Cơ cấu Cánh Quạt Biến Bước (Variable Pitch Propeller Mechanism)

Mô tả cập nhật ở phía dưới

Tổng quan

Một mô hình cơ cấu cánh quạt biến bước (variable pitch propeller) dựa trên bằng sáng chế năm 1935 của Robert Stanley, được tinh chỉnh để phù hợp cho in 3D.

Cánh quạt biến bước cho phép phi công điều chỉnh góc (pitch) của cánh theo tốc độ máy bay để đạt hiệu năng tối ưu. Trong khi đa số hệ variable pitch dùng thủy lực hoặc điện, hệ hoàn toàn cơ khí này dùng hai bộ bánh răng hành tinh (planetary gears) để điều khiển pitch của các cánh trên cánh quạt đang quay, thông qua một bánh răng dẫn động đặt trên phần vỏ (housing) đứng yên.

Nhờ in 3D, các cụm bánh răng hành tinh này có thể làm dạng print-in-place với bánh răng herringbone (không thể tháo rời), giúp việc lắp ráp đơn giản hơn rất nhiều.

Xem cơ cấu hoạt động:

Mình có kèm các trang của bằng sáng chế gốc nếu bạn muốn đọc chi tiết.

Hệ này từng được dùng trên cánh quạt Curtiss Turboelectric trang bị cho Douglas C-133 Cargomaster.

Chi tiết

Tất cả chi tiết đều in 3D. Không cần thêm phần cứng nào khác. Toàn bộ cụm được giữ bằng ba con tán (nut) in 3D.

Bạn sẽ cần in:

Cụm cánh quạt (Propeller assembly)

• 1 x front-hub (hoặc front_hub_alt, xem cập nhật ngày 11/10)
• 1 x rear-hub (hoặc rear_hub_alt, xem cập nhật ngày 11/10)
• 1 x hub-nut
• 5 x blade
• 5 x spur-worm-gear
• 5 x thust-washer

Cụm vỏ và trục (Housing and shaft assembly)

• 1 x front-housing
• 1 x rear-housing
• 2 x bearing-1 (xem ghi chú 1)
• 1 x shaft
• 1 x spacer-1
• 1 x rear-nut

Lắp ráp cuối (Final assembly)

• 1 x rear-planetary-assy
• 3 x planet-axis
• 1 x spider
• 1 x front-planetary-assy
• 1 x spacer-2
• 1 x bearing-2 (xem ghi chú 1)
• 1 x spacer-3
• 1 x control-gear (hoặc control-gear-alt, xem ghi chú 2 bên dưới)
• 1 x blade-setting-crank
• 1 x front-shaft-nut
• 1 x motor-crank

Và các dụng cụ (tùy chọn):

• 1 x front-shaft-nut-socket-wrench
• 1 x hub-nut-spanner
• 1 x rear-nut-spanner

Mình in toàn bộ bằng PLA, layer 0.2mm theo profile mặc định của Prusa Mk3S. Chỉ có rear housing là cần support.

Ghi chú:

1. Mình chưa làm cho các ổ bi chạy “đúng nghĩa” được. Cả bearing 1 và bearing 2 đều gặp tình trạng con lăn bị dính vào cage hoặc ma sát quá lớn nên con lăn không lăn thật sự; trong thời gian giới hạn trước hạn cuộc thi, cách tốt nhất mình làm được là để vòng trong và vòng ngoài chuyển động trơn. Điều này không làm cơ cấu hoạt động bị ảnh hưởng.
2. Cơ cấu được thiết kế cho control gear 20 răng, nhưng do độ rơ (freeplay) trong cụm lắp, bản prototype của mình hay bị trượt khi ăn khớp với bánh răng ngoài của cụm front planetary. Vì vậy mình dùng control gear 21 răng (về lý thuyết là hơi lớn) lại cho kết quả tốt nhất, nên mình cung cấp nó như một lựa chọn thay thế (control-gear-alt) nếu bạn gặp vấn đề tương tự.

Hướng dẫn

Xem video lắp ráp:

Hình bung (Exploded views)

Cụm cánh quạt

Cụm vỏ và trục

Lắp ráp cuối

Nhắc nhẹ:

• Đừng siết tán quá chặt, toàn nhựa thôi!
• Một số bánh răng và ổ bi sẽ cần “chạy rà” (breaking in) một chút mới mượt, nên nhớ làm bước này trước khi lắp hoàn chỉnh để cơ cấu chạy ổn và không làm quá tải chi tiết.

Ghi chú thiết kế

Thông tin có thể hữu ích nếu bạn muốn remix:

Tất cả bánh răng có module 1 và góc ăn khớp (contact angle) 20°.

Các bánh răng hành tinh (planet gears) được scale xuống 97% theo phương ngang và dọc để chừa đủ khe hở, giúp in cụm planetary theo kiểu “in-place”.

Cập nhật

11/10/2022: Hub cánh quạt mới

Mình thiết kế một bản hub cánh quạt thay thế (tên file front_hub_alt và rear_hub_alt), hoạt động y như bản gốc nhưng nhìn đẹp hơn nhiều.

Tuy nhiên các phần mới sẽ hơi khó in hơn và bạn sẽ cần dùng support.

Khác biệt duy nhất khi lắp là: giờ các thrust washer phải được lắp vào các khe nhỏ ở cạnh bên của rear hub, thay vì lắp từ mặt trước của nó.