tương tự như puli chủ động trong khi một đĩa khác nối với trục truyền tương đương như puli bị động. Các con lăn được đặt vào vị trí giữa các đĩa có vai trò như dây đai, truyền công suất từ đĩa này sang đĩa khác.
Ưu điểm của bộ truyền động vô 2 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH cấp: hạn chế được giật khi thay đổi tốc độ, giảm được khí thải nâng cao hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu.4: Truyền động đai vô cấp.5: Truyền động vô cấp dạng đĩa và con lăn. Hiện nay, các bộ truyền động vô cấp cơ đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: ô tô, nhà máy cán thép, tuabin gió… Lemmens và các công sự [1] đã thiết kế bộ truyền động đai vô cấp (Hình 1.6) và được cấp bằng sang chế tại Mỹ. 3 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Hình 1.6: Thiết kế bởi Lemmens [1]. Hoặc một sáng chế khác (Hình 1.7) được thiết kế bởi Eduardus Gerardus Maria Holweg [2].7: Sáng chế bởi [2].
4 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Ngoài ra, bộ truyền động vô cấp kết hợp với bộ truyền động bánh răng hành tinh (Hình 1.8) đã được nghiên cứu và thiết bởi V H Mucino và các cộng sự [3]. Mục đích của thiết kế này là tăng hiệu suất của bộ truyền.8 Thiết kế bởi V H Mucino[3]. Truyền động vô cấp được thiết kế bởi Schawab và các cộng sự [4] .9: Thiết kế bởi Schwab [4]. 5 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Một loại truyền vô cấp của công ty Nissan.10: Hộp số của công ty Nissan [5].
Vishnu Seelan [6] đã nghiên cứu thiết kế và ứng dụng bộ truyền động đai vô cấp cho ô tô với hiệu suất tiêu thụ năng lượng cao, chi phí chế tạo thấp (Hình 1.11: Nghiên cứu và thiết kế bởi Vishnu Seelan [6]. Một mô hình truyền động vô cấp mới khác (Hình 1.12) đã được thiết kế và phân tích bởi Chen và các cộng sự [7]. Dựa trên kết quả phân tích tỉ số truyền được xác định, ngoài ra ảnh hưởng của hệ số trượt đàn hồi và hệ số ma sát lên tỉ số truyền cũng được phân tích trong nghiên cứu này. Phân tích mô hình tổn thất năng lượng của bộ truyền động đai vô cấp cũng đã được nghiên cứu bởi các tác giả trong [8-9].
Từ nghiên cứu này tác giả đã đề xuất mô 6 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH hình lực kẹp mong muốn. Ngoài ra, thực nghiệm cũng đã được thực hiện để kiểm tra sự hợp lý của mô hình tổn thất năng lượng trong bộ truyền động đai vô cấp. Nghiên cứu động học và điều khiển cho một bộ truyền động xích vô cấp (Hình 1.13) cũng đã được thực hiện bởi Nilabh và các cộng sự [10].12: Mô hình truyền vô cấp được nghiên cứu bởi [7].13: Truyền động xích vô cấp [10]. Hiện nay, kết hợp giữa truyền động cơ và truyền động thủy lực đã được nghiên cứu và phát triển mạnh.
Liu và các cộng sự [11] đã thiết kế mới một bộ truyền động vô cấp cơ điện thủy lực (Hình 1. Mục tiêu của thiết kế này là giảm sự tiêu thụ và tổn thất năng lượng do ma sát thông qua việc điều khiển lực kẹp nhờ hệ thống thủy lực. 7 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Hình 1.14: Bộ truyền vô cấp [11]. Một mạch thủy lực mới (hình 1.15) để giảm sự tiêu hao năng lượng của bơm trong hệ thống truyền động vô cấp đã được thiết kế và thực nghiệm bởi D.Qu và các cộng sự [12].
Trong nghiên cứu này, tổn thất năng lượng được giảm và hiệu suất truyền động được gia tăng. Xia và cộng sự [13] đã thiết kế mới một hệ thống truyền động vô cấp cơ thủy tĩnh (Hình 1. Ưu điểm của truyền động mới này là có hiệu suất cao hơn truyền động thủy lực thuần túy, tỉ số truyền có thể bằng không, động cơ luôn luôn làm việc trong vùng cho phép. Bên cạnh đó, ứng dụng truyền động vô cấp vào trong hệ thống tua bin gió cũng đã được nghiên cứu bởi A.
Trong mô hình này bộ truyền động vô cấp được sử dụng để điều khiển tốc độ của tua bin gió theo tốc độ mong muốn. Kết quả là hiệu suất biến đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ là cao nhất. 8 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Hình 1.15: Bộ truyền vô cấp cơ – thủy lực [12].16: Bộ truyền vô cấp cơ – thủy lực [13]. Trong nước, nghiên cứu thiết kế và chế tạo những loại truyền động vô cấp chưa được phát triển mạnh.
Hiện nay, chủ yếu là các đề tài nghiên cứu của sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh. Nguyễn Công Thuật [15] đã nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh. Tính cấp thiết của đề tài Như đã biết, hiện nay ngành sản xuất công nghiệp đang phát triển mạnh trên thế giới và trong nước. Điều này đòi hỏi công nghệ phải luôn được cải tiến liên tục nhằm giảm chi phí tiêu thụ năng lượng cũng như tăng hiệu suất làm việc của máy và thiết bị.
9 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Vì vậy, hiện nay các bộ truyền động vô cấp bao gồm: cơ khí, điện, thủy lực, khí nén… được kết hợp với nhau để tạo thành một hệ thống truyền động hợp lý tức là đảm bảo được điều kiện làm việc và giảm tiêu hao năng lượng. Để đảm bảo khả năng cạnh tranh với các sản phẩm ngoại nhập cũng như làm chủ công nghệ, các bộ truyền động vô cấp tích hợp cần phải nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi ở trong nước. Vì vậy, đề tài này sẽ “Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Truyền Động Vô Cấp Cơ Thủy Tĩnh” (sơ đồ khối Hình 1. Trong mô hình này, bộ truyền động thủy tĩnh điều chỉnh tỷ số truyền và lực kẹp của bộ truyền động cơ.
Encoder và cảm biến mômen phản hồi tốc độ thực và mômen tại trục ra của bộ truyền động cơ khí về máy tính thông qua bộ biến đổi A/D. Bộ điều khiển thông qua máy tính xuất ra tín hiệu điều khiển tới hệ thống thủy lực để đảm bảo tỷ số truyền mong muốn.17: Sơ đồ khối của hệ thống thống truyền động vô cấp cơ thủy tĩnh. Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế bộ truyền cơ khí với bộ truyền động thủy tĩnh. Chế tạo mô hình và thực nghiệm 1.
Phạm vi nghiên cứu: Công suất của mô hình 2. 10 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Tỉ số truyền 0. Tần số thay đổi tốc độ: 0,5Hz. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Thu thập thông tin, kế thừa và phân tích.
Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Đề tài này sử dụng các kiến thức về truyền động cơ khí, truyền động thủy tĩnh và kỹ thuật điều khiển hiện đại. Đề tài này làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo những bộ truyền động vô cấp ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật như ô tô, tàu thủy, nhà máy sản xuất thép. Ứng dụng trong những nhà máy có nhu cầu thay đổi tốc độ vô cấp bên cạnh truyền động vô cấp cơ khí và thủy lực 1. Kết quả đạt được của đề tài Thuyết minh đề tài.
Một mô hình hệ thống truyền động vô cấp cơ thủy tĩnh. Một bài báo Scopus. Một bài báo tạp chí của Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM Một hội nghị quốc tế ở Đà Nẵng. Đề tài đại học đã bảo vệ.
11 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Chương 2: MÔ HÌNH TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP CƠ THỦY TĨNH 2. Nguyên lý hoạt động Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền động vô cấp cơ thủy tĩnh được trình bày trong Hình 2.2 trình bày kết cấu 3D của hệ thống truyền động vô cấp cơ thủy tĩnh. Hệ thống gồm có bộ truyền động đai vô cấp và bộ truyền động thủy tĩnh. Công suất được truyền thông qua bộ truyền động đai, trong khi đó bộ truyền động thủy tĩnh được thiết kế để thay đổi tốc độ của bộ truyền động đai bằng cách điều chỉnh đường kính bánh đai.
Encoder và cảm biến lực sẽ phản hồi tốc độ thực và mômen tại trục ra của bộ truyền động cơ khí về máy tính thông qua bộ biến đổi A/D. Bộ điều khiển thông qua máy tính sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển tới hệ thống thủy lực để đảm bảo tỷ số truyền mong muốn.1: Sơ đồ khối của hệ thống thống truyền động vô cấp cơ thủy tĩnh. 12 Báo cáo khoa học kết quả đề tài IUH Hình 2.