Hệ thống truyền lực hybrid thủy - cơ điều khiển vô cấp dùng cho xe tải nhỏ

Bài báo giới thiệu một số kết quả nghiên cứu phân tích lựa chọn cấu hình hộp số phân nhánh thủy - cơ, thiết kế mạch truyền động và điều khiển thủy lực, định cỡ các phần tử thủy lực, định cỡ bộ phận thu hồi, tích lũy và tái sử dụng năng lượng khi phanh phù hợp với điều kiện vận hành của xe chuyên dụng và xe tải cỡ nhỏ.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC HYBRID THỦY - CƠ ĐIỀU KHIỂN VÔ CẤP DÙNG CHO XE TẢI NHỎ HYDROMECHANICAL CVTs TRANSMISSION FOR A SMALL TRUCK CHU VĂN HUỲNH*, BÙI HẢI TRIỀU, NGUYỄN THÀNH NAM Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghệ Giao thơng vận tải *Email liên hệ: huynhcv@utt.edu.vn Tóm tắt Điều khiển tỷ số truyền vơ cấp, thu hồi, tích lũy tái sử dụng lượng phanh tính quan trọng hệ thống truyền lực đại, có khả tiết kiệm lượng thân thiện với môi trường Bài báo giới thiệu số kết nghiên cứu phân tích lựa chọn cấu hình hộp số phân nhánh thủy - cơ, thiết kế mạch truyền động điều khiển thủy lực, định cỡ phần tử thủy lực, định cỡ phận thu hồi, tích lũy tái sử dụng lượng phanh phù hợp với điều kiện vận hành xe chuyên dụng xe tải cỡ nhỏ Từ khóa: Truyền động vô cấp, hộp số phân nhánh công suất, hộp số thủy cơ, phanh tái sinh khí sang số tải trọng [1-3]) Ngoài ra, nhờ biến tốc thủy tĩnh kết nối song song với truyền khí, hệ thống truyền lực hybrid thủy - cịn có khả phanh khơng hao mịn, khả thu hồi, tích lũy tái sử dụng lượng phanh Do đó, lựa chọn cấu hình phù hợp, xác định kết cấu định cỡ phần tử truyền lực phận chức kèm theo nghiên cứu cần thiết để phát triển ứng dụng công nghệ truyền lực hybrid thủy - xe tải xe chuyên dụng Phân tích động học xác định thông số kết cấu HS PNCS trang bị cho xe tải nhỏ 2.1 Lựa chọn cấu hình HS PNCS Abstract CVTs control, energy recovery, storage and reuse during braking are important features of modern powertrains, which are energy efficient and environmentally friendly The article presents some research results, analysis, selection of hydraulic-mechanical branched gearbox configuration, design of hydraulic transmission and control circuits, sizing of hydraulic elements, sizing of recovery parts, accumulate and reuse energy when braking in accordance with the operating conditions of specialized vehicles and small trucks Keywords: Continuously variable transmission, power split transmission, hydro-mechanical transmission, regenerative braking Đặt vấn đề Hệ thống tuyền lực hybrid thủy - (phát triển sở hộp số phân nhánh công suất (HS PNCS)) sử dụng ngày rộng rãi xe chuyên dụng (máy nông, lâm nghiệp) Tuy nhiên, việc nghiên cứu, ứng dụng HS PNCS ô tô, đặc biết tơ tải cịn chưa nghiên cứu Việt Nam HS PNCS kết hợp ưu điểm điều khiển vơ cấp số vịng quay với hiệu suất truyền lực cao (tương đương với hộp số SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Sơ đồ nguyên lý HS PNCS có cấu hình CRO + P/M1, P/M2 - Bơm/động thuỷ lực biến tốc thủy tĩnh; + i1 - Tỉ số truyền phân nhánh công suất; + i2 - Tỉ số truyền nhập dịng cơng suất; + R - Bánh bao; + C - Cần dẫn; + S - Bánh số bánh mặt trời +Me, Mp, MM, Ms - Lần lượt mô men của: động cơ, bơm, mô tơ thủy lực đầu HS PNCS; +ne, np, n M, ns - Lần lượt số vong quay của: động cơ, bơm, mô tơ thủy lực đầu HS PNCS Để hình thành HS PNCS đơn giản, có 12 phương án kết nối biến tốc thủy tĩnh với hành tinh trục Trong đó, phù hợp với xe chuyên dụng cấu hình CRO [4], trục sơ cấp hộp số kết nối với cần dẫn C (catier), vành R (ring) dẫn động biến tốc thủy lực nhập dịng đầu O (out) Cấu hình CRO có ưu điểm đơn giản, có tỷ 389 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 lệ phân nhánh cơng suất thủy lực giảm tuyến tính tăng tỉ số truyền hộp số, dẫn đến hiệu suất truyền lực tăng dần đến hiệu suất hộp số khí Ngồi với cấu hình CRO, HS PNCS cịn có trạng thái số thay đổi tỉ số truyền êm dịu, vơ cấp, khơng ngắt dịng lực kéo, cho khả loại bỏ ly hợp ma sát HS PNCS với cấu hình CRO trình bày Hình Trục thứ cấp hộp số chọn trục bánh mặt trời trục động thủy lực, tùy thuộc vào cách chọn tỉ số truyền hộp số Mơ men số vịng quay phân nhánh theo quan hệ sau: ne ZS + ZR = nS ZS +nR ZR Me = MS + MR Ms ZS = Me ZS + ZR MR ZR = Me ZS + ZR (1) (2) (3) (4) Từ tỉ số truyền biến tốc thủy lực (iH) cặp bánh răng: nM VPM1 MM VPM1 = =i ; = = ; nP VPM2 H MP VPM2 iH n M n i1 = R = PM1 ; i2 = M nP MR nS (5) (6) Xác định quan hệ tỉ số truyền: iG = nS/n e nM/n e; iR = n R/n e thành phần phân nhánh công suất hộp số cho trường hợp: - Trục trục bánh mặt trời: Z i (1+ R ) H nS ZS i1.i2 iG = = ZR iH ne + ZS i1.i2 (7) ZR ZS PR MR nR = = Pe Me ne ZR + iH ZS i1.i2 (8) Trong đó: Và: i PR = Pe i + iH i1.i2 (10) Trục trục động thủy lực P/M2: i (1+i0) H nM i1 1+i0 i iG = = ; iR = ; PR = Pe iH iH i ne i0 + i0 + i0 + H i1.i2 i1.i2 i1.i2 (11) 2.2 Phân tích, lựa chọn, xác định tỉ số truyền phần tử truyền lực Các tỉ số truyền i 0, iG, iH, i1 i xác định theo điều kiện: - iG ≈ ÷ tương đương với hộp số có só truyền thẳng Điều kiện thỏa mãn thuận lợi chọn trục hộp số trục P/M2; - Số vòng quay lớn bơm P/M1, npmax ≈ ne; - Tỷ lệ phân nhánh P R/P e ≤ 0,5 chế độ làm việc xe [1, 3] Đối tượng nghiên cứu HS PNCS dùng cho dịng xe tải nhẹ, thí dụ xe chở rác 2,5 tấn, có cơng suất lớn động 38kW/3000v/ph Theo điều kiện đơn giản kết cấu điều khiển, dễ tìm linh kiện chọn i0 = 2, biến tốc tích P/M2 khơng đổi Tỉ số truyền i xác định theo điều kiện npmax≈ne Với cu hỡnh CRO, n = n ổỗ1+i0 ửữ = n i1 = Rmax e e è i0 ø Theo điều kiện: i ì (1+ i0 ) H max üï ï n i1.i2 M ïiGmax = = = 1ï iH max ne ï ï i + ï ï i1.i2 í ý ïP ï i R ï = ï £ 0,5 ï Pe i + iH max ù ùợ ùỵ i1.i2 (12) + PR, P e - Lần lượt công suất của: bánh bao động cơ; Xác định iHmax = 3, i2 = + ZR, ZS - Lần lượt số bánh bao, bánh mặt trời Tại giá trị PR = 0,5 , xác định iG = 27 tương Gọi ZR/ZS = i0 tỉ số truyền sở truyền hành tinh đơn có: ứng iH = 12 , khoảng tỉ số truyền HS PNCS 23 có hiệu suất hợp lý 27 £ iG £ tương ứng với 46 iG = 390 (1+ i0 ) i0 + iH i1.i2 iH i1.i2 (9) 23 Pe PR = 0,148 Pe 46 khoảng điều khiển tỉ số truyền thủy lực 12 £ iH £ 23 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 2.3 Truyền động phân tầng Để HS PNCS làm việc khoảng tỉ số truyền có hiệu suất truyền lực hợp lý xe chuyển động điều kiện vận hành khác cần bố trí nối tiếp truyền cấp trục hộp số Hai cấp truyền phân tầng, có tầng nhanh phù hợp với điều kiện chuyển động xe đường tốt (bằng phẳng, chất lượng tốt) tầng chậm phù hợp với điều kiện đường xấu (đèo dốc, chất lượng mặt đường kém) Trong khuôn khổ báo, khơng có điều kiện để phân tích chi tiết sở lựa chọn tỉ số truyền phân tầng theo chế độ làm việc điển hình loại xe nghiên cứu, dự kiến sơ hộp số phân tầng đơn giản với tỉ số truyền tầng nhanh ip1 = tầng VPwpDp VMwM Dp V = ³ 38kW; P = 2P 2P VM Trong đó: Δp chênh lệch áp suất nhánh nhánh mạch thủy lực Kết tính tốn, lựa chọn: V P = 50cm3/vòng, VM = 16cm3/vòng, Δp =160 bar, áp suất giới hạn 200 bar Các thơng số tích áp xác định theo động phanh xe chuyên dụng khả tích lũy lượng thiết bị Cân lượng phanh tích lũy có dạng: V2 EV = WH = W12 = -ị pdV chậm ip = với ip = nra Trong đó: 2.4 Các phần tử thủy lực biến tốc + EV nvao Sơ đồ đầy đủ mạch truyền động điều khiển biến tốc thủy lực HS PNCS dùng cho xe tải nhẹ trình bày Hình Chức thu hồi, tích lũy tái sử dụng lượng phanh thực tích áp bố trí nhánh vào bơm Cụm bơm van 3, có nhiệm vụ bổ sung dầu giữ áp suất nhánh nạp chế độ bơm 4 Hình Sơ đồ mạch truyền động điều khiển biến tốc thủy lực HS PNCS Bơm thể tích; Bơm phụ; Van giới hạn áp suất đường nạp; Van chặn dòng; Van giới hạn áp suất đường dầu cao áp; Động thủy lực thể tích khơng đổi; Bình tích áp; Van phân phối 2/2; Ổ cắm thủy lực bơm động khoảng (5 ÷ 10 bar) Van phân phối chuyển sang vị trí hỗ trợ khởi hành tăng tốc từ lượng tích áp Ổ cắm để kết nối truyền dẫn lượng thủy lực đến phận công tác chuyên dụng Cần tính tốn, xác định thơng số kết cấu bơm, động tích áp Bơm động thủy lực cần thỏa mãn điều kiện: SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) (13) V1 =( mv02 n Jbxi wb2x0 + ) động xe å i =1 trường hợp phanh dừng (với: m khối lượng xe; v0 vận tốc chuyển động xe; i số bánh xe; ωbx vận tốc góc bánh xe); + WH lượng thủy lực W12 cơng nén khí; +V1, V2 thể tích bình tích áp trước sau nén; + p áp suất thủy lực nhánh Đối với trình đa biến [1, 5]: n-1 é ù n pV 1 êỉ p2 ỳ W12 = ỗ ữ ỳ n -1ờố p1 ø êë úû (14) Q trình nạp, xả tích áp phanh q trình nén, giãn nhanh; tính theo q trình đoạn nhiệt, n = k = 1,41 (hệ số nén đa biến) Đối với thể tích V1 áp suất nén cực đại p 2, tồn tỷ lệ áp suất tối ưu tương ứng q trình đoạn nhiệt: ỉ p2 ỗ p ữ = k1-k = 0,308 ố øt.u Từ xác định thể tích khí ban đầu theo công thức [1, 6]: V0 = WH (k-1) k -1 ộ ự ổp ửk p0 ờờỗ ÷ -1úú è p1 ø ëê ûú (15) 391 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Chọn p0 = 0,9p1; p1 = 10bar cho lần phanh với m = 2500kg, v = 50km/h, xác định thể tích v0 = 21dm3 Áp suất p1 p2 tăng dần theo lần phanh đạt đến p2max giá trị giới hạn áp suất biến tốc thủy lực Kết luận Hybrid thủy - sở HS PNCS giải pháp truyền lực phù hợp với xe tải nhỏ xe chuyên dụng Lựa chọn cấu hình hợp lý, xác định thông số kết cấu, động học chiến lược điều khiển phù hợp với nghiên cứu bổ sung phần tử thu hồi, tích lũy tái sử dụng động phanh kết ban đầu góp phần phát triển ứng dụng truyền lực hybrid thủy - ô tô xe chuyên dụng Hệ thống truyền lực hybrid thủy - trên, thí dụ ứng dụng cho xe chở rác 2,5 sử dụng làm sở để thiết kế, chế tạo mơ hình thí nghiệm truyền động thủy với HS PNCS, hướng đến thiết kế chế tạo mẫu HS PNCS thay hộp số khí phân cấp xe tải 392 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Will, H Strohl, N Gebhardt, Hydraulik Grumdlagen, Komponenten, Schalttungen Springer Verlag Berlin, 1999 [2] H Murrenhoff, H Wallentowitz, Fluidtechnik fur mobile Anwendungen, Institut fur Kraftfahwensen Aachen, 1998 [3] Skirde E, Gigling M., Hydrostatik fur leistungs verzweigte Getriebe, VDI/MEG Kologium Agrartechnik, Mobilhydraulik, Braunschweig, 1996 [4] P.D.Súy, T.M.Hoàng, B.H.Triều, Hiệu suất truyền động hộp số phân nhánh cơng suất Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 6/2018 [5] Findeisen D., Olhydraulik, Springer Verlag, 1994 [6] Rotthauser S., Verfahren zur Berechnung hydropneumatikcher Speicher Diss, RWTH Aachen, 1993 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 29/6/2021 05/8/2021 20/8/2021 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... dụng truyền lực hybrid thủy - ô tô xe chuyên dụng Hệ thống truyền lực hybrid thủy - trên, thí dụ ứng dụng cho xe chở rác 2,5 sử dụng làm sở để thiết kế, chế tạo mơ hình thí nghiệm truyền động thủy. .. biến tốc thủy lực Kết luận Hybrid thủy - sở HS PNCS giải pháp truyền lực phù hợp với xe tải nhỏ xe chuyên dụng Lựa chọn cấu hình hợp lý, xác định thông số kết cấu, động học chiến lược điều khiển. .. khoảng điều khiển tỉ số truyền thủy lực 12 £ iH £ 23 SỐ ĐẶC BIỆT (1 0-2 021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 2.3 Truyền động phân tầng Để HS PNCS làm việc khoảng tỉ số truyền có hiệu suất truyền