Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bánh đà có mô men quán tính thay đổi báo cáo tổng kết kết quả đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường msđt t ck 2011 11

Một bánh đà có khả năng thay đổi mô men quán tính trong quá trình làm việc, sẽ có nhiều ưu thế trong tiến trình nghiên cứu thiết kế và chế tạo các kết cấu máy tiết kiệm năng lượng.. Hình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

********

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BÁNH ĐÀ CÓ

MÔ-MEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

MSĐT: T-CK-2011-11

Thời gian thực hiện: 3/2011-10/2012

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Thạnh

Cán bộ tham gia đề tài:

- Trần Văn Thùy

- Phạm Minh Tuấn

- Phạm Huy Hoàng

Tp, Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012

Danh sách cán bộ tham gia thực hiện đề tài

1 GV.ThS Nguyễn Văn Thạnh - BM Thiết kế máy, khoa Cơ Khí

2 Ths Trần Văn Thùy - - Khoa Kỹ thuật công nghệ, ĐH Phạm Văn Đồng

3 KS Phạm Minh Tuấn - BM Thiết kế máy, khoa Cơ Khí

4 PGS.TS Phạm Huy Hoàng - BM Thiết kế máy, khoa Cơ Khí

MỤC LỤC

Trang

Mục lục - 0

Lời nói đầu - 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XUNG QUANH ĐỀ TÀI 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới - 2

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước - 4

1.3 Tính cấp thiết của đề tài - 5

1.4 Nội dung đăng ký - 5

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÁNH ĐÀ 2.1 Chức năng của bánh đà - 9

2.2 Cấu tạo cơ bản của bánh đà - 10

2.3 Động lực học bánh đà - 10

2.3.1 Hệ số không đều - 10

2.3.2 Mô men quán tính của bánh đà - 11

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BÁNH ĐÀ CÓ MÔ MEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI 3.1.Các phương án thiết kế bánh đà có mô men quán tính thay đổi - 13

3.1.1.Phương án 1 - 13

3.1.2 Phương án 2 - 15

3.1.3 Phương án 3 - 16

3.1.4 Phương án 4 - 18

3.1.5 Phương án 5 - 20

3.1.6 Phương án 6 - 21

3.1.7 Phương án 7 - 22

3.1.8 Phương án 8 - 23

3.2 Chọn phương án thiết kế bánh đà có mô men quán tính thay đổi - 24

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÁNH ĐÀ CÓ MÔ MEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI 4.1 Đặt bài toán thiết kế - 25

4.2.Yêu cầu thiết kế bánh đà cơ sở - 25

4.3 Tính toán thiết kế bánh đà có mô men quán tính thay đổi - 26

4.3.1 Tính đường kính vành bánh đà - 26

4.3.2 Tính khối lượng vành bánh đà - 28

4.3.3 Tính tiết diện vành bánh đà - 28

4.3.4 Tính đường kính và chiều dài may ơ bánh đà - 29

4.3.5 Tính kích thước nan hoa cho bánh đà - 29

4.3.6 Tính và chọn then cho mối ghép trục và bánh đà - 31

4.3.6 Kiểm tra bền bánh đà - 31

4.4 Bản vẽ thiết kế bánh đà cơ sở - 33

4.5 Tính toán thiết kế bánh đà có mô men quán tính thay đổi - 33

4.5.1.Phân tích kết cấu - 33

4.5.2.Tính toán lò xo xoắn ốc xoắn - 35

4.5.3 Kết cấu lắp bánh đà - 38

4.5.4 Thiết kế các chi tiết phụ - 39

4.5.5 Kết cấu chi tiết bánh đà - 39

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG BÁNH ĐÀ CÓ MÔ MEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI 5.1 Bản vẽ lắp bánh đà có mô men quán tính thay đổi - 40

5.2 Mô hình hóa 3D kết cấu bánh đà có mô men quán tính thay đổi - 41

5.3.Mô phỏng bánh đà có mô men quán tính thay đổi - 42

Kết luận đề tài - 44

PHỤ LỤC 1.Bản vẽ các chi tiết và bản vẽ lắp bánh đà có mô men quán tính thay đổi 46

Tài liệu tham khảo - 51

LỜI NÓI ĐẦU

Theo định luật bảo toàn mô men động lượng, đối với một hệ quay quanh một trục với vận tốc góc ω, nếu tổ hợp các mô men ngoại lực tác dụng lên hệ bằng không thì mô men động lượng của hệ là một đại lượng bảo toàn Do đó, nếu có một sự thay đổi nào đó trong kết cấu của

hệ quay, làm mô men quán tính I của hệ tăng thì vận tốc góc ω của hệ giảm, khi đó hệ quay chậm lại Ngược lại nếu I giảm thì ω tăng, hệ quay nhanh lên

Ứng dụng định luật bảo toàn mô men động lượng vào việc thiết kế kết cấu của bánh đà, sao cho có thể tăng hay giảm được đại lượng mô men quán tính Với mục tiêu nghiên cứu thiết

kế các phương án kết cấu của bánh đà, từ đó cho phép làm giảm mô men khởi động trong giai đoạn khởi tốc; hoặc kết hợp với các phương pháp điều khiển tự động, cho phép tùy chỉnh năng lượng dự trữ trong bánh đà Tất cả các giải pháp ấy nhằm làm đều chuyển động máy và tiết kiệm năng lượng

Một bánh đà có khả năng thay đổi mô men quán tính trong quá trình làm việc, sẽ có nhiều

ưu thế trong tiến trình nghiên cứu thiết kế và chế tạo các kết cấu máy tiết kiệm năng lượng Và vấn đề này, đã đang và sẽ còn cần phải được quan tâm Đây cũng chính là mục tiêu nghiên cứu trong đề tài này

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XUNG QUANH ĐỀ TÀI

1.1 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

Hình 1.1 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

Hình 1.2 Patent 3968593

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

Hình 1.3 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

Hình 1.4 : Phân bố lại khối lượng bánh đà dùng cơ cấu bánh răng và vít me-đai ốc

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

a/ b/

Hình 1.5 : 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

Hình 1.6 : Thay đổi mô men quán tính bằng cách thay đổi khối lượng bánh đà

1.2 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

1.3 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

1.4 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

1.5 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

Hình 2.1: 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 2.2

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

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

Hình 2.3: 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 2.3

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 + Khi trục khuỷu di chuyển từ p – q thì công sinh ra do động cơ được xác định bằng diện tích hình phẳng (pBbCq); trong khi đó, năng lượng cần thiết phải có được biểu diễn bằng hình chữ nhật (pBCq)

Do vậy, khi di chuyển từ p đến q, năng lượng mà động cơ sinh ra lớn hơn năng lượng yêu cầu Phần năng lượng dư này sẽ được lưu trữ trong bánh đà và vì vậy tốc độ của bánh đà sẽ tăng

+ Tương tự, khi trục khuỷu di chuyển từ q – r thì công sinh ra do động cơ nhỏ hơn năng lượng yêu cầu Để cung cấp phần thiếu hụt này, bánh đà sẽ giải phóng năng lượng, dẫn tới tốc độ quay

giảm Từ r-s, tốc độ bánh đà sẽ tăng do được bổ sung phần năng lượng (DdE) Từ s-e năng

lượng tích lũy trong bánh đà giảm do đó tốc độ giảm

Sự thay đổi năng lượng xung quanh đường momen xoắn cản trung bình gọi là sự biến thiên năng lượng Và các vùng diện tích giới hạn bởi (BbC), (CcD), (DdE) biểu diễn cho sự biến thiên này

Cùng với sự biến thiên năng lượng, vận tốc động cơ cũng thay đổi theo Động cơ có tốc

độ quay lớn nhất tại q hoặc s do bánh đà hấp thụ được toàn bộ năng lượng dư thừa trong khi di chuyển từ p-q và từ r-s; tương tự, tốc độ quay thấp nhất tại p hoặc r

Theo kết quả thực nghiệm kiểm chứng, trong động cơ 4 thì , một xy lanh, khoảng 40% năng lượng trong một chu kỳ được trữ lại Tuy nhiên, không phải tất cả năng lượng được truyền vào bánh đà Trong khoảng nửa thời gian của thì nổ, năng lượng được giải phóng do quá trình đốt cháy nhiên liệu sẽ gia tốc cho các chi tiết chuyển động trong máy và tiêu hao; bên cạnh đó, các chi tiết quay ngoài bánh đà cũng có khả năng tích trữ năng lượng như bánh đà, do đó làm giảm phần năng lượng tích trữ lại trong bánh đà trong một chu kỳ máy

Nếu số lượng xy lanh tăng thêm, thì khả năng tích trữ của bánh đà trên một piston càng nhỏ lại, vì công có ích sinh ra trong chu kỳ làm việc lớn hơn, ngoài ra, mô men quán tính của

các chi tiết quay trong động cơ cũng lớn hơn Ví dụ, trong động cơ 6 xi lanh, phần năng lượng cần tích trữ trong bánh đà và sau đó giải phóng để duy trì chuyển động quay của trục khuỷu chỉ chiếm khoảng 20% năng lượng được tạo ra trong một chu kỳ

Hình 2.5:Động cơ càng nhiều xy lanh cho phép bánh đà nhỏ lại

Ngoài chức năng tích trữ năng lượng, bánh đà còn có chức năng điều tốc Việc điều tốc thực hiện xung quanh giá trị tốc độ trung bình của máy khi tải trọng thay đổi Khi tải tăng, bánh

đà sẽ bổ sung thêm năng lượng, khi tải giảm, năng lượng bánh đà cung cấp cũng giảm theo Và, chức năng điều tốc là hoàn toàn tự động, nó điều khiển việc cung cấp thêm năng lượng cho máy khi làm việc với các tải trọng khác nhau và giữ tốc độ trung bình của máy ổn định

Trong những động cơ có tỷ số nén cao, số xylanh ít và khởi động động cơ bằng phương pháp quán tính, bánh đà tích trữ năng lượng để khởi động động cơ

Trong một số loại động cơ cỡ nhỏ làm mát bằng gió, các cánh quạt gió được đúc liền ngay trên mặt bánh đà, lúc này bánh đà còn có tác dụng như một quạt gió

2.2 Cấu tạo cơ bản của bánh đà

Kích thước cơ bản của bánh đà là đường kính ngoài của nó Nếu đảm bảo cùng một momen bánh đà như nhau thì bánh đà có đường kính càng lớn sẽ càng nhẹ, càng tốn ít vật liệu

để chế tạo

Tuy vậy đường kính ngoài và cả khối lượng bánh đà đều bị hạn chế bởi điều kiện bố trí chung của máy, bởi giới hạn của vật liệu và cả tính kinh tế trong quá trình làm việc, nhất là đối với các loại động cơ dùng trên ôtô máy kéo Bởi vì, để tăng hiệu quả làm việc, thông thường các bánh đà đều được thiết kế để lắp trên trục có số vòng quay cao, chính vì vậy khi làm việc với vận tốc lớn, lực quán tính ly tâm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của máy Hơn nữa kích thước quá lớn sẽ khó khăn cho việc chế tạo và khó khăn khi khởi động hệ thống động lực

Nếu đường kính bánh đà nhỏ hơn 600mm, thông thường chế tạo bằng phương pháp đúc Vành và moayơ được liên kết với nhau bằng thân có dạng tấm mỏng Các lỗ trên thân bánh đà dùng để di chuyển bánh đà bằng tay Khi đường kính bánh đà lớn, có thể dùng nan hoa thay cho thân bánh đà Số nan hoa phụ thuộc vào kích thước và vận tốc làm việc Còn khi đường kính quá lớn (D>2,5m) , có thể chế tạo bánh đà thành 2 nửa rồi dùng bulông ghép lại với nhau

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của bánh đà

Dựa theo kết cấu, bánh đà được chia ra làm 3 loại:

đà này có sức bền và momen bánh đà lớn Ngoài ra, trong thân bánh đà loại này có không gian

để kết hợp bố trí ly hợp ma sát và cả vành răng của hệ thống khởi động điện

2.3 Động lực học bánh đà

2.3.1 Hệ số không đều

Trong giai đoạn máy chuyển động bình ổn, vận tốc thực của khâu dẫn dao động tuần hoàn quanh một giá trị trung bình nhất định Nói một cách khác khâu dẫn chuyển động không đều

Để đánh giá độ không đều của chuyển động, người ta dùng hệ số không đều Cs được định nghĩa như sau:

Hệ số không đều là tỷ số của giá trị biến thiên cực đại của vận tốc góc và vận tốc góc trung bình trong một chu kỳ làm việc bình ổn

2 1

2 1 2

1 s

2 1

2 1 2

1 s

vv

vv2v

vvC

ωω

ωω2ω

ωωC

nn

nn2n

nnC

+ n1 : giá trị lớn nhất của số vòng quay thực trong một chu kỳ bình ổn

+ n2 : giá trị nhỏ nhất của số vòng quay thực trong một chu kỳ bình ổn

+ n : giá trị trung bình của số vòng quay thực trong một chu kỳ bình ổn:

2.3.2 Mômen quán tính của bánh đà

Để xác định momen quán tính của bánh đà, cần phải có các số liệu sau:

+ Các thông số động học của máy

+ Các thông số động lực học của máy

+ Vận tốc góc trung bình ω của máy

+ Hệ số không đều cho phép [Cs]

- Ta biết, động năng E của chuyển động quay, được tính bằng:

1 2

2 2

2 1 2

1

C2E

∆E

CωIω

ωωIω

∆E

ωI2

1ωI2

×

=

Mặt khác, xem bánh đà như một vành đĩa tròn đồng chất, có bán kính ngoài là R, bán kính trong là r thì momen quán tính được tính bởi công thức sau:

V

m=ρ× = ρ ×π 2− 2 ×trong đó:

+ b : bề rộng bánh đà

+ ρ : khối lượng riêng của vật liệu bánh đà

Vậy, ta có công thức tính mô men quán tính bánh đà như sau:

(R r ) b g

I = × 4− 4 ×

2ρ π

Nhận xét: 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

CHƯƠNG 3

CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BÁNH ĐÀ CÓ MÔ MEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

Đối với bánh đà, để tăng hiệu quả làm việc, người ta thường bố trí trên trục có số vòng lớn, do đó trong việc thiết kế và chế tạo bánh đà thì yêu cầu đảm bảo độ chính xác về hình dạng

và vị trí tương quan là rất quan trọng

3.1 Các phương án thiết kế bánh đà có mô men quán tính thay đổi

3.1.1 Phương án 1:

Tách bánh đà thành các thành phần nhỏ hơn, đồng trục khi làm việc

Hình 3.1: Thay đổi khối lượng bánh đà bằng cách cộng dồn khối lượng

Mô tả kết cấu: Kết cấu bánh đà được chia thành các bánh đà nhỏ hơn đồng dạng, đồng trục và được lắp lồng không lên trục bánh đà Thời điểm bắt đầu phát động chuyển động, trục chính bánh đà trượt trơn trong bề mặt lỗ bánh đà Sau đó từng phần bánh đà được gắn lên trục bằng trục cam trong ruột trục chính

- Chế độ lắp của mối ghép hình trụ trong trường hợp này có thể dùng miền dung sai như H/f, vừa đảm bảo khả năng trượt trơn cần thiết, vừa đảm bảo khe hở hướng kính đủ nhỏ, cho phép độ đồng tâm giữa trục và lỗ cao

- Kết cấu dạng này cho phép khởi động hệ thống với mô men cản của bánh đà gần như bằng không, sau giai đoạn khởi tốc, tiến hành liên kết kết cấu từng phần bánh đà với trục chính 4 nhờ ma sát giữa các viên bi 2… 3, thông qua chuyển động quay cưỡng bước của các trục cam đồng trục 5 6 với mayơ của bánh đà con 1; quá trình này tiếp tục và có thể tuần tự cho đến hết khối lượng tổng cộng của bánh đà

Kết quả quá trình cộng dồn khối lượng cho bánh đà tránh quá tải cục bộ cho động cơ trong giai đoạn đầu của quá trình làm việc Từ đó, có khả năng lựa chọn động cơ linh hoạt hơn

- Hình 3.2 mô hình hóa kết cấu sơ bộ bánh đà theo phương án kết cấu này Tuy nhiên, nhận thấy rằng, kết cấu như phương án này phải tăng đường kính trục chính lắp bánh đà do trục rỗng, đồng thời kéo dài mayơ bánh đà theo phương dọc trục Điều đó làm ảnh hưởng không tốt đến kết cấu bố trí chung của máy công tác

Hình 3.2: Mô hình hóa bánh đà có khối lượng làm việc thay đổi

- Biến thể cơ cấu bánh đà dạng trên được mô tả trong hình 3.3 Cũng nhờ quan hệ truyền mô men là lực

ma sát, nhưng kết cấu này có dử dụng các bạc côn 3, có khả năng điều chỉnh đường kính làm việc nhờ các trục định vị 5 chuyển động tịnh tiến Kết cấu này được trình bày trong hình sau:

Hình 3.3: Phương án chọn khối lượng tăng thêm của bánh đà

3.1.2 Phương án 2:

Thiết kế bánh đà dạng vỏ, khối lượng tăng thêm cho bánh được bổ sung bằng bơm lưu lượng

Hình 3.4: Tăng hay giảm khối lượng cho bánh đà bằng bơm lưu lượng

Mô tả kết cấu: Kết cấu bánh đà 1, có dạng vỏ, được chế tạo bằng kết cấu hàn.Bên trong vành bánh đà được tạo hình cánh hướng nhằm định hướng dòng chuyển động của lưu chất bổ sung trong quá trình bơm lưu lượng làm việc Kết cấu như vậy, tăng tính khả thi cho phương án thiết kế, do cho phép phân phối lưu lượng nhỏ nhưng vẫn đảm bảo khả năng cân bằng cho bánh đà

- Kết cấu trục chính bánh đà 4 rỗng ruột phần đầu trục, trong đó là buồng dầu trung tâm, dầu được cấp vào và rút ra bằng các van một chiều 6 có đường ống là trục tâm, làm kín kỹ bằng đệm làm kín

- May ơ của Vỏ bánh đà 3 được lắp cố định với trục chính bằng mối ghép then bằng, miền dung sai lắp ghép giữa trục và lỗ có thể chọn như H/k, cho phép lắp với lực lắp nhỏ đồng thời đảm bảo độ đồng tâm giữa trục và lỗ tương đối cao

- Kết cấu dạng này cho phép khởi động hệ thống với mô men cản của bánh đà nhỏ do khối lượng vỏ bánh đà là nhỏ so với thể tích chiếm chỗ của nó Phần khối lượng tăng thêm tùy thuộc vào tỷ trọng của lưu lượng cấp vào, và tăng dần theo lưu lượng riêng của hệ thống bơm nên làm mềm đặc tính tải của hệ thống có bánh đà

- Hình 3.5 mô hình hóa kết cấu sơ bộ bánh đà theo phương án kết cấu này Tuy nhiên, khó khăn chủ yếu của dạng kết cấu này là tính bền vững của bánh đà, đồng thời tỷ trọng của lưu chất là khá nhỏ, nên mô men quán tính của bánh đà khi có toàn bộ khối lượng thiết kế không lớn nếu xét tương ứng với kích thước của bánh đà liền khối thông thường

Hình 3.5: Mô hình hóa bánh đà có khối lượng làm việc thay đổi

- Trở ngại thứ hai là cần phải có một hệ thống phân phối lưu lượng vào từng phần rỗng của vỏ hoạt động

ổn định với dung sai lưu lượng nhỏ

các bánh đà đơn vị còn lại lắp lồng không với trục chính Quá trình cộng khối lượng cho bánh đà khi làm việc được thực hiện cũng nhờ lực ma sát Trong trường hợp này là lực ma sát sinh ra trên mặt đầu của các vánh bánh đà với nhau

- Lực ma sát trên mặt đầu vành bánh đà 1 với phần bánh đà kế tiếp 2 lớn dần lên đến khả năng truyền hoàn toàn chuyển động quay từ phần bánh đà nhờ lực xiết V của đai ốc 3 theo phương dọc trục chính

- Để đàm bảo tính tuần tự và liên tục trong quá trình truyền khối lượng, các lò xo trụ chịu nén 6 trên vành bánh đà thứ nhất sẽ có độ cứng nhỏ hơn các lò xo được bố trí trên vành bánh đà kế tiếp với nó và tương tự như thế theo chiều trục về gần đai ốc xiết

- Hình 3.7 mô hình hóa kết cấu sơ bộ bánh đà theo phương án kết cấu này Tuy nhiên, nhược điểm của dạng kết cấu này là độ bền thấp của các mặt ma sát trên vành bánh đà Đồng thời, trong quá trình là việc

có tiến ồn và nhiệt sinh ra giữa bề mặt các phần bánh đà đơn vị do trượt trơn khi lực xiết của đai ốc chưa thắng được lực lò xo tương ứng

Hình 3.7: Mô hình bánh đà kết hợp ly hợp ma sát nhiều đĩa 1

- Biến thể của kết cấu như trên được mô tả trong hình 3.8

Hình 3.8: Mô hình bánh đà kết hợp ly hợp ma sát nhiều đĩa 2

- Ngoài ra, cũng có thể dùng lực hút của nam châm điện để liên kết các phần khối lượng làm việc của bánh đà như hình 3.9 như sau:

Hình 3.9

- Trở ngại của phương án thiết kế như hình 3.9 là tính an toàn điện, và độ bền của hệ thống cổ góp đưa điện vào các nam châm điện 2

3.1.4 Phương án 4:

Thiết kế bánh đà đơn vị, đồng trục, lắp lồng không với trục chính

Hình 3.10: Tăng khối lượng làm việc cho bánh đà bằng ren

Mô tả kết cấu: Trục chính của bánh đà có dạng trục bậc, với mỗi bánh đà đơn vị cần có một đoạn trục trơn và một đoạn trục ren Đoạn trục ren có thông số hình học ren như ren lỗ trên bánh đà và có hướng ren thích hợp so với chiều quay của trục chính; đoạn trục trơn có đường kính bằng với đường kính vòng trong của ren lỗ trên bánh đà, chiều dài mayơ lớn hơn chiều dài may ơ của bánh đà thành phần

- Mỗi bánh đà đơn vị được dẫn động dọc trục bằng cơ cấu sin điều khiển từ bên ngoài Nhiệm vụ của con trượt 4 trên cơ cấu dẫn động phụ này là đưa bánh đà từ phần trục trơn (lắp bánh đà lộng không) trong giai đoạn khởi tốc tiến dần vào ăn khớp bằng ren với phần trục ren có đường kính danh nghĩa tương ứng

- Khi đã vào khớp ren, phần bánh đà sẽ có chuyển động tịnh tiến tương đối so với trục chính (chưa quay) đến hết hành trình ăn khớp và bị chặn lại theo phương dọc trục bởi các vai trục ngay trước đó Sau đó mới bắt đầu quay đồng tốc với trục của bánh đà Quá trình cộng dồn khối lượng tiến hành tương tự cho các khối lượng đơn vị khác

- Hình 3.11 mô hình hóa kết cấu theo phương án này được thấy rõ hơn như sau:

Hình 3.11: Mô hình cộng dồn khối lượng bánh đà bằng ren

- Kết cấu như vậy tuy có khó khăn về không gian bố trí do chiều dài trục tăng thêm khá lớn, và sẽ phải hiệu chỉnh kết cấu trong các trường hợp trục quay theo hai chiều và có đảo chiều liên tục Tuy nhiên, do ban đầu lắp lồng không hoàn toàn các phần bánh đà với trục nên cũng có lợi điểm cho quá trình vận hành và giai đoạn khởi động trong máy

3.1.5 Phương án 5:

Thiết kế bánh đà dạng cánh, kết hợp ly hợp thủy lực

Hình 3.12: Biểu đồ thu và giải phóng năng lượng của bánh đà

Mô tả kết cấu: Kết cấu bánh đà cũng được tách thành các phần nhỏ 2,3,7 Trong đó một đơn vị có vị trí gần đầu trục được cấp lưu lượng dầu có áp suất được cố định tương đối với trục chính Các phần bánh

đà này được lắp đồng trục và được bố trí trong một vỏ kín 1 Trên mỗi bánh đà đơn vị, thiết kế các cánh hướng ly tâm dùng để định hướng dòng lưu chất khi truyền mô men quay từ trục chính và bánh đà đầu tiên cho các bánh đà kế tiếp một cách tuần tự

- Xét về cấu tạo, bánh đà dạng này có cấu trúc gần gống như các biến mô thủy lực Nhờ đó, ngoài việc truyền được mô men quay từ phần này sang phần khác, kết cấu còn cho phép làm tăng mô men quay cho trục chính nhờ lực tác dụng của dầu có áp suất cao vào mặt sau của các hướng trong qua trình chuyển động

- Hình 3.13 mô hình hóa kết cấu theo phương án này trên:

Hình 3.13: Mô hình cộng dồn khối lượng bánh đà bằng thủy lực

3.1.6 Phương án 6:

Dùng con trượt chỉnh vị trí làm việc theo phương hướng kính của các khối lượng di động nhằm phân phối lại khối lượng cho bánh đà

Hình 3.14: Phương án phân phối lại khối lượng bánh đà bằng con trượt

Mô tả kết cấu: Bánh đà có cấu tạo dạng vành, vành 1 được liên lết với may ơ bánh đà bằng các nan hoa

có tiết diện tròn Các nan hoa này được chế tạo bằng vật liệu có cơ tính cao và có thể dùng mối ghép ren

để liên kết giữa chúng với mayơ cũng như vành bánh đà Trong trường hợp kết cấu như vậy, các nan hoa còn đóng vai trò của kết cấu dẫn hướng cho con trượt di chuyển theo phương hướng kính của bánh đà

- Hình 3.15 cụ thể hóa phương án thiết kế như trên:

Hình 3.15: Phân phối lại khối lượng của bánh đà nhờ các con trượt liên động

- Nhằm mục đích đảm bảo độ đồng đều trong các chuyển động thành phần của các con trượt mang khối lượng động trong bánh đà 2, tất cả chúng được dẫn động từ một nguồn dẫn động tịnh tiến 5, phần này được lắp đối xứng và cố định trên mayơ bánh đà

- Nguồn dẫn động tịnh tiến cho con trượt có thể dùng bộ truyền vít-đai ốc hay xy lanh-piston Được chú

ý liên động nhằm đảm bảo sự đồng đều khi dẫn động để thay đổi vị trí làm việc của con trượt

- Nhờ kết cấu dẫn động tập trung, phương án này có hiệu quả trong việc điều khiển giá trị mô men quán tính của bánh đà Tuy vậy, khoảng biến thiên của mô men quán tính không lớn do bị hạn chế về không gian làm việc của các chi tiết di trượt

3.1.7 Phương án 7:

Phân phối lại khối lượng bánh đà nhờ hệ lò xo chịu nén và con trượt

Căn cứ vào yêu cầu làm việc, việc thiết kế bánh đà dạng vành được tiến hành bình thường để xác định các thông số hình học Sau đó, nhằm mục đích giảm mô men cản của bánh đà trong quá trình khởi động hoặc có nhu cầu thay đổi linh hoạt giá trị mô men quán tính của bánh đà, phần trọng lượng được lấy đi từ vành bánh đà được qui đổi tương đương với hệ con trượt-dẫn hướng và lò xo về khả năng đạt được giá trị mô men quán tính mong muốn ban đầu của bánh đà, sơ đồ kết cấu như trong hình 3.16

Hình 3.16: Sơ đồ qui đổi tương đương khối lượng vành bánh đà

Mô tả kết cấu: Kết cấu bánh đà dạng vành 1 như trong hình 3.17, các khối lượng động 2 được dẫn hướng bởi các xy lanh lắp giữa mayơ và vành bánh đà theo phương hướng kính Trong trường hợp đơn giản, vị trí ban đầu của con trượt bị lò xo 4 ép chặt theo phướng hướng kính ngay sát mayơ bánh đà Khi vận tốc góc của bánh đà tăng lên, lực quán tính ly tâm trên con trượt tăng, thắng lực lò xo nén 4 và di chuyển ra xa tâm bánh đà Từ đó làm thay đổi giá trị mô men quán tính bánh đà

- Nhược điểm của phương án kết cấu này thường nằm ở đáp ứng của lò xo Thông thường, khó đảm bảo lực lò xo là như nhau trong toàn kết cấu Như vậy khó đảm bảo độ đồng tâm của hệ thống bánh đà và các con trượt khi quay

Hình 3.17: Phương án phân phối lại khối lượng bánh đà từ theo phương hướng kính

- Mở rộng kết cấu, có thể điều khiển vị trí con trượt nếu thiết lập một mạch thủy lực kín cho hệ thống xy lanh và con trượt như trong hình 3.17 Trong trường hợp này, bằng việc điều khiển áp suất và lưu lượng trong hệ thống, có thể bỏ qua sai số vị trí của con trượt do đáp ứng không đồng nhất của các lò xo

3.1.8: Phương án 8:

Phân phối lại khối lượng bánh đà với bán kính lớn

Hình 3.18: Phương án phân phối lại khối lượng bánh đà từ vành bánh đà

Xét về mặt ý tưởng thiết kế, hình 3.18 trình bày các thức tương tự như phương án được mô tả trong phương án 7 ở trên Tuy nhiên, ở đây có chú ý hơn đến việc phân phối lại khối lượng bánh đà sao cho khoảng cách tính từ khối lượng động đến vành bánh đà lớn hơn các trường hợp trước đó Điều này

có nghĩa là, với cùng kích thước, sau khi đạt đến vị trí giới hạn lớn nhất, thì mặc dù có cùng khối lượng nhưng bánh đà dạng này có mô men quán tính lớn hơn