Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh xe cơ giới

1. Lý do lựa chọn đề tài MỞ ĐẦU Hiện nay, năng lượng hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt [1], để phát triển bền vững kinh tế, cũng như bảo vệ môi trường là yêu cầu cấp bách đối với mọi quốc gia. Ngày 25 tháng 11 năm 2015 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050. Do vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng, cũng như khai thác các nguồn năng lượng tái tạo đang được ưu tiên phát triển ở nước ta hiện nay [2]. Hiện nay xe chuyên dùng sử dụng thu gom chở rác ở nước ta với số lượng lớn [3], hệ thống phanh của dòng xe này đang sử dụng thường là hệ thống phanh dạng ma sát, trong quá trình phanh hãm xe, hệ thống phanh kiểu này thực hiện biến đổi động năng của xe sang nhiệt năng, tiêu tán ra môi trường xung quanh, không được thu hồi, hơn nữa do đặc điểm khai thác mà dòng xe này có tần xuất phanh dừng cao, công suất phanh lớn, dẫn đến sự lãng phí năng lượng, ngoài ra còn sản sinh ra lượng khí phát thải lớn gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên để thay thế hết các dòng xe đang lưu hành này trong điều kiện kinh tế khó khăn ở nước ta là một công việc khó khăn, do đó hướng nghiên cứu để phát triển một hệ thống phanh thu năng thủy lực trên các dòng xe chuyên dùng thu gom chở rác cần được đặt ra. Nhằm hướng đến phát triển một hệ thống phanh có khả năng khai thác, thu năng lượng động năng trên xe chuyên dùng thu gom chở rác, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh xe cơ giới” là nội dung nghiên cứu trong luận án. 2. Mục đích nghiên cứu Đề xuất cấu hình một hệ thống thủy lực có khả năng thu hồi năng lượng động năng khi phanh xe chuyên dùng thu gom rác tải trọng 2,5 tấn; Từ cấu hình đề xuất, nghiên cứu đánh giá khả năng phanh thu năng lượng động năng của hệ thống phanh như một hàm số của các thông số vận hành như: tốc độ xe theo các tay số, khối lượng xe và thông số áp suất bình áp năng thủy lực. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Xe chuyên dùng thu gom chở rác loại nhẹ sử dụng hộp số sàn có gắn hộp chia công suất. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tỉ lệ thu năng bằng hệ thống truyền động thủy lực sử dụng bình áp năng lắp kết nối với hộp chia công suất trên xe chuyên dùng thu gom chở rác loại 2,5 tấn di chuyển ở vùng đồng bằng. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm vật lý có tham khảo các kết quả nghiên cứu ở trong nước và quốc tế:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Luyện Văn Hiếu

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

THỦY LỰC KHI PHANH XE CƠ GIỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2019

i

MỤC LỤC

DANH MỤC KÍ HIỆU iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Năng lượng động năng xe cơ giới 3

1.2 Hệ thống phanh trên xe cơ giới 5

1.3 Công suất và tần suất phanh phương tiện xe cơ giới 9

1.4 Sự phát triển hệ thống phanh thu năng thủy lực trên thế giới 10

1.5 Tình hình nghiên cứu phát triển hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe cơ giới ở nước ta 14

1.6 Nghiên cứu khai thác động năng trên xe chuyên dùng ở nước ta 15

Kết luận chương 1 15

Chương 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC 17

2.1 Lựa chọn phương án xây dựng mô hình hệ thống phanh thu năng thủy lực 17

2.2 Xây dựng mô hình hệ thống thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom chở rác loại 2,5 tấn 23

2.2.1 Cấu hình hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn 23 2.2.2 Mô hình hóa quá trình phanh thu năng thủy lực 27

2.2.2.1 Động lực học trong quá trình phanh xe trên đường nằm ngang 27

2.2.2.2 Các phần từ thủy lực trên hệ thống phanh thu năng thủy lực 31

2.3 Một số phương án tái sử dụng năng lượng động năng 40

2.3.1 Phương án phanh tái sử dụng trên hệ thống chuyên dùng cơ cấu nâng hạ 40

2.3.2 Phương án lắp thêm mô tơ thủy lực 42

2.3.3 Phương án thay đổi bơm thủy lực thành cụm bơm/mô tơ kết hợp 44

2.3.4 Mô hình hóa quá trình tái sử dụng năng lượng trường hợp hỗ trợ di chuyển 48

Kết luận chương 2 55

Chương 3 KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC 56

3.1 Khảo sát quá trình phanh thu năng thủy lực 56

3.1.1 Mô phỏng quá trình phanh thu năng thủy lực xe chuyên dùng bằng chương trình Matlab - Simulink 56

3.1.2 Một số kết quả khảo sát quá trình phanh thu năng lượng động năng bằng mô hình mô phỏng 57

3.1.2.1 Khảo sát trường hợp phanh khẩn cấp và trường hợp phanh bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực 57

ii

3.1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của mức áp suất làm việc ban đầu bình tích áp năng p go

khác nhau 60

3.1.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc phanh ban đầu khác nhau 65

3.1.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xe 71

3.1.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng bơm đến phanh thu hồi năng lượng động năng 76

3.2 Khảo sát quá trình tái sử dụng năng lượng từ bình áp năng 80

3.2.1 Mô hình mô phỏng quá trình tăng tốc xe bằng chương trình Matlab - Simulink 81 3.2.2 Khảo sát quá trình tái sử dụng hỗ trợ tăng tốc xe 81

Kết luận chương 3 89

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 90

4.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 90

4.2 Phương pháp nghiên cứu, đối tượng thực nghiệm và phương pháp đo 90

4.2.1 Phương pháp nghiên cứu 90

4.2.2 Đối tượng thực nghiệm 90

4.2.3 Phương pháp đo 94

4.3 Quy trình thực nghiệm 96

4.4 Kết quả thực nghiệm 97

4.4.1 Kết quả thực nghiệm 1: Thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất làm việc ban đầu đến quá trình phanh thu năng lượng động năng 97

4.4.2 Kết quả thực nghiệm 2: Thực nghiệm phanh thu năng lượng xe theo vận tốc ban đầu phanh khác nhau theo tay số tương ứng 99

4.4.3 Kết quả thực nghiệm 3: Thực nghiệm thay đổi khối lượng xe 102

4.5 Đánh giá kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng 104

4.6 Chu kỳ phanh dừng cho mô hình thực nghiệm 104

Kết luận chương 4 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113

PHỤ LỤC 114

Phụ lục 1 Thông số kỹ thuật ô tô khảo sát 114

Phụ lục 2 Mô hình mô phỏng bằng chương trình Simulink 118

Phụ lục 3 Dữ liệu nhập từ chương trình Matlab 121

Phụ lục 4 Mạch điều khiển hệ thống phanh thu năng thủy lực 131

Phụ lục 5 Chương trình chạy trên phần mềm Arduino 131

Phụ lục 6 Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm 134

iii

DANH MỤC KÍ HIỆU

1 a Khoảng cách từ trọng tâm xe đến véc tơ phản lực Z1 m

4 b Khoảng cách từ trọng tâm xe đến véc tơ phản lực Z2 m

5 C Tỷ số truyền chung của cơ cấu phanh

22 hw Khoảng cách từ điểm đặt lực cản không khí Pw đến

28 k Hệ số đa biến của khí

29 L Khoảng cách từ điểm đặt lực véc tơ phản lực Z1 đến

iv

31 Lphmax Chu kỳ phanh lớn nhất giữa 2 lần liên tiếp m

49 Ppp Lực phanh của hệ thống phanh thu năng thủy lực đặt

53 pcr Áp suất dầu thủy lực buồng cửa ra của bơm thủy lực N/m2

54 pcv Áp suất dầu thủy lực buồng cửa vào của bơm thủy

2

55 pcrm Áp suất dầu thủy lực buồng cửa ra mô tơ thủy lực N/m2

56 pcvm Áp suất dầu thủy lực buồng cửa vào mô tơ thủy lực N/m2

59 pf Áp suất dầu thủy lực cửa vào bình tích áp thủy lực N/m2

61 Z1 Phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe

62 Z2 Phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe sau N

74 ti Vận tốc góc tại thời điểm t của chi tiết thứ i quay

75 Jqt Mô men quán tính của vật đối với trục quay của nó kgm2

77 Ji Mô men quán tính của chi tiết thứ i quay quanh trục

2

78 Jd Mô men quán tính của bánh đà và các chi tiết chuyển

2

88  Hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối chuyển

động quay của xe

90  Hiệu suất truyền động của hệ thống ruyền lực

91 mp Hiệu suất cơ khí của bơm thủy lực

92 mm Hiệu suất cơ khí của mô tơ thủy lực

vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

93 ηtcp hiệu suất truyền động từ trục thứ cấp hộp số đến bơm

thủy lực

94 vp Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực

95 vm Hiệu suất thể tích của mô tơ thủy lực

97  Hệ số tổn thất cục bộ đường dẫn dầu

98 v hệ số cản phụ thuộc vào ống, phụ thuộc vào độ đồng

đều của tiết diện chảy

101 plp Tổn thất đường ống nhánh từ bơm đến bình tích năng N/m2

102 pp Chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy với buồng vào của

2

103 pm Chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy với buồng vào của

2

1 CBED Cumulo Brake Energy Drive

2 CHD Cumulo Hydrostatic Drive

4 HDA Hydraulic Drive Assist

5 HLA Hydraulic Launch Assist

6 HPA Hydraulic Power Assist

7 HRB Hydrostatic Regenerative Braking

10 PHHV Parallel hydraulic hybrid vehicle

12 RBS Regenerative Braking system

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3 1 Bảng tổng hợp kết quả trường hợp phanh xe khẩn cấp và phanh bằng 100% hệ

thống thu năng 59

Bảng 3 2 Bảng tổng hợp kết quả trong trường thay đổi áp suất bình áp năng p go khác nhau 64

Bảng 3 3 Bảng thông số dải vận tốc và tay số xe phù hợp trên xe tham khảo 65

Bảng 3 4 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản kết quả thu năng ở vận tốc khác nhau 69

Bảng 3 5 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản trong 3 trường hợp khối lượng khác nhau 75

Bảng 3 6 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản các trường hợp lưu lượng riêng d p thay đổi 80

Bảng 3 7 Bảng tổng hợp các kết quả chính trong trường hợp tái sử dụng năng lượng 85

Bảng 3 8 Bảng tổng hợp trường hợp áp suất p ga khác nhau 88

Bảng 4 1 Các thông số cơ bản của Card Arduino Uno R3 [65] 93

Bảng 4 2 Bảng các thông số cơ bản cảm biến tiệm cận 95

Bảng 4 3 Quy hoạch thí nghiệm 96

Bảng 4 4 Bảng so sánh kết quả giá trị tỉ lệ thu năng giữa mô phỏng với thực nghiệm 104

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 1 Đồ thị quan hệ động năng (E) với khối lượng (m) và vận tốc (v) của một số xe cơ giới 4

Hình 1 2 Sơ đồ cơ cấu phanh ma sát loại tang trống (nguồn - [7]) 5

Hình 1 3 Cơ cấu phanh ma sát loại đĩa (nguồn - [8]) 5

Hình 1 4 Bình tích áp năng thủy lực 8

Hình 1 5 Biều đồ quan hệ năng lượng riêng và công suất riêng của các phương tiện tích trữ năng lượng (nguồn: [21]) 9

Hình 1 6 Quan hệ Công suất phanh và tần suất phanh ở một số xe cơ giới (nguồn: [27]) 9 Hình 1 7 Hệ thống CBED - Cumulo Brake Energy Drive (nguồn: [28]) 10

Hình 1 8 Hệ thống CHD - Cumulo Hydrostatic Drive (nguồn [16]) 11

Hình 1 9 Parker advanced series hydraulic hybrid (nguồn: [30]) 11

13 USB Universal Serial Bus

14 FTP75 Federal Test Procedure 75

viii

Hình 1 10 Sơ đồ hệ thống HLA trên xe thu gom rác của tập đoàn Eaton (nguồn [31]) 12

Hình 1 11 Sơ đồ bố trí hệ thống HRB cùng hệ thống truyền lực trên xe thu gom rác của Bosch Rexroth group (nguồn: [33]) 12

Hình 1 12 Tỉ lệ năng lượng phanh và các tổn thất năng lượng so với tổng động năng của một số chủng loại xe (nguồn: [37]) 13

Hình 2 1 Mô hình thực nghiệm hệ thống thu hồi động năng khi phanh bằng bình áp năng thủy lực đặt trong phòng thí nghiệm, khoa cơ khí động lực trường Đại học Ulsan – Hàn Quốc (nguồn: [43]) 17

Hình 2 2 Sơ đồ hệ thống trong trường hợp phanh thu năng thủy lực (nguồn: [43]) 18

Hình 2 3 Sơ đồ hệ thống trong trường hợp tái sử dụng (nguồn: [43]) 19

Hình 2 4 Sơ đồ cấu tạo điển hình hệ thống truyền lực trên ô tô chuyên dùng 19

Hình 2 5 Ảnh xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn do Công ty cổ phần công nghệ ô tô Việt Nam sản xuất lắp ráp 20

Hình 2 6 Sơ đồ điển hình hộp số sàn loại 5 cấp số tiến cùng với hộp PTO trên xe chuyên dùng 21

Hình 2 7 – Sơ đồ chi tiết hộp số sàn MT (5 số tiến+1 số lùi) cùng hộp PTO và dòng truyền công suất từ động cơ đến trục thứ cấp theo vị trí các số khác nhau (1,2,3,4,5, R) 22

Hình 2 8 Sơ đồ đường truyền năng lượng từ động cơ đến trục PTO 22

Hình 2 9 Sơ đồ dòng truyền công suất từ trục thứ cấp đến trục PTO theo vị trí tay số 1, 2, 3, 4, 5 và số lùi R 23

Hình 2 10 Sơ đồ hệ thống phanh trường hợp không hoạt động, ĐT4 ở vị trí off 24

Hình 2 11 Sơ đồ hệ thống hoạt động ở chế độ không tải, ĐT4 ở vị trí on 25

Hình 2 12 Sơ đồ hệ thống hoạt động ở chế độ phanh thu động năng 26

Hình 2 13 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh trên đường nằm ngang 27

Hình 2 14 Sơ đồ quá trình phanh bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực 28

Hình 2 15 Sơ đồ bình tích áp năng thủy khí theo các trạng thái làm việc 35

Hình 2 16 Sơ đồ phương án hệ thống thu năng thủy lực và tái sử dụng lại năng lượng vào hệ thống công tác chuyên dùng nâng hạ ben thủy lực (chế độ phanh thu năng) 40

Hình 2 17 Sơ đồ phương án hệ thống trường hợp tái sử dụng năng lượng vào cơ cấu công tác nâng ben thủy lực 41

Hình 2 18 Sơ đồ hoạt động bổ sung áp năng thủy lực từ bơm để công tác nâng ben thủy lực 41

Hình 2 19 Sơ đồ hoạt động trong trường hợp hạ ben xả dầu về thùng chứa 42

Hình 2 20 Sơ đồ hệ thống thu và tái sử dụng năng lượng động năng trên xe chuyên dùng tác giả đã đề xuất trên Hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc năm 2016 43

ix

Hình 2 21 Sơ đồ hệ thống phanh thu năng thủy lực phương án thay cụm bơm thủy lực 45

Hình 2 22 Sơ đồ hệ thống hoạt động trong trường hợp phanh thu năng thủy lực 46

Hình 2 23 Trường hợp tái sử dụng hỗ trợ di chuyển 46

Hình 2 24 Sơ đồ trường hợp hỗ trợ cơ cấu nâng ben thủy lực 47

Hình 2 25 Trường hợp bổ sung năng lượng nâng ben thủy lực 47

Hình 2 26 Trường hợp xả dầu về thùng chứa 48

Hình 2 27 Sơ đồ các thành phần lực tác dụng lên xe khi tăng tăng tốc trên đường nằm ngang 48

Hình 2 28 Sơ đồ phối trộn công suất động cơ với công suất từ bình áp năng cấp đến bánh xe 50

Hình 2 29 – Trạng thái hoạt động của bình áp năng trong quá trình xả 53

Hình 3 1 Lưu đồ tính toán các thông số trong quá trình phanh thu năng lượng động năng 56

Hình 3 2 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp 57

Hình 3 3 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp 58

Hình 3 4 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp 58

Hình 3 5 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp 58

Hình 3 6 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp 59

Hình 3 7 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp 59

Hình 3 8 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh trường hợp p go khác nhau 61

Hình 3 9 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh trường hợp p go khác nhau 61

Hình 3 10 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh trường hợp p go khác nhau 61

Hình 3 11 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp p go khác nhau 62

Hình 3 12 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp p go khác nhau 62

Hình 3 13 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp p go khác nhau 62

Hình 3 18 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác

nhau tương ứng các tay số 66

Hình 3 19 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác

nhau tương ứng các tay số 66

Hình 3 20 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh

ban đầu khác nhau tương ứng các tay số 67

Hình 3 21 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu ở vận tốc phanh ban đầu

khác nhau tương ứng các tay số 67

Hình 3 22 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh

ban đầu khác nhau tương ứng các tay số 67

Hình 3 23 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh

ban đầu khác nhau tương ứng các tay số 68

Hình 3 24 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc

phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số 68

Hình 3 25 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh thu năng ở vận

tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số 68

Hình 3 26 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh

ban đầu khác nhau tương ứng các tay số 69

Hình 3 27 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc

phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số 69

Hình 3 28 Biểu đồ giá trị tốc độ bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng trường

hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 72

Hình 3 29 Biểu đồ giá trị mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng

trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 72

Hình 3 30 Biểu đồ giá trị lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng

trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 73

Hình 3 31 Biểu đồ giá trị thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng

lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 73

xi

Hình 3 32 Biểu đồ giá trị áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu năng trường hợp

khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 73

Hình 3 33 Biểu đồ giá trị năng lượng thu được E a trong quá trình phanh thu năng lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 74

Hình 3 34 Biểu đồ miền giá vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe v o =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 74

Hình 3 35 Biểu đồ giá trị gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở v o =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 74

Hình 3 36 Biểu đồ giá trị mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở v o =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 75

Hình 3 37 Biểu đồ giá trị quãng đường phanh trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở v o =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg 75

Hình 3 38 Biểu đồ tốc độ bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng d p khác nhau 76

Hình 3 39 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng d p khác nhau 77

Hình 3 40 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng riêng d p khác nhau 77

Hình 3 41 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng d p khác nhau 77

Hình 3 42 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng riêng d p khác nhau 78

Hình 3 43 Biểu đồ năng lượng thu được E a trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp khác nhau 78

Hình 3 44 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng d p khác nhau 78

Hình 3 45 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng d p khác nhau 79

Hình 3 46 Biểu đồ quãng đường phanh trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng d p khác nhau 79

Hình 3 47 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng riêng d p khác nhau 79

Hình 3 48 Lưu đồ qui trình tính toán quá trình tái sử dụng năng lượng 81

Hình 3 49 Biểu đồ vận tốc xe trường hợp d m khác nhau 82

Hình 3 50 Biểu đồ gia tốc xe trường hợp d m khác nhau 82

Hình 3 51 Biểu đồ quãng đường di chuyển xe trường hợp d m khác nhau 83

xii

Hình 3 52 Biểu đồ áp suất bình áp năng trường hợp d m khác nhau 83

Hình 3 53 Biểu đồ mô men mô tơ thủy lực trường hợp d m khác nhau 83

Hình 3 54 Biểu đồ tốc độ mô tơ thủy lực trường hợp d m khác nhau 84

Hình 3 55 Biểu đồ tốc lực kéo trường hợp d m khác nhau 84

Hình 3 56 Biểu đồ thể tích dầu cung cấp cho mô tơ thủy lực trường hợp d m khác nhau 84

Hình 3 57 Biểu đồ vận tốc xe trường hợp p ga khác nhau 86

Hình 3 58 Biểu đồ gia tốc xe trường hợp p ga khác nhau 86

Hình 3 59 Biểu đồ quãng đường di chuyển xe trường hợp p ga khác nhau 86

Hình 3 60 Biểu đồ áp suất bình áp năng trường hợp p ga khác nhau 87

Hình 3 61 Biểu đồ mô men mô tơ trường hợp p ga khác nhau 87

Hình 3 62 Biểu đồ tốc độ mô tơ trường hợp p ga khác nhau 87

Hình 3 63 Biểu đồ lực kéo trường hợp p ga khác nhau 88

Hình 3 64 Biểu đồ thể tích dầu cung cấp cho mô tơ thủy lực trường hợp p ga khác nhau 88

Hình 4 1 Xe chuyên dùng thu gom chở rác 2,5 tấn làm sử dụng mô hình nghiên cứu 91

Hình 4 2 Ảnh bơm bánh răng thủy lực trên xe 92

Hình 4 3 Ảnh van thủy lực điều khiển 92

Hình 4 4 Ảnh thiết bị đồ hồ đo áp suất, cảm biến thủy lực và công tắc áp suất trên hệ thống 92

Hình 4 5 Ảnh thùng chứa dầu thủy lực và nguồn điện ắc quy 92

Hình 4 6 Ảnh bộ điều khiển sử dụng mạch Arduino Uno R3 gắn trên ca bin xe 93

Hình 4 7 Lưu đồ thuật toán điều khiển mô hình hệ thống thu năng thủy lực 94

Hình 4 8 Sơ đồ cấu trúc đo vận tốc xe trên mô hình thí nghiệm xe chuyên dùng 94

Hình 4 9 Sơ đồ cấu trúc đo áp suất bình áp năng thủy khí trên mô hình thí nghiệm xe chuyên dùng 95

Hình 4 10 Biểu đồ quá trình giảm tốc độ trong quá trình phanh xe thu năng lượng xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức p go khác nhau 97

Hình 4 11 Biểu đồ áp suất bình áp năng thủy khí trong quá trình phanh xe thu năng lượng với vận tốc phanh ban đầu v o =30km/h, xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức p go khác nhau 97

Hình 4 12 Biểu đồ thể tích dầu thu được trong quá trình phanh xe thu năng lượng với vận tốc phanh ban đầu v o =30km/h, xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức p go khác nhau 98

Hình 4 13 Biểu đồ tỉ lệ thu năng trong quá trình phanh xe thu năng lượng với vận tốc phanh ban đầu v o =30km/h, xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức p go khác nhau 98

Hình 4 14 Biểu đồ áp suất bình áp năng thủy khí trong quá trình phanh xe thu năng lượng theo tay số và vận tốc phanh ban đầu v o tương ứng, áp suất p go = 85(bar) 99

xiii

Hình 4 15 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng theo tay số và vận tốc

phanh ban đầu v o tương ứng, áp suất p go = 85(bar) 100

Hình 4 16 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng thủy khí theo các

tay số và vận tốc phanh ban đầu v o tương ứng 100

Hình 4 17 Biểu đồ năng lượng thu được E amax và tỉ lệ thu năng α (%) theo động năng E v (J)

ở v o ban đầu tương ứng 101

Hình 4 18 Biểu vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng ở 2 trường hợp khối lượng

khác nhau 102

Hình 4 19 Biểu đồ năng lượng thu được E amax và tỉ lệ thu năng α (%) theo động năng E v (J)

ở v o ban đầu tương ứng 102

Hình 4 20 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng thủy khí theo

trường hợp khối lượng xe thay đổi 103

Hình 4 21 Biểu đồ năng lượng thu được E amax và tỉ lệ thu năng α (%) ở các trường hợp thay đổi khối lượng xe 103

mà dòng xe này có tần xuất phanh dừng cao, công suất phanh lớn, dẫn đến sự lãng phí năng lượng, ngoài ra còn sản sinh ra lượng khí phát thải lớn gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên để thay thế hết các dòng xe đang lưu hành này trong điều kiện kinh tế khó khăn ở nước ta là một công việc khó khăn, do đó hướng nghiên cứu để phát triển một hệ thống phanh thu năng thủy lực trên các dòng xe chuyên dùng thu gom chở rác cần được đặt ra

Nhằm hướng đến phát triển một hệ thống phanh có khả năng khai thác, thu năng lượng

động năng trên xe chuyên dùng thu gom chở rác, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh

xe cơ giới” là nội dung nghiên cứu trong luận án

2 Mục đích nghiên cứu

Đề xuất cấu hình một hệ thống thủy lực có khả năng thu hồi năng lượng động năng khi phanh xe chuyên dùng thu gom rác tải trọng 2,5 tấn;

Từ cấu hình đề xuất, nghiên cứu đánh giá khả năng phanh thu năng lượng động năng của hệ thống phanh như một hàm số của các thông số vận hành như: tốc độ xe theo các tay số, khối lượng xe và thông số áp suất bình áp năng thủy lực

3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Xe chuyên dùng thu gom chở rác loại nhẹ sử dụng hộp số sàn có gắn hộp chia công suất

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tỉ lệ thu năng bằng hệ thống truyền động thủy lực sử dụng bình áp năng lắp kết nối với hộp chia công suất trên xe chuyên dùng thu gom chở rác loại 2,5 tấn di chuyển ở vùng đồng bằng

Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm vật lý có tham khảo các kết quả nghiên cứu ở trong nước và quốc tế:

2

+ Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình lý thuyết phù hợp với môi trường Matlab-Simulink được xây dựng để khảo sát, nghiên cứu các đặc tính của xe và hệ thống, tính toán và lựa chọn phần tử hệ thống phanh thu năng thủy lực

+ Nghiên cứu thực nghiệm: Hệ thống được thiết kế, lựa chọn, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm Các đặc tính được đánh giá và so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án đã vận dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để chỉ rõ cụ thể phương pháp phanh thu năng lượng động năng trong quá trình phanh xe chuyên dùng thu gom rác bằng hệ thống truyền động thủy lực, năng lượng thu được tích trữ vào bình áp năng thủy lực, năng lượng thu sẽ được tái sử dụng trên chính phương tiện xe đó

Công nghệ phanh thu năng lượng động năng xe cơ giới ngày càng được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước, tuy nhiên ở nước ta nghiên cứu về công nghệ này còn hạn chế, do đó nội dung nghiên cứu của luận án góp phần vào kho nguồn tài liệu bổ trợ cho các nhà sản xuất xe chuyên dùng ở nước ta, thúc đẩy sự phát triển hệ thống phanh thu động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực sử dụng bình áp năng thủy lực lắp trên dòng xe chuyên dùng thu gom rác

5 Các điểm mới của luận án đạt được

➢ Đề xuất được cấu hình hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên xe chuyên dùng thu gom chở rác tải trọng 2,5 tấn;

➢ Thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn;

➢ Đánh giá tỉ lệ thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn theo chế độ vận hành xe như: thay đổi tay số truyền - vận tốc xe, áp suất bình áp năng thủy lực và khối lượng xe

➢ Có thể vận dụng khai thác động năng bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực kết nối với hộp chia công suất trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn và dòng xe chuyên dùng có tính năng tương đương

6 Cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm:

MỞ ĐẦU

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC

Chương 3 KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Năng lượng động năng xe cơ giới

Tập đoàn dầu khí BP của Anh đánh giá [1] với tốc độ khai thác dầu mỏ như năm 2016 thì trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ còn đủ để khai thác trong khoảng thời gian 50 năm nữa, điều này cảnh báo chúng ta về sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và nhân loại phải khẩn chương tìm và tận dụng cũng như khai thác các nguồn năng lượng khác thay thế để tồn tại và phát triển bền vững

Việc tận dụng khai thác năng lượng động năng ở các vật chuyển động đã, đang và sẽ là một vấn đề được nghiên cứu rộng rãi

Động năng của một vật là năng lượng mà nó có được từ chuyển động của nó, động năng cũng được định nghĩa là công cần thực hiện để gia tốc một vật với khối lượng cho trước từ trạng thái nghỉ tới vận tốc hiện thời của nó, sau khi đạt được năng lượng này bởi gia tốc của

nó, vật sẽ duy trì động năng này trừ khi tốc độ của nó thay đổi [4]

Theo lý thuyết cơ học cổ điển đã chỉ ra động năng là một đại lượng vô hướng và được xác định như sau [4]:

Đối với vật chuyển động tịnh tiến động năng được xác định bởi phương trình:

2 kt

m.v E

2

Trong đó:

Ekt – động năng của vật chuyển động tịnh tiến (J)

m – khối lượng của vật (kg)

v – vận tốc của vật (m/s)

Đối với vật chuyển động quay động năng được xác định:

2 qt kq

J E

2



Trong đó:

Jqt – mô men quán tính của vật chuyển động quay (kgm2)

 - vận tốc góc của vật đang chuyển động quay (rad/s)

Nếu vật chuyển động cả tịnh tiến và quay thì động năng được xác định:

E = Ekt+ Ekq (1.3)

4

Như vậy, xung quang ta các phương tiện giao thông vận tải trong quá trình di chuyển xem ra luôn có động năng đáng kể?

Hình 1 1 Đồ thị quan hệ động năng (E) với khối lượng (m) và vận tốc (v) của một số xe cơ giới

Nếu coi mỗi phương tiện xe cơ giới là một vật chuyển động tịnh tiến, ta có thể xây dựng được biểu đồ động năng ở một số loại xe với khối lượng khác nhau và vận tốc khác nhau theo như Hình 1.1 Nhận thấy với mỗi dòng xe trong quá trình di chuyển đều có được một nguồn năng lượng ở một vận tốc nhất định: Động năng của xe thu gom rác với khối lượng 14000kg

có nguồn năng lượng lớn Ekt  1350kJ khi di chuyển ở vận tốc 50km/h, loại xe buýt với khối lượng 8500 kg có nguồn năng lượng Ekt1180kJ ở vận tốc 60km/h, loại xe tải khối lượng 5000kg có năng lượng động năng Ekt  694kJ ở vận tốc 60km/h, loại xe con khối lượng 1600kg

có năng lượng động năng Ekt  395kJ ở vận tốc 80km/h và loại xe mô tô khối 300kg có nguồn

E  41kJ ở vận tốc 60km/h Với số lượng phương tiện xe cơ giới hiện đang lưu hành ở nước

ta là hơn 2,5 triệu [3], cùng hàng triệu xe máy [5] thì đây là nguồn năng lượng lớn

Chính vì nguồn năng lượng tiềm năng này mà nghiên cứu thu hồi năng lượng động năng

để tái sử dụng đã và đang là đề tài thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và các nhà sản xuất phương tiện xe cơ giới hiện nay

5

1.2 Hệ thống phanh trên xe cơ giới

Như đã biết muốn giảm vận tốc xe ta phải giảm động năng của xe, bộ phận có nhiệm vụ biến đổi phần lớn động năng của xe chính là hệ thống phanh Nếu xét theo yếu tố thu năng lượng thì hệ thống phanh trên xe có thể chia thành 2 loại chính sau:

- Hệ thống phanh thường

- Hệ thống phanh tái sinh

1.2.1 Hệ thống phanh thường

Hệ thống phanh thường là hệ thống phanh ma sát lắp trên các phương tiện xe cơ giới,

hệ thống sử dụng các tấm ma sát gắn ở các cơ cấu phanh để phanh hãm hay dừng đỗ xe [6],

điển hình như hệ thống phanh sử dụng cơ cấu phanh loại phanh tang trống ví dụ như trên Hình

1.2 và phanh loại đĩa ví dụ như trên Hình 1.3

Đối với hệ thống phanh sử dụng cơ cấu phanh ma sát loại tang trống hay cơ cấu phanh

ma sát loại đĩa, trong quá trình giảm tốc xe cơ cấu phanh loại này có nhiệm vụ biến đổi năng lượng động năng thành nhiệt năng [6], nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh cơ cấu phanh

Do vậy đối với xe cơ giới nếu chỉ sử dụng hệ thống phanh dạng này thì năng lượng động năng đang bị lãng phí

Hình 1 2 Sơ đồ cơ cấu phanh ma sát loại tang trống (nguồn - [7])

2- Guốc phanh; 4-Má phanh; 5-Lò xo hồi vị; 6-Xi lanh phanh; 7-Gối tỳ; 8- Van xả e; 9-Trống

phanh; 10 -Thanh néo; 11- lò xo giữ; 12- Đường dầu phanh

Hình 1 3 Cơ cấu phanh ma sát loại đĩa (nguồn - [8])

6

1.2.2 Hệ thống phanh thu năng lượng động năng

Hệ thống phanh thu năng lượng động năng, còn gọi là hệ thống phanh tái sinh - Regenerative Braking System (BRS) [9] [10] được hiểu là hệ thống phanh thay vì biến đổi động năng thành nhiệt năng thì hệ thống phanh này có khả năng thu và tích trữ năng lượng Theo phương pháp chuyển đổi và tích trữ năng lượng thu được chúng ta có thể có các

hệ thống phanh tái sinh như sau:

- Hệ thống phanh biến đổi động năng sang điện năng;

- Hệ thống phanh biến đổi động năng xe sang động năng dạng chuyển động quay bánh đà;

- Hệ thống phanh biến đổi động năng sang thế năng đàn hồi của lò xo;

- Hệ thống phanh biến đổi động năng sang áp năng thủy lực

Với phương tiện xe cơ giới nếu được sử dụng hệ thống phanh loại này, có một số ưu và nhược điểm như sau:

➢ Ưu điểm của hệ thống phanh tái sinh

- Tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu trên phương tiện [11] [10] [12] Vì năng lượng động năng của xe được thu lại, sau đó có thể tái sử dụng lại cho xe, do đó nó góp phần làm giảm phụ thuộc vào năng lượng từ nhiên liệu trên xe, giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu

- Giảm sự hao mòn ở động cơ [10] [11] Vì xe sử dụng thêm năng lượng từ nguồn tích trữ thu được trong quá trình phanh thu năng, do đó xe giảm sự phụ thuộc vào năng lượng nhận

từ động cơ, làm giảm sự làm việc của động cơ qua đó góp phần làm giảm sự hao mòn ở động

cơ, góp phần tăng tuổi thọ động cơ

- Trong trường hợp trên xe lắp đặt cả hệ thống phanh thường và phanh tái sinh, nó giúp giảm được sự hao mòn trên hệ thống phanh thường [11] [10], giảm chi phí sửa chữa thay thế chi tiết má phanh, tăng tuổi thọ của hệ thống phanh thường trên ô tô Vì sử dụng hệ thống phanh tái sinh trong quá trình phanh, do đó hệ thống phanh thường trên xe sẽ được giảm tần suất sử dụng, qua đó làm kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh thường, giảm chi phí thay thế sửa chữa má phanh

- Giảm phát thải từ động cơ, do giảm hoạt động tăng tốc của động cơ và giảm tổng thời gian làm việc của động cơ [11] Do trên xe sử dụng thêm nguồn năng lượng thu được từ quá trình phanh tái sinh do đó nguồn năng lượng cung cấp từ động cơ sẽ được giảm, mặt khác trong quá trình phối trộn công suất từ nguồn động cơ đốt trong và nguồn năng lượng tích trữ,

có thể tối ưu [13] quá trình phối trộn hai nguồn năng lượng này để đảm bảo cho động cơ hoạt

7

động hiệu quả nhất trong vùng hoạt động để có lượng phát khí thải thấp nhất Vì vậy sử dụng

hệ thống phanh tái sinh góp phần giảm phát thải từ động cơ

➢ Nhược điểm của hệ thống phanh tái sinh

So với xe chỉ sử dụng hệ thống phanh thường thì xe sử dụng hệ thống phanh tái sinh có một số nhược điểm như sau:

- Yêu cầu cao về công nghệ, giá thành cao hơn [10] Để chế tạo hệ thống phanh tái sinh đòi hỏi cao về công nghệ vì vậy mà giá thành đầu tư ban đầu trên xe loại này hiện còn cao và chưa phổ biến, tuy nhiên do nhu cầu sử dụng cao vì vậy nhược điểm này sẽ trở thành động lực thúc đẩy nền sản xuất công nghiệp;

- Tăng khối lượng xe [10], trong trường hợp hệ thống phanh tái sinh phát triển cải tiến trên xe có sẵn, nên khối lượng xe có thể tăng, tuy nhiên tỉ lệ tăng không nhiều, mặt khác nếu

hệ thống phanh này được phát triển đồng bộ cùng với các hệ thống khác trên xe thì nhược điểm này sẽ được khắc phục

1.2.2.1 Hệ thống phanh biến động năng thành điện năng

Hệ thống phanh tái sinh loại này sử dụng ắc qui điện hay pin điện [14] [15] ở hệ thống này khi phanh hãm xe, động năng của xe được chuyển sang dùng để hoạt động máy phát điện, trong quá trình phanh hãm xe khi đó điện năng được tạo ra, điện năng được tích trữ ở ắc qui điện hay pin điện, khi tái sử dụng lại thì điện năng được dùng để chạy mô tơ điện hay các thiết

bị điện trên xe, hiện nay loại phanh này cũng đã và đang phát triển, nó thường được sử dụng trên các dòng xe lai điện Hybrid electric vehicle (HEV) [14] [16] [15] [17]

Ưu điểm của hệ thống phanh loại này là tạo ra năng lượng điện năng, loại năng lượng

có mục đích sử dụng khá đa dạng vì trên xe có nhiều thiết bị điện được sử dụng, tuy nhiên hạn chế của loại này là do công suất riêng tích trữ bằng ắc quy thấp hơn so với bình áp năng thủy lực do vậy phạm vi ứng dụng bị hạn chế ở phương tiện có tải trọng lớn, công suất phanh lớn, mặt khác công nghệ này có độ phức tạp cao [10], trong trường hợp sử dụng pin loại tụ điện mặc dù công suất riêng có tăng lên, tuy nhiên giá thành loại này đắt hơn nhiều loại khác

1.2.2.2 Hệ thống phanh chuyển động năng sang động năng chuyển động quay

Hệ thống phanh tái sinh sử dụng bánh đà, trong phương pháp này khi phanh hãm động năng của xe cơ giới, động năng được chuyển sang tích trữ ở dạng động năng chuyển động quay của bánh đà, khi tái sử dụng thì động năng chuyển động quay của bánh đà lại được chuyển sang động năng hỗ trợ di chuyển xe Hệ thống phanh loại này, điển hình có công nghệ

hệ thống thu năng lượng động năng bằng bánh đà của hãng Volvo (Thụy Điển) – Flywheel kinetic energy recovery system (Flywheel-KERS) [18] [19] [20] Hệ thống phanh dạng này

đã được ứng dụng trên xe đua công thức 1 [18] [19]

8

Ưu điểm của hệ thống phanh dạng này, thuộc nhóm có năng lượng riêng và công suất riêng cao [21]

Nhược điểm của hệ thống phanh loại này, yêu cầu cao về công nghệ chế tạo, mặt khác

để điều chỉnh quan hệ vận tốc góc của bánh đà và tốc độ trong quá trình phanh cho phù hợp thì hệ thống đã sử dụng cụm biến tốc cũng đòi hỏi yêu cầu cao về công nghệ chế tạo

1.2.2.3 Hệ thống phanh biến động năng sang thế năng đàn hồi của lò xo

Hệ thống phanh tái sinh sử dụng lò xo [10] [22] trong phương pháp này khi phanh hãm

sử dụng lò xo dạng lá, động năng của xe được chuyển sang thế năng đàn hồi của lò xo, để tái

sử dụng thì thế năng của lò xo được giải phóng và chuyển sang động năng cho xe di chuyển, nhược điểm của hệ thống loại này là khả năng tích trữ năng lượng thấp [10], công nghệ này đến nay chưa được áp dụng trên xe ô tô

1.2.2.4 Hệ thống phanh biến động năng thành áp năng thủy lực

Hệ thống phanh tái sinh sử dụng bình tích áp thủy lực, theo phương pháp tích áp năng thủy lực có các loại như (Hình 1.4): Loại bình tích áp sử dụng bóng khí (chủ yếu là khí ni tơ [23]), loại bình tích áp năng sử dụng piston - lò xo và loại bình tích áp sử dụng tải đối trọng

Do đặc điểm của phân tử khí ni tơ trong điều kiện áp suất khí quyển là khí trơ [24], do vậy trong điều kiện sử dụng này, bình tích áp năng thủy lực bóng khí ni tơ thường được sử dụng hơn

Hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực sử dụng bình tích áp năng thủy lực bóng khí, sau đây luận án gọi tắt là hệ thống phanh thu năng thủy lực

Hình 1 4 Bình tích áp năng thủy lực

(a – loại sử dụng bóng khí; b -loại sử dụng lò xo; c- loại sử dụng chất tải)

Hiện nay, hệ thống phanh thu năng thủy lực thường được tích hợp trên các xe lai thủy lực

- Hybrid Hydraulic Vehicle (HHV), xe lai thủy lực là kiểu xe sử dụng nguồn động lực kết hợp năng lượng động cơ đốt trong và năng lượng áp năng thủy lực [25]

9

Ngoài những ưu nhược điểm của hệ thống phanh tái sinh nói chung, so với phanh tái sinh loại tích trữ bằng điện hay bằng bánh đà thì loại này có giá thành thấp hơn, cấu tạo đơn giản hơn [10]

Hệ thống phanh loại này sử dụng bình áp năng thủy lực, là loại có mật độ công suất hay công suất riêng lớn [21] [26], do vậy loại này có khả năng áp dụng được trên nhiều dòng xe, đặc biệt là các dòng xe có công suất phanh lớn

Hình 1 5 Biều đồ quan hệ năng lượng riêng và công suất riêng của các phương tiện tích trữ năng

lượng (nguồn: [21])

1.3 Công suất và tần suất phanh phương tiện xe cơ giới

Hình 1 6 Quan hệ Công suất phanh và tần suất phanh ở một số xe cơ giới (nguồn: [27])

10

Như ta đã biết về tiềm năng khai thác nguồn năng lượng động năng trên xe cơ giới, tuy nhiên với mỗi loại xe có phạm vi khai thác sử dụng hay đặc điểm vận hành là khác nhau, các đặc điểm này thể hiện cơ bản là tần suất phanh và công suất phanh của phương tiện xe cơ giới

Từ hình 1.6 chỉ ra rằng dòng xe thu gom chở rác là loại xe có tần xuất phanh dừng cao nhất, công suất phanh cao nhất; Xe nâng, xe gom chuyển cạp hàng, xe buýt và xe thang sửa đường

là những loại xe có tần xuất phanh cao, công suất phanh ở mức cao; Xe tải mặc dù thuộc nhóm

có tần suất phanh thấp nhưng cũng thuộc dòng xe có công suất phanh cao; xe ô tô con mặc dù

có tần xuất phanh dừng lớn hơn xe tải nhưng lại là dòng xe có công suất phanh dừng thấp nhất

Do đó đối với các dòng xe có công suất phanh cao ta nên ứng dụng hệ thống phanh thu năng thủy lực để khai thác năng lượng động năng trong quá trình phanh xe

1.4 Sự phát triển hệ thống phanh thu năng thủy lực trên thế giới

Năm 1982, mô hình truyền động năng lượng phanh Cumulo - Cumulo Brake Energy

Drive (CBED) (hình 1.7) đã được giới thiệu bởi tập đoàn Parker (Mỹ) [28]

Hình 1 7 Hệ thống CBED - Cumulo Brake Energy Drive (nguồn: [28])

(kiểu truyền động mắc song song); 1,2 – Bàn đạp ga, bàn đạp phanh; 3,4,5-đường truyền điều khiển đến động cơ, ly hợp, van thủy lực; A – Bơm/mô tơ thủy lưc và van thủy lực; B- Hộp bánh răng; C-

Bình áp cao; D-Thùng chứa dầu thủy lực; E – Hộp điều khiển

Hệ thống CBED dùng để thu hồi và tái sử dụng năng lượng động năng, hệ thống này sử dụng truyền động thủy lực và mắc song với đường truyền công suất của xe, đây cũng chính là một dạng truyền động trên xe lai thủy lực loại song song - Parallel hydraulic hybrid vehicle (PHHV) sử dụng hệ thống phanh này có thể tiết kiệm đến 10-25% [28] mức tiêu thụ nhiên liệu so với xe thường (xe không sử dụng công nghệ CBED)

Năm 1993, tập đoàn Parker giới thiệu mô hình truyền động Cumulo thứ hai là truyền

động Cumulo Hydrostatic Drive - CHD (Hình 1.8) [28]

11

Đây là một hệ thống truyền động thủy lực mắc nối tiếp kết nối giữa động cơ với hệ thống

di chuyển của xe, nó thay thế hoàn toàn dạng truyền lực cơ khí thông thường, đây cũng chính

là một dạng truyền động trên xe lai thủy lực loại nối tiếp – Serial hydraulic hybrid vehicle (SHHV) ngoài chức năng truyền lực để xe di chuyển, hệ thống còn có khả năng thu năng lượng trong quá trình phanh và tái sử dụng lại Hệ thống CHD có khả năng thu hồi năng lượng hiệu quả, tiết kiệm đến 20-40% lượng tiêu thụ nhiên liệu [28] [29] so với xe thường

Hình 1 8 Hệ thống CHD - Cumulo Hydrostatic Drive (nguồn [16])

Cấu tạo chung: 1-Bơm thủy lực; 2- Bình chứa dầu áp thấp; 3- Động cơ/bơm thủy lực- 4- Bình

áp dầu áp cao; 5- Bộ điều khiển hệ thống; 6 - Động cơ của xe; 7 – Cầu chủ động; 8-Bộ phận làm

mát dầu

Sau đó tập đoàn Parker phát triển dòng xe lai thủy lực truyền động hỗn hợp - Parker Advanced Series Hydraulic Hybrid, sử dụng hệ thống này trên dòng xe lai có khả năng tiết kiệm đến 35-50% lượng tiêu thụ nhiên liệu [30] so với xe thường Đây là một dạng truyền động hỗn hợp kết hợp cả dạng truyền động song song và truyền động nối tiếp - Power Split Hydraulic Hybrid Vehicle (PSHHV), hệ thống phanh thu năng thủy lực đã được tích hợp trên

hệ thống này

Hình 1 9 Parker advanced series hydraulic hybrid (nguồn: [30])

1- Cụm bơm/ mô tơ thủy lực; 2- Cụm động cơ/bơm thủy lực; 3- Cụm van điều khiển; 4- Bình thấp áp; 5- Bình cao áp; 6- ly hợp; 7- Động cơ; 8,9 – Hộp bánh răng; 10- Cầu và bánh xe

chủ động

12

Năm 2002 tập đoàn Eaton đã nghiên cứu và phát triển một sản phẩm, gọi là Hệ thống

hỗ trợ phóng thủy lực - Hydraulic Launch Assist (HLA) [31] [32], hệ thống này cũng đã sử dụng dạng truyền động thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng động năng và tái sử dụng lại, hệ thống này đã được sử dụng trên dòng sản phẩm xe lai thủy lực thu gom rác (hình

1.10), giúp tiết kiệm 15 ÷ 30% [31] lượng nhiên liệu tiêu thụ so với xe thường

Hình 1 10 Sơ đồ hệ thống HLA trên xe thu gom rác của tập đoàn Eaton (nguồn [31])

Tháng 9/2008 tại cuộc triển lãm thương mại về công nghệ xe thế giới, tập đoàn Bosch Rexroth (Đức) giới thiệu trước công chúng sản phẩm xe lai thủy lực - Hydraulic hybrid vehicle

- HHV sử dụng thu gom chở rác

Hình 1 11 Sơ đồ bố trí hệ thống HRB cùng hệ thống truyền lực trên xe thu gom rác của Bosch

Rexroth group (nguồn: [33]) 1-Cụm bơm/mô tơ thủy lực; 2-cụm kết nối cơ khí (hộp bánh răng); 3- cụm van điều khiển; 4- Thùng chứa dầu; 5- Bình áp năng thủy lực; 6 – Bộ điều khiển; 7 -Bàn đạp chân phanh

13

Trên xe thu gom rác loại lớn của tập đoàn Bosch Rexroth được lắp đặt hệ thống phanh

tái sinh thủy lực - Hydraulic regenerative braking system (HRBS) (Hình 1.14), đã thử nghiệm

thành công ở hơn 10 thành phố ở Đức và ở Mỹ [25], hệ thống này giúp xe giảm mức tiêu hao nhiên liệu đến 25% [34] so với xe thường

Năm 2011, công ty Innovative Transport Solutions Pty Ltd, Australia giới thiệu hệ thống có liên quan đến hệ thống phanh thu năng thủy lực, đặt tên là Hydraulic Drive Assist (HDA), đã ứng dụng trên một số mẫu xe như: xe thu gom rác, xe bus Với hệ thống HDA lắp trên xe thu gom rác, giúp cho xe giảm đến 25% [35] mức tiêu hao nhiên liệu so với xe thường

Để phản ánh cụ thể hiệu quả thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực ta có thể sử dụng thông số tỉ lệ thu năng theo chu trình ct, thông số này được xác định như sau [36]:

n ai

Eai – năng lượng thu được ở lần phanh thứ i [J]

Evi –động năng xe ở vận tốc bắt đầu phanh lần phanh thứ i [J]

Eui –động năng xe ở vận tốc kết thúc phanh lần phanh thứ i [J]

Hệ số ct sử dụng để đánh giá hiệu quả thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực thực hiện theo chu trình thử, theo [37] tỉ lệ năng lượng phanh ở một số phương tiện xe được thể hiện như hình 1.12 dưới đây

Hình 1 12 Tỉ lệ năng lượng phanh và các tổn thất năng lượng so với tổng động năng của một số

Bus (Xe buýt)

Refuse (Xe chở rác)

Class 8 (Xe đầu kéo) Phanh Gió Cản lăn

14

Hình 1.12 đã chỉ ra tỉ lệ năng lượng phanh với động năng của một số chủng loại xe, nếu hiệu suất của hệ thống truyền động thủy lực đạt 80% theo [37] thì tỉ lệ thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực có thể đạt được ở các loại xe như: xe bưu phẩm đạt tỉ lệ thu  ct = 80%*50% =40%; xe buýt ct = 80%*65% =52%; xe chở rác đạt  ct = 80%*59% = 47,2% và

xe đầu kéo đạt tỉ lệ thu thấp nhất ct = 80%*18% = 14,4%

1.5 Tình hình nghiên cứu phát triển hệ thống phanh thu năng thủy lực trên

xe cơ giới ở nước ta

Cho đến nay, ở nước ta các công trình nghiên cứu về hệ thống phanh thu năng thủy lực còn hạn chế, đối với hệ thống phanh thu năng lượng động năng nói chung, đã có một số công trình đề cập đến, điển hình như:

Tại Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 6 năm 2008 tại Đại học Đà Nẵng, nhóm tác giả: Phạm Văn Dương, Lê Văn Tụy, Phạm Quốc Thái, Đại Học Bách Khoa - Đại

Học Đà Nẵng đã trình bày “Thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng tận dụng quán tính cho ô tô

hybrid bốn chỗ” [38] Nhóm tác giả đã trình bày thiết kế một hệ thống thu năng lượng động năng của xe được chuyển đổi và tích trữ vào động năng quay của bánh đà, từ động năng chuyển động quay của bánh đà, hệ thống tiếp tục biến đổi để chuyển sang điện năng

Tại hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - lần thứ IV năm 2015, nhóm tác giả: Dương Tuấn Tùng, Đỗ Văn Dũng, Nguyễn Trường Thịnh, Huỳnh Hữu Phúc -Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM và Công Ty VMEP Việt Nam đã giới thiệu “Một nghiên cứu thực nghiệm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh áp dụng cho xe ô tô có kiểu hệ thống truyền lực truyền thống” [39] Nhóm tác giả đã trình bày về một mô hình thực nghiệm hệ thống phanh tái tạo năng lượng lắp trên hệ thống truyền lực truyền thống, mô hình hệ thống

có khả năng biến động năng thành điện năng

Tại hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc 7/2016, TS Trương Văn Thuận [40] đã đăng bài báo: “Một số kết quả nghiên cứu về xe lai thủy lực song song và xu hướng tương lai” nội dung công trình tác giả đã giới thiệu về mô hình xe lai thủy lực song song bằng phương pháp số, đã

mô phỏng hoạt động xe trên chu trình thử FTP75 [41], kết quả mô phỏng đã cho thấy xe lai thủy lực song song hạng nhẹ (1,6 tấn) có thể tiết kiệm được 22.39% nhiên liệu so với xe chuyền thống; Tác giả cũng đã dự báo xu hướng phát triển của dòng xe lai thủy lực

Trên trang web ngày 22/5/2017 http://thuylucducanh.vn có đăng bài báo “Hệ thống truyền động thủy lực – hybrid” [42] nội dung bài báo đã giới thiệu về công nghệ xe lai thủy lực – động cơ đốt trong

Những nghiên cứu kể trên đã phản ánh hệ thống phanh biến động năng thành điện năng

đã được nghiên cứu thực nghiệm, tuy nhiên đối với nghiên cứu về hệ thống phanh thu năng

15

thủy lực ở nước ta còn khiêm tốn, đặc biệt chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm nào công bố về khả năng thu năng lượng động năng bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực

1.6 Nghiên cứu khai thác động năng trên xe chuyên dùng ở nước ta

Hiện nay, ở nước ta số lượng xe chuyên dùng chỉ sử dụng hê thống phanh ma sát như

xe thu gom rác đang lưu hành với số lượng nhiều [3], do đặc điểm vận hành dòng xe này phải phanh dừng để nhận rác tại các điểm tập kết trên cung đường di chuyển, vì vậy dòng xe này thường có mức tiêu hao nhiên liệu cao, đồng nghĩa với lượng khí phát thải lớn ra môi trường xung quanh Để thay thế hết số lượng phương tiện xe này bằng các dòng xe áp dụng công nghệ phanh tái sinh để giảm ô nhiễm, đây là một bài toán khó với nền kinh tế ở nước ta

Do đó với tình hình thực tế kể trên thì nghiên cứu thử nghiệm mô hình hệ thống phanh thu năng thủy lực trên phương tiện xe chuyên dùng thu gom rác sẽ nhằm giải quyết được vấn

đề như sau:

- Nghiên cứu khả năng thu năng bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực trên các dòng

xe chuyên dùng thu gom rác, từ đó làm cơ sở để phát triển một hệ thống thu năng thủy lực trên các dòng xe chuyên dùng

- Sử dụng làm mô hình phục vụ nghiên cứu các đặc tính liên quan đến xe và hệ thống phanh thu năng thủy lực, qua đó từng bước tiếp cận, làm chủ công nghệ và tiến đến phát triển sản phẩm hệ thống phanh thu năng thủy lực trên nhiều đối tượng

Kết luận chương 1

Qua nội dung đã trình bày trên đây, ta nhận xét phần tổng quan như sau:

1) Đã làm rõ hơn về một nguồn khai thác năng lượng động năng, hiện đang bị lãng phí trên các phương tiện giao thông sử dụng loại phanh ma sát để biến động năng sang nhiệt năng trong quá trình di chuyển;

2) Đã chỉ ra sự cấp thiết phải nghiên cứu và phát triển hệ thống phanh tái sinh nói chung

và hệ thống phanh thu năng lượng bằng áp năng thủy lực nói riêng để có thể khai thác nguồn năng lượng động năng trên các phương tiện xe cơ giới;

3) Công nghệ phanh thu năng thủy lực đã được nghiên cứu và phát triển ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới với nhiều tên gọi khác nhau (HRB, HLA, HPA, HDA), đến nay hệ thống này đã được nghiên cứu và ứng dụng thành các sản phẩm thương mại ở một số nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Đức, Canada, Nhật Bản, Australia; Tuy nhiên do yêu cầu về tính bảo mật nên nội dung các công trình công bố thường bị hạn chế và khó tiếp cận;

16

4) Đến nay, ở nước ta nghiên cứu về công nghệ phanh tái sinh trên xe cơ giới mới có nghiên cứu về chuyển đổi động năng sang điện năng, hiện chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm nào về hệ thống phanh thu năng thủy lực lắp trên xe chuyên dụng thu gom chở rác

5) Hiện nay các dòng xe chuyên dùng chỉ sử dụng hệ thống phanh ma sát ở nước ta đang lưu hành với số lượng đáng kể, đặc biệt với các dòng xe chuyên dùng như xe thu gom chở rác, thường có tần suất phanh dừng cao, lượng khí phát thải cao gây ô nhiễm môi trường, để thay thế dòng xe này là một bài toán khó với điều kiện ở nước ta Do đó nghiên cứu thử nghiệm đánh giá khả năng thu động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực sau đó tái sử dụng trên chính phương tiện xe này, đây là đề tài có nhiều ý nghĩa

2.1 Lựa chọn phương án xây dựng mô hình hệ thống phanh thu năng thủy lực

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, ta cần xây dựng một mô hình thực nghiệm hệ thống phanh thu năng thủy lực nhằm đánh giá khả năng thu năng của hệ thống phanh thu năng trên xe ô tô chuyên dùng ở nước ta, cũng như mở rộng phục vụ nghiên cứu các đặc tích của

hệ thống, làm cơ sở cho hướng phát triển mở rộng hệ thống sau này Để thực hiện được điều này chúng ta có thể có các phương án thực hiện như sau:

➢ Phương án 1: Xây dựng mô hình thực nghiệm đặt cố định trong phòng thí nghiệm như

hình 2.1; Sơ đồ hoạt động của hệ thống được thể hiện quá trình phanh thu năng lượng động năng như hình 2.2; Hoạt động của hệ thống trong quá trình tái sử dụng năng lượng như hình 2.3

Hình 2 1 Mô hình thực nghiệm hệ thống thu hồi động năng khi phanh bằng bình áp năng thủy lực

đặt trong phòng thí nghiệm, khoa cơ khí động lực trường Đại học Ulsan – Hàn Quốc (nguồn: [43])

1- Bình áp cao thủy lực; 2- Bình chứa dầu áp thấp thủy lực; 3- Bánh đà; 4- Đường dẫn dầu thủy lực; 5-Cụm bơm/mô tơ thủy lực; 6- Cụm van điều khiển; 7- Bơm thủy lực; 8- Động cơ điện

Để sử dụng hệ thống này vào nghiên cứu hệ thống phanh thu năng trên xe cơ giới thì yêu cầu đặt ra là cần qui đổi động năng của xe bằng động năng chuyển động quay của bánh

đà trên mô hình Hình 2.1:

E = E (2.1) Trong đó: Ebdmh – động năng bánh đà [kgm2];

18

Ev - động năng xe [kgm2];

Động năng bánh đà mô hình E bdmh:

2 bdmh qd bdmh

Jbdmh - mô men quán tính bánh đà mô hình [kgm2];

Động năng xe E v , động năng của xe gồm động năng chuyển động tịnh tiến và động

năng của các đối tượng chuyển động quay, bỏ qua các đối tượng trọng khối chuyển động quay, đối với các chi tiết chuyển động quay bánh đà động cơ, ta sử dụng phương pháp qui dẫn mô men quán tính [44] về trục bánh xe, ta xác định được động năng xe:

m - khối lượng xe[kg];

Jd - mô men quán tính bánh đà xe[kgm2];

ih- tỷ số truyền hộp số;

io- tỷ số truyền lực chính;

η- hiệu suất truyền động từ bánh đà đến bánh xe;

rbx -bán kính làm việc của bánh xe[m];

- Trường hợp hoạt động phanh thu năng lượng động năng của hệ thống (hình 2.3)

Hình 2 2 Sơ đồ hệ thống trong trường hợp phanh thu năng thủy lực (nguồn: [43])

1-Bình áp cao thủy lực (HA 1 ); 2- Bình chứa dầu áp thấp thủy lực(HA 2 ); 3- Bánh đà; 4- Đường dẫn dầu thủy lực; 5-Cụm bơm/mô tơ thủy lực (PM 2 ); 6- Cụm van điều khiển; 7- Bơm thủy lực (P1); 8- Động cơ điện; V1, V2 - Van điều khiển số 1 và số 2; CV 1 , CV 2 – Van một chiều chủ động; CV 3.1 ,

CV 3.2 , CV 3.3 , CV 3.4 , CV 3.5 – Van một chiều; RV 1 , RV 2 – Van an toàn; p s , p r , p 1 , p g - Đồng hồ đo áp suất

19

- Trường hợp hoạt động tái sử dụng năng lượng của hệ thống (hình 2.3)

Hình 2 3 Sơ đồ hệ thống trong trường hợp tái sử dụng (nguồn: [43])

1- Bình áp cao thủy lực (HA 1 ); 2- Bình chứa dầu áp thấp thủy lực (HA 2 ); 3- Bánh đà; 4- Đường dẫn dầu thủy lực; 5-Cụm bơm/mô tơ thủy lực (PM 2 ); 6- Cụm van điều khiển; 7- Bơm thủy lực (P 1 ); 8- Động cơ điện; V 1 , V 2 - Van điều khiển số 1 và số 2; CV 1 , CV 2 - Van một chiều chủ động; CV 3.1 , CV 3.2 ,

CV 3.3 , CV 3.4 – Van một chiều; RV 1 , RV 2 – Van an toàn; p s , p r , p 1 , p g - Đồng hồ đo áp suất

Hệ thống thu năng thủy lực đặt trong phòng thí nghiệm có ưu điểm là nhỏ gọn về kích thước, dễ chế tạo và lắp đặt, lại thuận tiện cho việc đo đạc, thu nhận cũng như xử lý dữ liệu Tuy nhiên trong trường hợp sử dụng mô hình vào nghiên cứu động năng xe cơ giới thì nhược điểm của loại hệ thống này là khó đánh giá hết được ảnh hưởng của các điều kiện thực như sức cản của không khí xung quanh hay chất lượng của mặt đường

➢ Phương án 2: Thực hiện trên ô tô chuyên dùng sẵn có

Để thực hiện phương án này, ta sử dụng dòng xe ô tô chuyên dùng [45] [46] làm đối tượng nghiên cứu phương án xây dựng mô hình, đối tượng xe này có sơ đồ cấu tạo hệ thống truyền lực điển hình được thể hiện trên hình 2.4

Hình 2 4 Sơ đồ cấu tạo điển hình hệ thống truyền lực trên ô tô chuyên dùng

Cấu tạo bao gồm: 1- Động cơ; 2- Cụm ly hợp; 3- Hộp số; 4-Trục các đăng; 5- Cụm truyền lực chính cầu chủ động xe; 6-Thùng chứa dầu thủy lực; 7- Bơm thuỷ lực; 8- Hộp chia công suất (power

take off - PTO); 9 –Bánh xe

Bé chia c«ng suÊt

7

6

20

Hình 2.4 thể hiện trên đây là loại hệ thống truyền lực truyền thống, năng lượng từ động

cơ (1) được truyền tải qua ly hợp (2), hộp số sàn (3), trục các đăng (4), đến truyền lực chính (5), đến bán trục và bánh xe (9) để phục vụ cho quá trình hoạt động di chuyển xe Ngoài tính năng phục vụ di chuyển xe thì hệ thống này còn có chức năng truyền công suất từ hộp số (3) đến hộp chia công suất (số 8) để bơm thủy lực (7) hoạt động cung cấp năng lượng đến các bộ phận cơ cấu công tác chuyên dùng của xe Phần lớn ô tô chuyên dùng thường sử dụng hệ truyền động thủy lực thủy tĩnh để truyền tải năng lượng đến bộ phận cơ cấu công tác chuyên dùng, áp suất làm việc của hệ thống có thể lên đến từ 250bar [45] [46] tùy theo chủng loại xe

và theo thiết kế của nhà sản xuất

Xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn như trên ảnh hình 2.5, là dòng xe chuyên dùng

sử dụng để thu gom chở rác do Công ty cổ phần công nghệ ô tô Việt Nam sản xuất lắp ráp, phạm vi sử dụng của xe là thu gom và vận chuyển rác Thông số kỹ thuật chi tiết của xe được

Kí hiệu 1, 2, 3, 4, 5, R – là các vị trí hoạt động của tay số 1, 2, 3, 4, 5 và số lùi

BR- bánh răng số lùi; R1, R2, R3, R4, R5 - là các bánh răng ở tay số 1, 2, 3, 4, 5, các bánh răng này quay lồng không trên trục thứ cấp, các bánh răng này ăn khớp với bánh răng trên trục trung gian;

21

Trục SC - Trục sơ cấp (kết nối với ly hợp), nhận năng lượng từ động cơ đốt trong; Trục TC - Trục thứ cấp, trục này kết nối với trục các đăng trên hệ thống truyền lực; ĐT1, ĐT2 và ĐT3: Là các bộ đồng tốc hộp số, có chức năng khóa bánh răng (BR, R1, R2, R3, R4, R5) với trục, bộ đồng tốc di chuyển sang bên số nào thì bánh răng số đó được khóa cùng với trục thứ cấp

Trục TG: Trục trung gian, trên trục có gắn bánh răng kết nối với bánh răng trục sơ cấp, bánh răng trục thứ cấp và bánh răng hộp PTO

ĐT4 - Bộ đồng tốc cụm hộp PTO, ở vị trí bên trái là ngắt, chuyển dịch sang phải là khóa bánh răng với trục PTO

Trục PTO-Trục Power take off (đầu ra của trục kết nối với bơm thủy lực)

Hình 2 6 Sơ đồ điển hình hộp số sàn loại 5 cấp số tiến cùng với hộp PTO trên xe chuyên dùng

Hoạt động điều khiển tay số của hộp số 5 số tiến và 1 số lùi được thể hiện thông qua Hình 2.7

Thông qua cần điều khiển tay số, sử dụng để điều khiển bộ đồng tốc ĐT1, ĐT2 và ĐT3; ĐT3 dịch sang phải sẽ gài khớp với bánh răng BR, ĐT3 sẽ khóa bánh răng BR với trục, khi đó ta có số lùi; ĐT3 dịch sang trái gài khớp với bánh răng R1, khi đó nó sẽ khóa bánh răng R1 với trục TC khi đó ta có tay truyền số 1;

Tương tự dịch chuyển ĐT2 sang phải ta có truyền động ở tay số 2, sang trái ta có truyền động ở tay số 3;

Dịch chuyển ĐT1 sang phải ta có truyền động ở tay truyền số 4, sang trái ta có truyền động ở tay số 5;

BR R1 R2 R3 R4 R5

22

Dịch chuyển ĐT4 sang phải để khóa trục PTO với bánh răng, bánh răng này kết nối với bánh răng truyền, kết nối với bánh răng trên trục trung gian, khi đó trục PTO sẽ nhận được cơ năng từ trục trung gian

Hình 2 7 – Sơ đồ chi tiết hộp số sàn MT (5 số tiến+1 số lùi) cùng hộp PTO và dòng truyền công

suất từ động cơ đến trục thứ cấp theo vị trí các số khác nhau (1,2,3,4,5, R)

- Trong trường hợp bơm thủy lực nhận công suất từ động cơ Dịch chuyển ĐT4 sang vị

trí on, ly hợp trên hệ thống truyền lực đóng, trục PTO sẽ nhận được năng lượng từ động cơ như hình 2.8

Hình 2 8 Sơ đồ đường truyền năng lượng từ động cơ đến trục PTO

R 1 2 3 4 5

BR R1 R2 R3 R4 R5

Hép PTO

23

- Trong trường hợp bơm thủy lực nhận năng lượng từ động năng xe, ngắt ly hợp, ĐT4

ở vị trớ on, cần số giữ ở vị trớ tay số Trong trường hợp này để xe chuyển động theo lực quỏn

tớnh, khi đú trục PTO sẽ nhận được cơ năng từ trục thứ cấp TC theo cỏc đường truyền khỏc nhau tương ứng với mỗi tay số trờn hộp số sàn như trờn hỡnh 2.9 Do đú với mỗi vị trớ tay số

ta cú được tỷ số truyền từ trục thứ cấp đến trục PTO

Hỡnh 2 9 Sơ đồ dũng truyền cụng suất từ trục thứ cấp đến trục PTO theo vị trớ tay số 1, 2, 3, 4, 5 và

số lựi R

Một số yờu cầu cơ bản khi xõy dựng hệ thống:

- Đảm bảo xe hoạt động bỡnh thường như nguyờn bản;

- Đảm bảo an toàn khi phanh;

- Tải trọng và trọng lượng xe thay đổi khụng đỏng kể;

- Kớch thước xe khụng thay đổi;

2.2 Xõy dựng mụ hỡnh hệ thụ́ng thu năng thủy lực trờn xe chuyờn dựng thu gom chở rỏc loại 2,5 tấn

2.2.1 Cấu hỡnh hệ thụ́ng phanh thu năng thủy lực trờn xe chuyờn dựng thu gom rỏc 2,5 tấn

Cấu hỡnh hệ thống phanh thu năng thủy lực cú sơ đồ cấu tạo được mụ tả như Hỡnh 2.10:

R 1 2 3 4 5

BR R1

R2 R3 R4 R5

On (Nối vớ i bơm thủy lực)

Nă ng l- ợ ng

động nă ng

Trục TC

24

Hỡnh 2 10 Sơ đồ hệ thống phanh trường hợp khụng hoạt động, ĐT4 ở vị trớ off

Đặc điểm cấu tạo hệ thống phanh thu năng thủy lực trờn xe chuyờn dựng thu gom rỏc gồm cú cỏc bộ phận: 1-Bỡnh chứa dầu thủy lực; 2 - Bơm thủy lực; 3- Van điều khiển; 4-Đường dẫn dầu hồi; 5-Van 1 chiều; 6- Cảm biến ỏp suất; 7 – Cụng tắc ỏp suất; 8- Bỡnh tớch năng thủy khớ ; 9- Đường dẫn dầu tỏi sử dụng; 10 – Đồng hồ; 11- Van khúa; ĐT4- Bộ đồng tốc hộp PTO;

Br - Tớn hiệu bỏo từ bàn đạp chõn phanh; Pacc - Tớn hiệu từ cảm biến ỏp suất; V1 – Tớn hiệu điều khiển hoạt động van số 3; Hộp PTO - Power take-off; CL- Tớn hiệu bỏo ngắt ly hợp; CLPTO – Tớn hiệu bỏo kết nối hộp PTO; AB – Hành trỡnh phanh tự do; BE-Hành trỡnh phanh

thu năng; CE-Hành trỡnh phanh thường

➢ Đặc điểm xe chuyờn dựng khi lắp thờm hệ thống phanh thu năng thủy lực:

Trờn cơ sở xe chuyờn dựng sẵn cú, để đảm bảo yờu cầu an toàn trong quỏ trỡnh thử nghiệm, mụ hỡnh xe nghiờm cứu cú một số đặc điểm như sau:

- Hệ thống phanh nguyờn bản của xe vẫn giữ nguyờn

- Hành trỡnh bàn đạp phanh sẽ cú điều chỉnh như sau: Trờn hành trỡnh tự do bàn đạp phanh sẽ bổ sung thờm vị trớ hoạt động của hệ thống phanh thu năng thủy lực ở đoạn cuối của hành trỡnh tự do, hệ thống khụng làm ảnh hưởng đến hành trỡnh phanh của hệ thống phanh

Sơ đồ bàn đạ p phanh

V1

CL

1 2

- Bàn đạp ly hợp lắp thờm cụng tắc ly hợp (cung cấp tớn hiệu cụng tắc CL)

- Vị trớ hộp PTO lắp cảm biến vị trớ để thụng bỏo hoạt động kết nối PTO với hệ thống truyền lực (cung cấp tớn hiệu cụng tắc CLPTO)

➢ Nguyờn lý hoạt động của hệ thống phanh thu năng thủy lực:

- Chế độ bơm thủy lực khụng hoạt động (hỡnh 2.10)

Bỡnh thường hệ thống phanh thu năng thủy lực ở chế độ khụng hoạt động như hỡnh 2.10,

ở chế độ này bộ đồng tốc khụng kết nối (ĐT4 ở vị trớ off) khi đú bơm thủy lực khụng hoạt

động do khụng nhận được cụng suất từ hệ thống truyền lực

Sơ đồ bàn đạ p phanh

V1

CL

1 2

26

Sau khi bật cụng tắc hoạt động hệ thống phanh thu năng thủy lực, người điều khiển tỏc động vào bàn đạp ly hợp ngắt cụng suất từ động cơ đến hệ thống truyền lực của xe, bộ đồng tốc ĐT4 hoạt động kết nối bơm thủy lực với hệ thống truyền lực của xe; Cần điều khiển tay

số vẫn để ở vị trớ gài số, khi đú cơ năng từ hệ thống truyền lực dẫn truyền bơm thủy lực hoạt động, ở chế độ này bơm thủy lực hoạt động trong chế độ khụng tải (như hỡnh 2.11): Dầu thủy lực từ thựng chứa, qua bơm, qua van điều khiển, theo đường dầu hồi trở về thựng chứa

- Chế độ phanh thu năng lượng (Hỡnh 2.12):

Người lỏi xe tỏc động vào bàn đạp chõn phanh để thực hiện chế độ phanh thu năng (vị trớ từ B đến E), cảm biến vị trớ BR xỏc nhận Ngay sau khi cỏc cảm biến vị trớ ở bàn đạp ly hợp (CL), bàn đạp phanh (BR), vị trớ đúng đồng tốc ĐT4 (CLPTO) và cảm biến mức ỏp suất bỡnh ỏp năng ở mức cho phộp pacc < pmax thỡ bộ điều khiển xuất tớn hiệu V1 để điều khiển nguồn điện cung cấp cho van điều khiển 3 hoạt động; Khi đú bơm thủy lực hoạt động ở chế độ tải, dầu thủy lực đi qua van một chiều vào bỡnh tớch ỏp năng khởi đầu quỏ trỡnh thu hồi và tớch trữ động năng của xe dưới dạng dầu cao ỏp, động năng được thu hồi và vận tốc xe giảm

Hỡnh 2 12 Sơ đồ hệ thống hoạt động ở chế độ phanh thu động năng

Sơ đồ bàn đạ p phanh

V1

CL

1 2