CHƯƠNG 1. Giới thiệu Hiện nay, bánh răng làm từ vật liệu nhựa đang dần thay thế bánh răng kim loại trong nhiều lĩnh vực. Năm 2015, tổ chức AGMA đã phát hành một văn bản [1] để tổng quan về vật liệu của bánh răng nhựa. [2] cho thấy ưu thế của bánh răng nhựa so với bánh răng kim loại có thể kể đến như là có tính cạnh tranh về giá thành vật liệu, khả năng chế tạo dễ dàng hơn, khối lượng riêng nhẹ hơn, có thể kháng được nhiều loại hóa chất, có thể khử tiếng ồn do đặc tính giảm chấn, dung sai không quá ràng buộc, có thể tự bôi trơn do đặc tính đàn hồi chảy.
Vì vậy tiềm năng của bánh răng nhựa là rất lớn. Trừ trường hợp truyền động công suất rất lớn thì hiện nay các ứng dụng còn lại của bánh răng kim loại đang dần đang dần bị bánh răng nhựa thay thế. Những cơ cấu lớn trong công nghiệp cũng có mặt của bánh răng nhựa (Hình 1. Năm 2016, xuất hiện tiêu chuẩn thiết kế bánh răng nhựa của Đức [3] đã đề xuất các loại vật liệu đã rõ đầy đủ cơ tính và phù hợp để chế tạo bánh răng, có nêu rõ các dạng hỏng và nguyên nhân.
Các tiêu chuẩn này khá phù hợp cho các trường hợp thiết kế bánh răng tổng quát chung, tuy nhiên theo [4], để lựa chọn vật liệu thích hợp nhất cho bánh răng, trước tiên cần phải xác định tất cả dữ liệu về vật liệu vì dữ liệu thử nghiệm thường không phù hợp với các điều kiện sản xuất thực tế. Thông tin được công bố nên được xem xét cẩn thận (vì có thể nó sai) và phải chạy các thí nghiệm trước khi đưa ra quyết định cuối cùng. Vật liệu nhựa vẫn được các doanh nghiệp và các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển thêm, vì vậy khi thiết kế cần lưu ý số liệu của vật liệu đang dùng, phải sử dụng thông số của nhà sản xuất để tránh xảy ra sai xót. Theo dự đoán của website [5], những dữ liệu thu thập được từ năm 2015 đến 2019 có thể cho thấy tình hình phát triển của bánh răng nhựa là sẽ tăng theo lãi kép 1.1% từ năm 2020 đến năm 2025 và sẽ đạt mốc 3379.5 triệu USD vào năm 2025, tính từ mốc 2019 là 3228.
1 Tổng quan Nguyễn Thanh Khôi Hình 1. Bánh răng nhựa trong cơ cấu sấy của máy làm giấy (ảnh: Euroshore) Tuy nhiên, vì nhiều lý do nên cơ tính của vật liệu nhựa, đặc biệt là nhựa kỹ thuật, vẫn còn chưa hoàn thiện được cơ sở dữ liệu để có thể thiết kế dễ dàng như kim loại. Theo [2], [3], [6] vật liệu nhựa khó gia công chính xác do có đặc tính hút ẩm; cơ tính không ổn định do phụ thuộc nhiều vào đặc tính của tải, nhiệt độ và đặc tính vật liệu; có nhiều dạng hư hỏng mới và dễ xảy ra hơn kim loại; việc áp dụng nhựa vào sản xuất bánh răng là còn khá mới nên chưa có kho dữ liệu đồ sộ như kim loại; giá thành của vật liệu cũng bị biến động theo giá dầu thô. Hơn nữa, để tạo được lợi thế hơn về cơ tính, bắt buộc phải hy sinh giá thành sản phẩm.
Những phụ gia thêm vào vật liệu nhựa có thể thỏa mãn đa mục tiêu, đạt độ tin cậy tốt đều là những yếu tố làm giá thành sản phẩm tăng mạnh mặc dù chưa kể đến những tác động bên ngoài như giá dầu thô nói trên. Vì vậy ta cần tiếp tục cải thiện giá thành để tạo thêm lợi thế cạnh tranh cho bánh răng nhựa. Những nghiên cứu gần đây liên quan đến tối ưu hiệu suất, còn việc giảm giá thành thông qua việc tiết kiệm nguyên liệu là rất ít, trong khi giá cả lại là một trong những yếu tố cạnh tranh cốt lõi trong thị trường. Theo [3] thì bánh răng nhựa có các dạng hỏng chính như: chảy, nứt thân răng, nứt chân răng, mỏi răng, biến dạng răng, rổ bề mặt, tách lớp, mài mòn.
Các hư hỏng này chỉ xảy ra trên phần răng của bánh răng, còn phần vật liệu từ may ơ đến chân răng còn thừa rất nhiều (Hình 1.2), cần có phương pháp cắt giảm vật liệu thừa đồng 2 Tổng quan Nguyễn Thanh Khôi thời giúp giảm bớt khối lượng bánh răng. Các phương pháp cắt giảm vật liệu truyền thống như khoét lỗ, làm mỏng mayer, … chủ yếu dựa trên kinh nghiệm, các phương pháp khoa học hơn là cần thiết để đạt được sự tinh giảm tối ưu. Các khu vực của bánh răng a) May ơ bánh răng, b) Thân bánh răng, c) Vành răng Phương pháp topology giúp phân tích và cải thiện được lượng vật liệu cần dùng mà vẫn đảm bảo bánh răng hoạt động tốt. Tuy nhiên, việc tối ưu bằng topology phức tạp và vẫn chưa được nhiều tác giả nghiên cứu áp dụng thực tiễn vào bánh răng.
Việc áp dụng topology vào bánh răng polymer rất ít. Chính vì vậy, đề tài này đặt ra hướng nghiên cứu để tối ưu kiểu dạng của bánh răng nhựa để tiết kiệm giá thành nhưng vẫn đảm bảo cơ tính làm gia tăng tính cạnh tranh của bánh răng nhựa so với kim loại. Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Các nghiên cứu về việc cải thiện biên dạng bánh răng thì lại còn hạn chế, đa số dùng ngay kiểu dáng bánh răng mà các phần mềm CAD cung cấp, kiểu dáng khá thô, hao vật liệu và khối lượng rất lớn.
Các phần mềm kỹ thuật như SolidWorks, Autodesk Inventor, Altair OptiStruct, … đã tích hợp các thuật toán tối ưu kiểu dáng theo topology nhằm cắt giảm lượng vật liệu thừa tối đa. Tuy nhiên các phần mềm này sử dụng các phương pháp topology truyền thống như phương pháp Homogenization, 3 Tổng quan Nguyễn Thanh Khôi Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP), và Evolutionary Structural Optimization (ESO) chiếm khối lượng tính toán rất lớn, thời gian tính toán lâu và khó chỉnh sửa theo nhu cầu khi ra kết quả, vẫn phải sử dụng kinh nghiệm để tạo hình lại cho chi tiết ví dụ như trong [7]. Theo [8], các phương pháp tối ưu theo topology của các phần mềm thương mại chỉ tối thiểu hóa sự biến dạng mềm (compliance, tính bằng nghịch đảo của stiffness) của thiết kế trong khi ràng buộc phần khối lượng tổng thể thành một giá trị mục tiêu. Theo [9] các cấu trúc tối ưu mới được tạo ra sẽ có các nhánh vật liệu nhô ra (overhang structures), cần phải in thêm phần support để đỡ mới có thể gia công được.
Phần support đó khó loại bỏ, có ảnh hưởng xấu tới bề mặt chi tiết; gây tốn vật liệu, thời gian và chi phí khi gia công và loại bỏ. Bên cạnh đó, kết quả tối ưu này cần phải chuyển đổi sang mô hình CAD được làm mịn trước khi chế tạo. Trong khi đó, cấu trúc Lattice và Michell Truss lại đang được đánh giá rất cao trong việc tối ưu kết cấu do khả năng tinh giảm khối lượng dễ dàng hơn vì có thể điều khiển bằng các hàm và biến. Theo [10], Lattice structure hay còn gọi là cellular structure là các cấu trúc có sẵn trong tự nhiên như gỗ, tổ ong, xương ống (trabecular bone), foam hay trong cánh bướm Hình 1.3 [11] giúp tối ưu tổn thất năng lượng.
Thiên nhiên đã thiết kế các cấu trúc này để đạt được các giải pháp năng lượng tối ưu trên cơ sở lâu dài cực kỳ phù hợp về kiểu dáng (morphology), thích nghi tốt với môi trường xung quanh, nhẹ, tối ưu về cấu trúc và chức năng [12]. [13] đã áp dụng cấu trúc Lattice như Spiral, Honeycomb và Gyroid vào trong lĩnh vực cơ khí với mục đích cắt giảm khối lượng bánh răng Ti6Al4V ở vị trí từ trục truyền đến chân răng, kết quả là cấu trúc Gyroid có thể chịu tải tốt hơn 21% so với bánh răng đặc [standard gear (DIN 867)] dù đã giảm 33% thể tích. Tuy nhiên [13] chỉ khai triển bánh răng trên hệ tọa độ Đề các do đó phân bố lực không đều trên toàn bộ bánh răng vì cấu trúc chịu tác dụng của lực xiên , trong nghiên cứu của [14] thì khả năng chịu lực dọc và lực xiên là khác nhau. Hơn nữa các tác giả chỉ nghiên cứu trên bánh răng kim loại chứ chưa có nghiên cứu nào thực hiện trên bánh răng nhựa, và luận văn này sẽ lấp đầy khoảng trống đó.
4 Tổng quan Nguyễn Thanh Khôi Hình 1. Ảnh chụp cấu trúc bên trong cánh bướm [11] Michell Truss (Hình 1.4), với đặc trưng là có thể giúp cấu trúc trọng lượng tối thiểu và độ cứng tối đa, có mặt trong một số cấu trúc tự nhiên như nhụy hoa hướng dương (Hình 1.5), đã có ảnh hưởng đáng kể đến các kiến trúc đương đại như Rib Vault (Hình 1.6), các khái niệm thiết kế kết cấu trong công trình dân dụng hiện đại (Hình 1. [15] đã áp dụng cấu trúc này vào bánh răng nhựa bằng phương pháp Michell Truss Design (MTD) rất đơn giản và thu được kết quả khả quan, tuy nhiên tác giả chưa làm rõ mối tương quan và tầm ảnh hưởng của các thông số thiết kế đối với bánh răng. [16] đã nghiên cứu các trường hợp làm tăng hoặc giảm cơ tính của cấu trúc Michell dạng dầm chịu uốn, tuy nhiên vẫn chưa đầy đủ các thông số thiết kế cần sử dụng trong thiết kế bánh răng.
Mô hình Michell Truss (ảnh của Hình 1. Nhụy hoa hướng dương (ảnh Arek Mazurek phục chế từ [17], Wikipedia) từ Encyclopædia Britannica) 5 Tổng quan Nguyễn Thanh Khôi Hình 1. Gian giữa của nhà thờ Durham Hình 1. Trung tâm CITIC ở Thâm (chụp bởi Oliver-Bonjoch, Wikipedia) Quyến, Trung Quốc (ảnh từ © SOM) Các cấu trúc trên vẫn chưa đạt đến tối ưu, và cũng không có mối tương quan giữa các thông số thiết kế để có được một quy trình tinh giảm khối lượng hoàn thiện.
Luận văn này được thực hiện với mục đích nghiên cứu quy trình thiết kế tinh gọn khối lượng bánh răng nhựa một cách khoa học mà vẫn đảm bảo cơ tính bánh răng. Tình hình nghiên cứu trong nước PGS. Nguyễn Hữu Lộc đã có nghiên cứu về tối ưu kiểu dáng của các chi tiết cơ khí [18], tuy nhiên việc đảm bảo độ bền hay độ cứng vẫn chưa được chứng minh. Còn hiện nước ta chưa có nghiên cứu nào liên quan tới topology theo các phương pháp mới hay áp dụng cho bánh răng nhựa nên đề tài này có thể giúp các doanh nghiệp trong nước có cái nhìn mới trong công cuộc thiết kế bánh răng.
