NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP PHÂN TẦNG TRÊN MÁY KÉO NHỎ 4 BÁNH

2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 36 2.2.4 Phương pháp xử lý và gia công số liệu thực nghiệm 47 Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY KÉO BỐN 3.1 Phác thảo sơ đồ truyền lực vô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN CÔNG THUẬT

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP PHÂN TẦNG

TRÊN MÁY KÉO NHỎ 4 BÁNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN CÔNG THUẬT

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP PHÂN TẦNG

TRÊN MÁY KÉO NHỎ 4 BÁNH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chƣa từng

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu và tập thể cán bộ Khoa Ô tô Trường Đại học Công nghiệp Việt - Hung đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai thí nghiệm, thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp trong và ngoài cơ quan và người thân đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên, góp ý kiến để tôi hoàn thành bản luận án này

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả luận án

Nguyễn Công Thuật

1.1 Khái quát về tình hình máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất nông

1.3 Công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài

1.4 Ứng dụng truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ sản xuất

2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 36

2.2.4 Phương pháp xử lý và gia công số liệu thực nghiệm 47 Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY KÉO BỐN

3.1 Phác thảo sơ đồ truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh 48

Chương 4 PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU

4.2 Ảnh hưởng của vị trí lắp cảm biến tải trọng đến tính chất điều khiển

4.3 Ảnh hưởng của hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền đến tính

4.3.3 Phân tích sự biến thiên của lực cản cày và tỷ số truyền CVT 106

5.2.2 Tính toán, thiết kế các phần tử thiết bị thí nghiệm 111

5.3.1 Thí nghiệm hệ thống điều khiển tỷ số truyền vô cấp bằng tay 116 5.3.2 Thí nghiệm điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp 118 5.3.3 Thí nghiệm đối chứng đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng 119

Danh mục công trình đã công bố có liên quan đến luận án 124

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

A Diện tích tác động của xi lanh tác động một chiều [mm2]

A1 Diện tích tác động khoang 1của xi lanh hai chiều [mm2]

A2 Diện tích tác động khoang 2của xi lanh hai chiều [mm2]

d Đường kính con trượt điều khiển van thủy lực [mm]

fn Thành phần lực pháp tuyến tác dụng lên phân tố đai [N]

ft Thành phần lực tiếp tuyến tác dụng lên phân tố đai [N]

p Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh một chiều [N/m2]

p1 Áp suất dầu thủy lực khoang 1 xi lanh hai chiều [N/m2]

p1 Áp suất dầu thủy lực khoang 2 xi lanh hai chiều [N/m2]

Q1 Lưu lượng dầu thủy lực ra van điều khiển [mm3/s]

Q2 Lưu lượng dầu thủy lực về van điều khiển [mm3/s]

Q1z Lưu lượng từ nguồn vào van qua mép điều khiển 1 [mm3/s]

Q2z Lưu lượng từ nguồn vào van qua mép điều khiển 2 [mm3/s]

Q1a Lưu lượng từ van về thùng qua mép điều khiển 1 [mm3/s]

Q2a Lưu lượng từ van về thùng qua mép điều khiển 2 [mm3/s]

r Bán kính bánh đai [mm]

V0 Thể tích ban đầu xi lanh tác động một chiều [mm3]

V10 Thể tích ban đầu khoang 1 xi lanh tác động hai chiều [mm3]

V20 Thể tích ban đầu khoang 2 xi lanh tác động hai chiều [mm3]

γ Góc giữa đường tâm của dây đai và hướng lực ma sát [°]

φ1 Góc ôm của dây đai trên bánh đai chủ động [°]

φ2 Góc ôm của dây đai trên bánh đai bị động [°]

Chữ viết tắt Diễn giải

(Proportional Integral Derivative) LQG / LTR Thuật toán điều khiển bền vững

(Linear Quadratic Gaussian/ loop transfer recovery)

DANH MỤC BẢNG

3.1 Thông số mô phỏng mô hình điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay 64 3.2 Thông số của mô hình điều khiển tự động bằng van tùy động 75 3.3 Các đặc trưng thống kê của lực cản cày chảo, trụ cỡ nhỏ 83 4.1 Thông số mô phỏng mô hình khảo sát ảnh hưởng vị trí lắp cảm biến

tải đến tính chất điều khiển tỷ số truyền CVT máy kéo truyền lực

DANH MỤC HÌNH

1.18 Hệ thống truyền lực cho máy kéo do Viện Khoa học Nông nghiệp

1.20 Máy kéo nhỏ với hệ thống truyền lực vô cấp phân tầng 24

1.23 Hệ thống VVT-I sử dụng mạch điều khiển hai vị trí 28

2.4 Sơ đồ hệ thống thủy lực điều khiển tỷ số truyền CVT 40 2.5 Tính chất điều khiển và đặc tính lưu lượng của van 40

2.6 Van tiết lưu và đặc tính lưu lượng của van 41

2.11 Chương trình thu thập, xử lí và điều khiển tỷ số truyền 45

3.12 Mô hình CVT với hệ thống điều khiển bằng van đóng ngắt điện –

3.15 Mô hình mô phỏng điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay 63 3.16 Kết quả khảo sát mô hình điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay 64

3.18 Mô hình CVT với hệ thống điều khiển tự động bằng van tùy động 66

3.36 Mô hình mô phỏng động lực học LHM cày với máy kéo truyền lực

3.37 Xung điều khiển dương (cấp dầu vào xi lanh- giảm tỷ số truyền ) 85

3.41 Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa (ω=1rad/s) 89 3.42 Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa(ω=3rad/s) 89 3.43 Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa (ω=8 rad/s) 90 4.1 Mô hình khảo sát ảnh hưởng vị trí lắp cảm biến tải đến tính chất

điều khiển tỷ số truyền CVT máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng 95

4.5 Khảo sát với lực cản cày trụ biến động với biên độ nhỏ 99 4.6 Khảo sát với lực cản cày trụ biến động với biên độ lớn 100

4.7 Khảo sát với lực cản cày giảm do đi vào vùng đất mền 101 4.8 Khảo sát với lực cản cày tăng do đi vào vùng đất cứng 102 4.9 Khảo sát với lực cản cày chảo biến động với biên độ nhỏ 103 4.10 Khảo sát với lực cản cày chảo biến động với biên độ lớn 104 4.11 Khảo sát với lực cản cày chảo tăng do đi vào vùng đất cứng 105 4.12 Khảo sát với lực cản cày chảo giảm do đi vào vùng đất mền 106 4.13 Tần suất xuất hiện giá trị lực cản cày trụ (hai thân) 107 4.14 Tần suất xuất hiện giá trị tỷ số truyền CVT ứng với các vùng phân

4.16 Tần suất xuất hiện giá trị tỷ số truyền CVT ứng với các vùng phân

5.12 Kết quả thí nghiệm điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp 118

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy kéo là thiết bị động lực được sử dụng chủ yếu trong sản xuất nông nghiệp, nơi có điều kiện tải trọng phức tạp và thay đổi trong dải rộng Trong điều kiện sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam, đặc biệt ở miền Trung và miền Bắc, máy kéo nhỏ (dưới 20 kW) chiếm ưu thế và được sử dụng rất phổ biến góp phần quan trọng trong việc tăng năng suất và giải phóng sức lao động cho nông dân

Để hoạt động hiệu quả trong điều kiện tải trọng thay đổi phức tạp trong dải rộng, máy kéo nhỏ cần được trang bị hộp số có nhiều cấp số truyền đảm bảo máy kéo làm việc tốt trong canh tác cũng như trong vận chuyển Một trong những phương án tối ưu là trang bị cho máy kéo hệ thống truyền lực vô cấp đảm bảo cho tỷ số truyền thay đổi liên tục trên toàn bộ dải tốc độ

Truyền động vô cấp trên các máy nông nghiệp tự hành và máy kéo đã được phát triển trên thế giới từ vài thập kỷ gần đây Đối với các máy kéo lớn, hệ thống truyền động vô cấp ưu tiên sử dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh, hiệu suất tốt nhất của của truyền động này chỉ hơn 90% (Hagedorn, 1974) Mặt khác tuyền động vô cấp sử dụng các thành phần thủy lực làm việc với áp suất cao

và do đó chi phí đầu tư lớn Do các nguyên nhân về chi phí chế tạo, trọng lượng

và hiệu suất nên việc sử dụng hộp số thủy tĩnh trên các máy kéo công suất nhỏ là không phù hợp (Kirste, 1988)

Máy kéo có công suất dưới 20 kW được sử dụng ở Việt Nam hiện nay với

số lượng lớn Do điều kiện canh tác, cơ cấu cây trồng, máy kéo nhỏ trong tương lai vẫn có tầm quan trọng lớn trong sản xuất nông nghiệp của Việt Nam Máy kéo có hệ thống truyền lực thông thường không còn đáp ứng các yêu cầu hoạt động ngày càng cao về chất lượng hoạt động Do đó, cần có giải pháp nhằm cải tiến hệ thống truyền lực đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nhưng chi phí đầu tư phù hợp với điều kiện kinh tế của nông dân Việt Nam (Viet Duc Bui, 2007)

Các loại máy kéo công suất nhỏ được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp

sử dụng bộ truyền vô cấp đai thang là phù hợp hơn, với ưu điểm: kết cấu đơn

giản, hệ số ma sát cao, lực ép nhỏ, dễ chăm sóc kỹ thuật nên chi phí sản xuất và vận hành nhỏ (Hofmann, 2000) Mặc dù bộ truyền động vô cấp đai thang có những lợi thế này nhưng chúng chưa được nghiên cứu sâu và ứng dụng vào máy kéo nhỏ trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp của Việt Nam

Điều khiển chính xác tỷ số truyền của truyền động vô cấp theo mục tiêu mong muốn (độ nhạy, độ trễ và tính kinh tế ) là rất phức tạp, hệ thống điều khiển có độ nhạy cao, độ trễ nhỏ có chi phí sản xuất lớn và công nghệ chế tạo đòi hỏi độ chính xác cao Việc nghiên cứu nhằm lựa chọn ra phương pháp điều khiển

tỷ số truyền của truyền động vô cấp đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật với máy kéo nông nghiệp nhưng có công nghệ chế tạo phù hợp và chi phí đầu tư ban đầu chấp nhận được với các hộ nông dân là thực sự cần thiết để ứng dụng trong thực tiễn

Để xây dựng cơ sở khoa học nhằm ứng dụng truyền động vô cấp đai thang điều khiển tự động tỷ số truyền theo mục tiêu đặt ra cho máy kéo nhỏ sản xuất trong nước, cần phải giải quyết nhiều vấn đề khoa học phức tạp bao gồm việc nghiên cứu tính chất điều khiển và truyền động của bộ truyền động đai vô cấp nhằm đưa ra phương án điều khiển tỷ số truyền phù hợp

Từ nhu cầu thực tiễn và với những lí do trên, đề tài luận án đặt vấn đề

“Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh”, nhằm xây dựng cơ sở khoa học cho việc

chế tạo máy kéo nhỏ bốn bánh truyền lực vô cấp phân tầng tại Việt Nam

2 Giả thuyết vấn đề nghiên cứu

Trên cơ sở kết cấu hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ, thay thế truyền động đai thang truyền thống bằng bộ truyền động vô cấp đai thang bản rộng kết hợp hộp số cơ khí đơn giản với hai cấp số truyền (vô cấp phân tầng) điều khiển bằng tay tương ứng với chế độ canh tác và vận chuyển Sử dụng phương pháp điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp (CVT) bằng cách thay đổi lực kẹp ở bánh đai chủ động và bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo, hệ thống thủy lực điều chỉnh gián đoạn với van đóng ngắt điều khiển lực ép bánh đai chủ động để đạt được tỷ số truyền mong muốn

3 Phương án kiểm định giả thiết

Trên cơ sở xây dựng mô hình toán các phần tử, mô hình hóa, mô phỏng

hệ thống, tiến hành khảo sát các phương án điều khiển tỷ số truyền trên mô hình; thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tự động tỷ số truyền của truyền động vô cấp theo tải trọng nhằm kiểm định kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng

4 Mục tiêu của luận án

Lựa chọn phương án và xây dựng hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền

bộ truyền động đai vô cấp đáp ứng yêu cầu giữ điểm làm việc của LHM tại vùng làm việc có lợi nhất trên đặc tính của động cơ, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật

5 Đối tượng nghiên cứu

Bộ truyền động vô cấp đai thang cho máy kéo bốn bánh có công suất nhỏ

sử dụng trong sản xuất nông nghiệp của Việt Nam

6 Giới hạn nghiên cứu

Tính chất truyền động và điều khiển bộ truyền động vô cấp được nghiên

cứu bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng; thí nghiệm kiểm chứng được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên cơ sở chế tạo thiết bị thí nghiệm tự động điều khiển tỷ số truyền theo tải trọng, tải trọng được tạo bằng cách thay đổi áp suất trong hệ thống thủy lực phụ tải; phần điều khiển điện tử của thiết bị được đơn giản hóa theo mục tiêu nghiên cứu của luận án

Thời gian nghiên cứu: từ tháng 5 năm 2011 đến tháng 5 năm 2014

7 Đóng góp mới của luận án

Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng liên hợp với máy nông nghiệp mô tả đầy đủ về kết cấu, hoạt động và tác động qua lại giữa các phần tử Máy kéo – Máy cày – Đất canh tác Mô hình có thể được

sử dụng để khảo sát linh hoạt hệ thống theo các điều kiện thay đổi tải trọng và mức

ga để đánh giá tính chất điều khiển và truyền động của LHM

Thiết bị thí nghiệm được thiết kế chế tạo từ luận án sử dụng các phương pháp đo, thu nhận số liệu, xử lý và điều khiển hiện đại có thể thử nghiệm tốt các phương án điều khiển tỷ số truyền và khảo sát các phương án thay đổi tải, được

sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng và tạo cơ sở thực tiễn cho việc xây

dựng chương trình điều khiển tỷ số truyền tự động cho máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng

Xác định được phương án điều khiển tự động tỷ số truyền của truyền động

vô cấp bằng hệ thống thủy lực sử dụng van đóng ngắt tạo lực ép tác động vào bánh đai chủ động của bộ truyền, bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo có kết cấu đơn giản, phù hợp với điều kiện sản xuất Việt Nam

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về tình hình máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp Việt Nam

Điều kiện sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam có những nét đặc thù riêng về địa hình và cơ cấu cây trồng Đồng bằng Nam bộ có diện tích đất canh tác rộng thuận lợi phù hợp với những loại máy kéo có công suất trung bình (20 – 60 kW),

do đặc điểm canh tác nên vùng Trung du miền núi phù hợp với các loại máy kéo

có công suất lớn (trên 60 kW), trong khi đó ở đồng bằng Bắc bộ và duyên hải miền Trung thì diện tích canh tác ít, diện tích các thửa ruộng nhỏ, mặt khác cơ cấu cây trồng rất đa dạng, không đồng nhất do thiếu quy hoạch nên yêu cầu cơ giới khác nhau, vì vậy chỉ phù hợp với các máy kéo có công suất nhỏ (Nguyễn Điền và Nguyễn Đăng Thân, 1984; Nguyễn Văn Sắt, 1990; Hoàng Quốc Đô, 1993)

Mức độ trang bị động lực trên một đơn vị canh tác thể hiện khả năng cơ giới hóa nông nghiệp của mỗi nước Ở các nước phát triền tỷ lệ này đạt rất cao,

ví dụ: Mỹ là 92kW/ha, Nhật 25,76kW/ha, Trung Quốc 4,46kW/ha, các nước Đông Nam Á khoảng 2.994kW/ha, trong khi ở Việt Nam đạt khoảng 1,877kW/ha (Cục chế biến, 2011) Tính đến năm 2012, ở Việt Nam có khoảng 300 nghìn máy kéo các loại sử dụng trong sản xuất nông nghiệp với tổng công suất lên tới 3,68 triệu kW, trong đó công suất của máy kéo lớn chỉ chiếm khoảng 40% (Phạm Văn Lang, 2012), mức độ cơ giới hóa trong khâu làm đất trồng lúa ở miền Bắc là 76,4%, cả nước là 89,5% (Việt Hà, 2013)

Đảng và Nhà nước đã có chủ trương từng bước xây dựng ngành chế tạo máy kéo và giao cho Bộ công nghiệp nặng tổ chức nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử máy kéo Tính đến nay, ngành cơ khí nước ta đã hơn 15 lần tiến hành tổ chức nghiên cứu chế thử máy kéo 4 bánh (chủ yếu là chế tạo chép mẫu) nhưng vẫn chưa thu được kết quả mong muốn Duy nhất chỉ có loại máy kéo đẩy tay Bông sen 12 được chế tạo hàng loạt với số lượng lớn, tuy nhiên theo đánh giá của nhiều chuyên gia thì công nghệ chế tạo ra loại máy kéo 2 bánh đơn giản này khác

hẳn và thấp hơn nhiều công nghệ chế tạo máy kéo 4 bánh (Phạm Văn Lang, 1996)

Các máy kéo nhỏ có hệ thống di động phù hợp có thể hoạt động hiệu quả trên đất khác nhau Trong sản xuất nông nghiệp chúng được sử dụng cho các nhiệm vụ khác nhau như canh tác, thu hoạch và vận chuyển Hầu hết các máy kéo nhỏ sử dụng ở Việt Nam có hai bánh, kết cấu hệ truyền lực rất đơn giản

Hình 1.1 Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS12

Nguồn: VEAM, 2013 Trên hình 1.1 và 1.2 thể hiện sơ đồ máy kéo nhỏ hai bánh BS12 và BS165

do Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) sản xuất có các đặc điểm cơ bản sau:

- Động cơ diesel bốn kỳ, một xi-lanh có công suất 12kW (16,5 mã lực)

- Truyền động đai thang từ động cơ xuống hộp số với tỷ số truyền i = 1,68

- Hộp số cơ khí với 6 số tiến và 2 số lùi

- Li hợp nằm ở puly bị động của truyền động đai Sử dụng hai li hợp lái trên đường truyền lực cuối thay cho bộ vi sai

9,2kW(12ML) 2200v/p 45Nm

Truyền động

Bánh đai chủ động

Số lùi RI: 1 km/h RII: 3,8

Hình 1.2 Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS16,5

Nguồn: VEAM, 2013 Dạng truyền động này không còn đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng của công việc canh tác và người sử dụng máy kéo Khi được sử dụng, chúng có những nhược điểm sau:

- Lực điều khiển lớn,

- Tính cơ động của máy kéo kém,

- Năng suất thấp,

- Tiêu thụ nhiên liệu cao

- Vận hành, điều khiển khó khăn

- Ô nhiễm môi trường Ngành công nghiệp máy kéo Việt Nam vẫn đang trong giai đoạn ban đầu của sản xuất các hệ thống máy đơn giản Trong tương lai định hướng sản xuất đủ nhu cầu trong nước về máy kéo hai bánh với 6, 8 và 12 mã lực và sản xuất máy kéo bốn bánh đầu tiên với 18, 20, 25 và 30 mã lực Gần đây Tổng

12,7kW(16,5ML) 2200v/p

55,2Nm

Truyền động đai(i=1,68)

Phanh

Bánh đai chủ động

Bánh đai bị động

và li hợp

Tốc độ ứng với số truyền

Số tiến I: 1,98 km/h II: 3,5 III: 5,9 IV: 7,3 V: 13,0 VI: 21,8

Số lùi RI: 1,56 km/h RII: 5,78

công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam giới thiệu mẫu máy kéo nhỏ bốn bánh (hình 1.3) đã khắc phục được một số nhược điểm của máy kéo hai bánh như: giảm lực điều khiển nhờ sử dụng cơ cấu lái, tăng tính cơ động của máy kéo…

Mặc dù đã khắc phục được một số nhược điểm của máy kéo hai bánh, mẫu máy kéo này vẫn sử dụng hệ thống truyền lực truyền thống: truyền động đai và hộp số có sáu số tiến và hai số lùi nên chưa cải thiện nhiều được các chỉ tiêu: năng suất, mức chi phí nhiên liệu, ô nhiễm và mức độ thuận tiện trong điều khiển vận hành

Hình 1.3 Máy kéo nhỏ bốn bánh do VEAM sản xuất

Nguồn: VEAM, 2013

Hệ thống máy kéo ở nước ta, cả máy nhỏ và máy lớn phần lớn là có nguồn gốc nhập ngoại, chủ yếu mang tính tự phát và dường như còn thiếu những cứ liệu khoa học trong lựa chọn Phải qua một thời gian dài sử dụng, thực tiễn đã chọn lọc được một số loại máy kéo tương đối phù hợp với điều kiện sản xuất nông nghiệp của nước ta như các loại máy kéo MTZ-50, MTZ-80 (đối với miền Bắc); R-551, MF-265, Steyer 768 và John Deere 3020 (đối với miền Nam) Các máy kéo nhỏ có công suất dưới 30kW có nguồn gốc nước ngoài (chủ yếu từ Nhật Bản

và Trung Quốc) cũng được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp

Nhìn chung các máy kéo nhỏ này có đặc điểm cơ bản sau:

+ Động cơ diesel ba xi lanh + Li hợp đơn ma sát khô + Hệ thống truyền lực có 8 -9 số tiến và 3-4 số lùi Tuy nhiên trong những năm gần đây, do giá máy kéo quá cao (từ 3.600-16.000 USD/chiếc), vượt quá sức mua của nông dân, cộng thêm sự khan hiếm về

phụ tùng thay thế sửa chữa nên số lượng máy nhập mới hầu như không đáng kể,

chủ yếu là các máy kéo cũ Nước ta có nguy cơ trở thành bãi thải máy kéo cũ cho

các nước công nghiệp khác Do vậy, nghiên cứu và sản xuất máy kéo phù hợp

với các điều kiện trong nước là thực sự cần thiết đáp ứng mục tiêu cơ giới hóa

nông nghiệp ở Nước ta

1.2 Tổng quan về truyền động vô cấp trên máy kéo

1.2.1 Khái quát về các loại hình truyền lực vô cấp

Để kết nối, truyền và biến đổi chuyển động từ động cơ đến bộ phận di động, hiện nay trên thế giới đã và đang sử dụng rất phổ biến các dạng truyền

động vô cấp (CVT) trong hệ thống truyền lực của máy kéo Thực tế sử dụng cho

thấy CVT có nhiều ưu điểm vượt trội so với truyền động có cấp (Beuk, 1997)

Hình 1.4 Phân loại truyền động vô cấp

Nguồn: Zsolt et al., 2003

TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP

Đ BẢN RỘNG ĐAI XÍCH ĐAI KIM LOẠI

Các dạng truyền động vô cấp sử dụng trong hệ thống truyền lực của ô tô - máy kéo có thể là truyền động thủy lực, truyền động điện hay truyền động cơ khí (hình 1.4)

* Truyền động thủy động (TĐTĐ)

Truyền động thủy động là dạng truyền động mà công suất được truyền chủ yếu là động năng của dòng chất lỏng trong truyền động Một ứng dụng khá phổ biến của dạng truyền động này trong hệ thống truyền lực của ô tô – máy kéo là biến mô thủy lực

Biến mô được sử dụng để đóng ngắt truyền động (li hợp) và thay đổi mô men (biến mô) Trong hệ thống truyền lực của các loại xe ô tô tốc độ cao hoặc máy tự hành công suất lớn, biến mô thường kết hợp với hộp số cơ học (truyền động hành tinh) điều khiển tự động hoặc bán tự động (hình 1.5)

Hình 1.5 Hộp số tự động 7G-Tronic

Nguồn: Mercedes, 2013

1 Biến mô; 2 Khóa li hợp; 3 Hộp số hành tinh; 4 HT điều khiển thủy lực;

5 Hệ thống tự chẩn đoán; 6 Các cơ cấu chấp hành

Hệ thống truyền lực này có kết cấu phức tạp, giá thành chế tạo cao, không phù hợp với truyền lực máy kéo công suất nhỏ và điều kiện sản xuất, năng lực chế tạo của Việt nam

* Truyền động thủy tĩnh (TĐTT)

Dựa vào tính chất không nén được của chất lỏng, TĐTT có thể biến đổi

mô men và tốc độ từ động cơ đến cơ cấu chấp hành êm dịu và vô cấp từ 0 đến cực đại TĐTT được sử dụng rất phổ biến trên máy kéo nông nghiệp, máy xây dựng và máy công trình công suất lớn Ngoài ra trên một số loại máy kéo công suất nhỏ sử dụng trong các công việc cắt cỏ, chăm sóc cây trồng cũng được thiết

kế kiểu truyền động này (hình 1.6)

So với truyền động thủy động, TĐTT có kết cấu đơn giản và ít chi tiết hơn Tuy nhiên do yêu cầu cao về độ chính xác và độ tin cậy, việc sản xuất các chi tiết của TĐTT cũng đòi hỏi công nghệ cao, vật liệu đặc biệt, do đó giá thành chế tạo cũng lớn

Hình 1.6 Truyền động thủy tĩnh trên máy kéo

Nguồn: Murrenhoff and Wallentowitz, 1998

a Sử dụng một động cơ thủy lực cho cầu trước và một động cơ cho cầu sau (2/4);

b Sử dụng một động cơ thủy lực cho cầu sau và hai động cơ thủy lực cho cầu trước (3/4); c Sử dụng động cơ thủy lực độc lập cho các bánh xe (4/4);

* Truyền động điện (TĐĐ)

Truyền động điện được ứng dụng phổ biến trên các loại xe lai (Hybrid) hoặc xe nâng hàng Kiểu truyền động này không gây tiếng ồn, tiết kiệm nhiên liệu Hình 1.7 giới thiệu các phương án kết hợp giữa động cơ đốt trong và động

cơ điện trên các dòng xe hybrid

a

Trong các sơ đồ này, động cơ đốt trong chỉ cung cấp cơ năng cho máy phát điện (hình 1.7a), điện năng chuyển đổi thành cơ năng tại máy điện đưa tới các bánh xe chủ động – phương án bố trí nối tiếp; hoặc động cơ đốt trong được

bố trí song song với máy điện, trong các bố trí này máy điện có thể bố trí trước

hệ thống truyền lực (hình 1.7b) hay bố trí sau hệ thống truyền lực (hình 1.7c)

Việc sử dụng máy điện thuận nghịch (làm việc chế động động cơ khi dẫn động, chế độ máy phát khi tận dụng động năng của xe) cho phép tận dụng năng lượng quán tính của xe khi phanh để tạo ra năng lượng điện tích lũy trong ắc quy nhằm giảm chi phí nhiên liệu, nhưng chỉ thích hợp với ô tô chuyển động với tốc

độ cao

Tuy nhiên do một số hạn chế như hiệu suất thấp, giá thành chế tạo cao, thể tích riêng lớn, nên TĐĐ hầu như không được ứng dụng trên máy kéo (Bernhardt and Heidemeyer, 1990)

Hình 1.7 Hệ thống Hybrid

Nguồn: Bosch, 1991

G - máy phát điện; M/G- máy điện thuận nghịch

* Truyền động cơ khí vô cấp

Truyền động cơ khí vô cấp dựa trên nguyên tắc ma sát giữa các chi tiết của bộ phận dẫn động Sự thay đổi tỷ số truyền được thực hiện liên tục, thông

G M/G

M/G

LI HỢP HỘP SỐ

M/G

LI HỢP HỘP SỐ

c

qua sự thay đổi vị trí của con lăn với đĩa ma sát (hình 1.8) hoặc của dây đai với bánh đai (hình 1.9)

Hình 1.8 Truyền động đĩa ma sát vô cấp

Hình 1.9 Truyền động bao vòng vô cấp

Trong hệ thống truyền lực của ô tô - máy kéo, truyền động bao vòng vô cấp được ứng dụng phổ biến hơn cả Có 3 loại truyền động bao vòng vô cấp:

- Truyền động xích vô cấp (hình 1.10)

Dây đai truyền động có kết cấu dạng xích, ma sát được tạo ra giữa chốt xích và bánh đai Do có hệ số ma sát thấp (< 0.1) nên cần có lực ép lớn giữa bánh đai và dây xích để đảm bảo khả năng truyền mô men Để tạo ra lực ép theo yêu cầu (20 – 30 kN) cần thiết kế một hệ thống truyền lực riêng, thường là truyền lực thủy lực Truyền động xích vô cấp có phạm vi thay đổi tỷ số truyền (imax/imin) từ 5 - 6, có khả năng truyền mô men lớn (500 Nm)

Đĩa chủ động

Đĩa bị động

Bánh đai chủ động

Bánh đai

bị động

Hình 1.10 Truyền động xích vô cấp

Nguồn: Audi, 1999

- Truyền động dây đai kim loại vô cấp

Có đặc điểm tương tự như truyền động xích vô cấp, dây đai có cấu tạo khá đặc biệt bao gồm nhiều miếng kim loại ghép liên tiếp trên 2 dây đai gồm nhiều lá cũng bằng kim loại mỏng (hình 1.11) Với kết cấu như vậy, hiệu suất của bộ truyền cao hơn truyền động xích vô cấp do dây đai kim loại có thể thực hiện truyền lực trên cả 2 nhánh, một nhánh kéo và một nhánh đẩy

Hình 1.11 Truyền động dây đai kim loại vô cấp

Nguồn: Bonsen, 2006 Truyền động xích và dây đai kim loại vô cấp được ứng dụng cho các loại ô tô con và trên máy kéo công suất vừa và nhỏ Hai loại truyền động này có kết cấu khá phức tạp cần có bộ phận tạo lực ép riêng (thủy lực) nên giá thành chế tạo cao

- Truyền động đai thang bản rộng vô cấp

Do hệ số ma sát giữa dây đai và bánh đai lớn, lực ép yêu cầu không lớn từ

1 - 3 kN, nên việc thiết kế bộ phận tạo lực ép không quá phức tạp, có thể thực hiện bằng các cơ cấu truyền động cơ khí Truyền động đai bản rộng vô cấp có kết cấu đơn giản, phạm vi thay đổi tỷ số truyền rộng (imax/imin = 9), có khả năng truyền mô men đến 200 Nm Kiểu truyền động này được ứng dụng trên các loại

máy nông nghiệp tự hành, máy kéo công suất vừa và nhỏ (hình 1.12)

Hình 1.12 Truyền động đai bản rộng vô cấp

Nguồn: Berges AG, 2013

+ Tính nhạy + Độ ồn khi làm việc + Thể tích riêng + Tuổi thọ Tuy nhiên, việc so sánh đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn đƣợc dạng truyền động vô cấp phù hợp cho hệ thống truyền lực của máy kéo phải trên cơ sở công suất truyền tải

Trong hình 1.13, các chỉ tiêu hiệu suất, thể tích riêng và giá thành chế tạo đƣợc so sánh giữa các dạng truyền động vô cấp ứng với công suất truyền động Theo đó, ở dải công suất nhỏ hơn 30 mã lực (22.2kW) thì truyền động cơ khí có hiệu suất cao nhất nhƣng giá thành chế tạo nhỏ nhất

Để đánh giá đầy đủ hơn trên cơ sở các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, Hofmann (2000) đã sử dụng 10 chi tiêu để so sánh các dạng truyền động (bảng 1.1) Căn

cứ vào so sánh này thì truyền động cơ khí có nhiều ƣu điển vƣợt trội, thể hiện rõ nét ở hiệu suất, mật độ công suất và giá thành chế tạo

Hình 1.13 Đánh giá các dạng truyền động vô cấp

Nguồn: Hagedorn, 1974

Bảng 1.1 Đánh giá các loại truyền động

Tiêu chí đánh giá

Kiểu truyền động Bánh

răng

Xích vô cấp

Thủy động

Thủy tĩnh

Cơ khí Điện từ Thủy lực

Công suất (kW) Công suất (kW)

Trong truyền động vô cấp bao vòng, các loại truyền động xích, đai bản rộng và đai kim loại được sử dụng phổ biến So sánh các tiêu chí của các loại CVT nhằm đánh giá, làm cơ sở cho việc chọn lựa một bộ truyền động hợp lý cho máy kéo là cần thiết Các tiêu chí trong bảng 1.2 đã được lượng hóa, thể hiện khá

rõ nét đặc tính các bộ truyền động vô cấp bao vòng đang được sử dụng phổ biến hiện nay

Bảng 1.2 So sánh các loại truyền động bao vòng vô cấp

Tiêu chí

Truyền động bao vòng vô cấp Đai bản rộng Xích Dây kim loại

Môi trường làm việc Khô Khô hoặc ướt Ướt

Nguồn: Hofmann, 2000

Từ các phân tích ở phần trên và căn cứ vào thực tế sản xuất chế tạo và sử dụng máy kéo của Việt nam, có thể áp dụng một số tiêu chí dưới đây để lựa chọn

hệ thống truyền lực máy kéo:

- Hiệu suất: bao gồm hiệu suất truyền lực và hiệu suất sử dụng máy Hiệu suất truyền lực liên quan đến kết cấu và khả năng hoạt động của hệ thống, hiệu suất sử dụng chịu ảnh hưởng nhiều bởi tính vạn năng của máy kéo

- Độ tin cậy: liên quan đến công nghệ chế tạo, cho đến nay công nghiệp chế tạo máy của Việt Nam đã tiếp cận với một số công nghệ chế tạo máy tiên tiến trên thế giới Chính vì thế Việt Nam có thể sản xuất và chế tạo các chi tiết máy chất lượng đảm bảo, đạt được độ tin cậy cần thiết

- Giá thành chế tạo: đây là chỉ tiêu phụ thuộc vào tỷ lệ nội địa hóa sản xuất

chế tạo máy kéo, giá máy sẽ giảm khi tỷ lệ nội địa hóa cao Ngoài ra việc đơn giản hóa kết cấu máy, phù hợp với khả năng chế tạo của Việt nam cũng là yếu tố góp phần làm tăng tỷ lệ nội địa hóa, giảm giá thành

Hệ thống truyền lực có vai trò rất quan trọng nhằm đảm bảo cho liên hợp máy làm việc tối ưu trong các miền thay đổi của tải trọng Hệ thống truyền lực có nhiều tỷ số truyền thì càng phù hợp, nhưng chúng có nhược điển phức tạp trong kết cấu và điều khiển Mặt khác, quá trình thay đổi tỷ số truyền làm gián đoạn quá trình truyền lực Một trong những lựa chọn tối ưu cho hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ là sử dụng bộ truyền động vô cấp Truyền lực vô cấp cho phép công suất truyền tải liên tục trong quá trình thay đổi tỷ số truyền Như vậy trong quá trình làm việc với tải trọng thay đổi thì tỷ số truyền cũng được liên tục thay đổi phù hợp mà không làm gián đoạn đường truyền lực cho phép nâng cao năng suất

và đơn giản trong vận hành Để phù hợp với điều kiện canh tác và vận chuyển, hệ thống truyền lực cần trang bị thêm một hộp số phân tầng nhằm tối ưu khoảng thay đổi rộng của tải trọng

1.3 Công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài luận án

1.3.1 Các nghiên cứu về máy kéo với truyền lực vô cấp

Phạm vi điều chỉnh tỷ số truyền của truyền động vô cấp nằm trong khoảng 1:5 và 1:9, do đó không đảm bảo cho dải thay đổi tải trọng khi chỉ sử dụng một

bộ truyền động vô cấp Để máy kéo làm việc tối ưu trong quá trình canh tác cũng như vận chuyển, hệ thống truyền lực phải có sự kết hợp giữa truyền động vô cấp

và một hộp số có cấp Trong hệ thống truyền lực của máy kéo có truyền động vô cấp, hệ thống truyền lực thường được bố trí theo hai phương án:

+ Truyền lực vô cấp được bố trí trước hộp số cơ học;

+ Truyền lực vô cấp được bố trí sau hộp số cơ học

Dựa trên những phát minh ở Anh năm 1956, bộ truyền dây đai thay đổi tỷ

số truyền liên tục theo điều khiển (PIV) của Werner Reimers được sử dụng trong

hệ thống truyền lực của máy kéo như là một thay thế cho truyền động vô cấp đai thang Trong giai đoạn 1957-1968, sự nghiên cứu phát triển truyền lực máy kéo nhỏ tập trung vào PIV Với ưu điểm nhỏ gọn nhiều cấp tỷ số truyền và truyền lực

liên tục, PIV đã đƣợc sử dụng để thay thế cho các cặp truyền bánh răng trong hệ thống truyền lực của máy kéo

Ứng dụng thử nghiệm đầu tiên của truyền động cơ học liên tục cho truyền lực máy kéo bắt đầu vào năm 1957 với bộ PIV Reimers ASL8 cho máy kéo MAN A25 (Hình 1.14)

Hình 1.14 Bộ truyền động loại ZF / P.I.V ASL8 Reimers

Nguồn: Renius, 1995 Động cơ có công suất 18 kW, bộ truyền động đai có tỷ số truyền thay đổi liên tục từ 1: 4 và đƣợc điều khiển bằng tay Hộp số có hai số tiến và một số lùi điều khiển bằng tay qua bộ đồng tốc Sự kết hợp này cho phép máy kéo chuyển động ở ba dải tốc độ ứng với tốc độ cố định của động cơ

Năm 1963/1964 mẫu ASL 210 là thế hệ phát triển của ASL8 đƣợc đƣợc sử dụng trên máy kéo Eicher EM 300 với động cơ có công suất 26 kW (hình 1.15) Do kết cấu của máy kéo, bộ truyền PIV đƣợc bố trí nằm ngang

H 4,94 19,76km/h

L

R

8,0 2,0

Hình 1.15 Bộ truyền loại ZF / P.I.V Reimers ASL 210

Li hợp

Bộ chuyển PIV

Hộp số

2000v/

p

Bơm chính Bơm phụ

1

9,8

1 10,1

1

3,6

1

0,9 2,5

12,4-32

Trục triết CS

18,4-30

Vi sai Bơm dầu

Phanh

Bộ chuyển PIV

Trong năm 1965, nguyên mẫu loại ZF / P.I.V Reimers ASL 218 đã được ứng dụng lại với máy kéo công suất 44 kW (hình 1.16) Mẫu máy kéo này có hộp

số cơ học hai cấp truyền được bố trí ở trục sơ cấp của ZF / P.I.V Reimers ASL

218 Bộ truyền động hành tinh có nhiệm vụ đảo chiều được bố trí ở trục thứ cấp

của PIV Với cách bố trí hệ thống truyền lực như vậy cho phép máy kéo có các

dải chuyển động tiến và lùi như nhau

Trong năm 1965, Bộ truyền động T518 được lắp cho máy kéo Schlüter Super 550 (Hình 1.18)

Hệ thống truyền lực của máy kéo bao gồm bộ truyền động liên tục PIV có hộp số hai cấp đặt phía trục sơ cấp Ly hợp ma sát kép ở phía đầu ra của PIV để

thực hiện ra vào số hộp số có số lùi đặt trước ba cấp truyền động (H, L, IL) Điều

này tạo cho máy kéo có dải truyền động tiến và lùi như nhau

Hình 1.17 Bộ truyền động loại ZF / P.I.V Reimers T 518

Nguồn: Sauer, 1996

Trục triết CS

Bộ chuyển PIV i=2.12 0,472

8

Li hợp Trục truyền

Bơm dầu

1800v/p

L (IL)

R V

H 540v/p

25km/h 5,5

H

L

IL RIL

RL

RH

Hộp số

Trong những năm 1988/1989 hệ thống truyền lực của máy kéo được cải thiện đáng kể với bộ truyền động liên tục Điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền động liên tục được thực hiện tự động thông qua hệ thống truyền động điện - thủy lực Tín hiệu điều khiển là mô men xoắn trên đường truyền lực nhờ một cảm biến mô-men Trong các nghiên cứu ở giai đoạn này điển hình là nghiên cứu của Kirste (1989) tại Viện Khoa học Nông nghiệp của Đại học Munich Trong nghiên cứu này, hệ thống truyền lực của máy kéo được trang bị một bộ truyền động liên tục PIV với động cơ có công suất 22kW (hình 1.18), li hợp được bố trí ở trục sơ cấp của PIV, phía thứ cấp có hộp số cơ khí phân tầng đơn giản và nhỏ gọn

Hình 1.18 Hệ thống truyền lực cho máy kéo do Viện Khoa học Nông nghiệp

của Đại học Munich phát triển

Nguồn: Kirste,1989

Trong nhiều máy nông nghiệp tự hành của những năm 70 đến những năm

90, hệ thống truyền lực thường được sử dụng một bộ truyền động liên tục cơ khí kết hợp với một hộp số(Vahlensieck, 1999)

H

L

R

Dải tốc độ ứng với số truyền

Hình 1.19 Hệ thống truyền lực kết hợp với bộ truyền động vô cấp đai thang

Nguồn: Eichhorn, 1985

Bộ truyền động vô cấp đai thang là phương án lựa chọn phù hợp, tỷ số truyền của chúng được thay đổi thông qua sự thay đổi đường kính của các bánh đai dẫn động (hình 1.19)

Đường kính của bánh đai chủ động thay đổi nhờ hệ thống điều khiển cơ khí, điện hoặc thủy lực thông qua chương trình điều khiển của máy tính Đường kính của bánh đai bị động tự điều chỉnh thông qua lò xo nén, đồng thời tạo ra lực căng đai

Từ những ưu điểm của truyền động vô cấp đai thang trong hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ, căn cứ vào điều kiện kỹ thuật, công nghệ của Việt Nam Tác giả Bui (2007) đã phát triển mẫu máy kéo nhỏ với hệ thống truyền lực vô cấp phần tầng (hình 1.20)

Li hợp

Bánh xe Phanh

Truyền động vô

II: 3,3 – 8,2 III: 3,4 – 8,5 80.7kW(105ML)

2000v/p

Hình 1.20 Máy kéo nhỏ với hệ thống truyền lực vô cấp phân tầng

Ở mẫu máy kéo này, động cơ sử dụng có công suất từ 9 kW đến 20 kW,

hệ thống truyền lực gồm: Bộ truyền động vô cấp đai thang có tỷ số truyền từ 0,4 đến 2,5 đƣợc bố trí ngay sau động cơ; li hợp ma sát đơn nằm giữa bộ truyền động

vô cấp và hộp số, hộp số cơ khí hai số tiến và một số lùi kết hợp với bộ vi sai Sự kết hợp giữa CVT và hộp số cơ khí tạo cho máy kéo có hai dải số truyền tiến và một dải số truyền lùi Các dải tỷ số truyền này đƣợc tính toán phù hợp với dải tải trọng thay đổi khi máy kéo thực hiện canh tác và vận chuyển

1.3.2 Các nghiên cứu về điều khiển truyền động vô cấp

Các khía cạnh nghiên cứu nhằm điều khiển lực ép phù hợp vào puli để đạt đƣợc một tỷ số truyền mong muốn là một phần tất yếu của nghiên cứu CVT hơn hai thập kỷ qua Nghiên cứu để phát triển một hệ thống điều khiển lực ép CVT tối

ƣu không phải là một nhiệm vụ dễ dàng do hai mục tiêu cần phải đối diện đó là: giảm tiêu thụ nhiên liệu và các yêu cầu điều khiển puli / tốc độ thay đổi tải trọng

2200 v/p

40 Nm 9,2 kW(12,5ML)

Truyền động

vô cấp (i=0,34-2,92)