Với máy kéo và xe chuyên dụng công suất lớn, các nghiên cứu ngoài nước hiện đang ở mức độ cao, phạm vi rộng và chuyên sâu về các vấn đề chuyên môn liên quan đến động lực học, tự động hóa quá trình hoạt động của hệ thống truyền động thủy lực, hầu hết các quan hệ vật lý, toán học của các thông số cũng như đặc tính làm việc của các phần tử thủy lực đã được xác định khá đầy đủ và cụ thể, phần lớn các kết quả nghiên cứu đã và đang được ứng dụng trên các hệ thống máy.
Các nghiên cứu chuyên sâu về động lực học, điều khiển, điều chỉnh tự động quá trình làm việc của hệ thống truyền động thủy lực trên máy tự hành đã và đang được triển khai thực hiện tại rất nhiều trung tâm nghiên cứu chuyên ngành của các Viện nghiên cứu, Trường đại học lớn trên thế giới như Mỹ, Đức, Thụy Điển..vv. Cụ thể là các công trình nghiên cứu của các tác giả: Huber (2010), Bliesener (2011), Thiebes (2011), Boes (2014), Kautmann (2014), Scherer (2014), Weidermann (2014), Dreher (2015), Sturm (2015), ...v.v, thuộc Viện nghiên cứu công nghệ (KIT) Đại học kỹ thuật Karlsruher (CHLB Đức) dựa trên cơ sở mô hình nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực đã ứng dụng phát triển các giải pháp điều khiển, điều chỉnh hợp lý, tối ưu nhằm cải thiện khả năng làm việc, nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng trên một số máy tự hành như máy xúc, máy đào, máy nâng chuyển.
2.4.1.1. Truyền động thuỷ động kết hợp với hộp số cơ khí
từ động cơ 200 kW đến bánh xe chủ động của máy kéo (hình 2.9). Tác giả đã tính toán và thiết kế HTTĐ thuỷ cơ, phần thuỷ lực sử dụng bộ biến đổi mômen quay BMM một cấp, có tỷ số biến đổi môment iTL cực đại đạt tới 1,27. Vì máy kéo thường cần tỷ số truyền chung của HTTĐ khá lớn, nên sau BMM là hộp số cơ khí có từ 3 đến 4 số truyền, để việc sang số không cần ngắt dòng công suất từ động cơ đến các bánh chủ động của máy kéo, trong hộp số cơ khí, các bánh răng chủ động và bị động của tất cả các số truyền thường xuyên ăn khớp với nhau, nhưng khi gài số người lái (hoặc máy tính ECU) điều khiển van dẫn dầu có áp suất từ 7-9 bar sẽ đến các ly hợp dùng để sang số dưới tải (ly hợp khoá), nhờ hộp số cơ khí phân cấp, HTTĐ này cho ta các vùng vô cấp khi gài các số khác nhau trong hộp số, và khi chuyển số không phải ngắt đường truyền mômen, nhờ đó tính năng động lực học của máy kéo được cải thiện đáng kể. HTTĐ thuỷ cơ dạng dùng BMM thường được dùng trên các máy kéo công suất lớn, và phần hộp số cơ học có thể dùng bánh răng trụ như hình 2.9 hoặc có thể dụng hộp số cơ khí kiểu hành tinh (thường dùng trên ô tô).
Hình 2.9. Hệ thống truyền động thuỷ cơ dùng bộ truyền thuỷ động
Nguồn: Thiebes (2011)
Do phần hộp số cơ khí đòi hỏi hệ thống thuỷ lực để điều khiển việc sang số nên thường khá phức tạp, ứng dụng HTTĐ này trên máy kéo công suất nhỏ ít được ứng dụng, do hiệu quả kinh tế và kỹ thuật thấp. Ở đây, trục tuốc - bin của BMM liên kết và truyền mômen đến trục 3 của hộp số cơ khí, trong phần hộp số cơ khí
có 4 số truyền, các bánh răng thường xuyên ăn khớp với nhau, và chúng được nối cứng với trục thứ cấp hộp số nhờ các ly hợp ma sát. Hộp số thủy cơ giới thiệu trên hình 2.9 được gọi là hộp số thủy cơ có cơ cấu sang số dưới tải. HTTĐ loại này được ứng dụng trên đa số các loại MK & XCD công suất lớn.
Trên ô tô máy kéo, khi sử dụng HTTĐ bán vô cấp, với phần thủy lực là thủy động (BMM), phần hộp số cơ khí thường có cấu tạo khá phức tạp, ở ô tô hộp sô cơ khí là tổ hợp của hai hay nhiều cơ cấu hành tinh đơn Wilson, còn trên máy kéo và xe chuyên dụng, có thể sử dụng các bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng, tuy nhiên cả ở ô tô và máy kéo, khi dùng BMM đều phải sử dụng các thiết bị điều khiển (ly hợp khóa, phanh dải, khớp một chiều...), còn được gọi là các cơ cấu sang số dưới tải. Hệ thống truyền động này có rất nhiều ưu điểm, đặc biệt về tính năng động lực học với MK & XCD , vì ở các loại xe này, khi chuyển số, với HTTĐ cơ khí, khi ngắt ly hợp, do lực cản chuyển động lớn, vận tốc máy nhanh chóng giảm về không, sau khi sang số, MK & XCD lại phải khởi hành và tăng tốc từ v=0 tới vận tốc làm việc ở số truyền mới. Quá trình khởi hành và tăng tốc này, kéo theo rất nhiều tác hại cho động cơ, cho HTTĐ và cho cả LHM nói chung, vì các cơ cấu và hệ thống của LHM phải chịu quá tải với hệ số quá tải lớn, làm giảm tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc.
Hệ thống truyền động thủy cơ dùng BMM khắc phục nhược điểm của HTTĐ cơ khí và cho ta các vùng vô cấp nên hiệu quả kinh tế, kỹ thuật được cải thiện rõ rệt, tuy nhiên do kết cấu của phần hộp số cơ khí rất phức tạp, nên HTTĐ loại này chỉ được dùng với các máy kéo công xuất lớn (T150 của LB Nga, Komasu của Nhật ...v.v.).
2.4.1.2. Truyền động thủy lực thủy tĩnh độc lập
Truyền động thủy lực thủy tĩnh độc lập là bộ truyền động công suất mà trong đó chỉ đơn thuần là truyền động một máy bơm thủy lực, được cung cấp năng lượng bởi động cơ chính (động cơ điện hoặc động cơ đốt trong). Bơm thủy lực cung cấp năng lượng thủy lực dưới dạng áp năng để điều khiển mô tơ thủy lực, từ đó truyền năng lượng đến một tải trọng kết nối với trục của động cơ. Nếu bơm và mô tơ có thể tích không đổi, hệ thống truyền động thủy tĩnh chỉ đơn giản là hoạt động như một bộ truyền bánh răng với tỷ số truyền bằng tỷ lệ thể tích giữa mô tơ và thể tích của bơm sau một vòng quay dùng để truyền năng lượng từ động cơ chính đến bộ phận chấp hành. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống truyền động thủy tĩnh sử dụng bơm có thể thay đổi được thể tích làm việc và mô tơ có thể tích làm việc cố định
hoặc cả bơm và mô tơ có thể thuộc loại thay đổi được thể tích làm việc của xi lanh để có thể điều chỉnh tốc độ, mômen xoắn hoặc công suất phù hợp.
Theo Carlsson (2006), trên hình 2.10 là hệ thống truyền động thủy tĩnh cho bộ phận di động máy xúc lật.
Hình 2.10. Hệ thống truyền động thủy tĩnh cho bộ phận di động
Nguồn: Carlsson (2006)
Đây là hệ thống truyền động dạng mạch kín cơ bản thường được ứng dụng nhiều trong HTTĐ trên các máy xây dựng, máy phục vụ nông lâm nghiệp có tốc độ di chuyển tương đối thấp nhưng công suất bộ truyền lớn.
2.4.1.3. Truyền động kết hợp thủy lực thủy tĩnh - cơ khí
a. Truyền động kết hợp nối tiếp thủy lực thủy tĩnh - cơ khí
Trong loại truyền động này, động cơ đốt trong sẽ truyền trực tiếp mô men quay cho bơm thủy lực hoặc thông qua hộp số để thay đổi tỷ số truyền. Tại bơm, năng lượng cơ học của động cơ đốt trong sẽ được chuyển đổi thành dạng năng lượng thủy lực và thông qua các đường ống dẫn, năng lượng này truyền đến mô tơ thủy lực. Mô tơ thủy lực sẽ chuyển đổi năng lượng thủy lực thành dạng năng lượng cơ học, mỗi mô tơ thủy lực truyền động cho một bánh xe. Để thay đổi tốc độ quay của các mô tơ thủy lực, hệ thống phải có các van thay đổi lưu lượng bố trí một cách hợp lý.
Ứng dụng của loại truyền động này thường được dùng cho bộ phận di động xích như trên hình 2.11, mô tả bộ truyền động cho hệ thống di động trên máy ủi Komatsu D39-EX.
Đây là kiểu truyền động thủy lực mạch kín, có sử dụng thêm một bơm thủy lực (3) để khi áp suất trong đường dầu nạp giảm thấp do hao tổn trong quá trình
truyền, bơm sẽ cung cấp thêm lượng bị hao tổn. Trong bộ truyền, mỗi bánh sao chủ động trái và phải sẽ nhận động lực từ hai mô tơ thủy lực riêng biệt. Mỗi mô tơ được cung cấp từ một nguồn bơm khác nhau. Như vậy hai mô tơ sẽ làm việc độc lập, tốc độ từng mô tơ sẽ được điều chỉnh khi thay đổi góc đĩa nghiêng của bơm cung cấp. Như vậy máy dễ dàng quay vòng mà không cần đến bộ vi sai để thay đổi tốc độ mỗi bánh sao.
1- Bộ truyền cuối L.H; 2 - Motor thủy lực L.H; 3 - Bơm nhồi; 4 - Ly hợp; 5 - Động cơ đốt trong; 6 - Bánh xích; 7 - Bơm cho nhánh L.H; 8 - Bơm cho nhánh R.H; 9 - Motor thủy lực R.H; 10 - Bộ truyền cuối R.H;
11 - Bánh sao chủ động; 12-Parking brakes – Phanh dừng
Hình 2.11. Bộ truyền động di động máy ủi D39-EX
Nguồn: Komatsu (2007)
Tương tự như vậy trong các nghiên cứu của các tác giả: Kueppers (2000), Kohmaescher (2008), Lang (2011), Inderelst (2013), ...v.v, thuộc Đại học kỹ thuật Aachen; các tác giả: Deiters (2009), Steindorff (2010), Fleczoreck (2013), ...v.v thuộc đại học kỹ thuật Braunschweig; các tác giả: Djurovic (2007); Finzel (2010), thuộc Đại học kỹ thuật Dresden (CHLB Đức) và Đại học Linkoeping: Eriksson (2010), Filla (2011), Axin (2013), ...v.v đã hoàn thiện kết cấu phối hợp truyền động thủy lực + cơ khí tích hợp điều khiển tự động, dạng kết cấu này đã nâng cao rõ rệt sự ổn định làm việc và hiệu suất truyền động của hệ thống thủy lực.
Để tăng thêm tính năng làm việc của máy cũng như tăng dải điều khiển của tỷ số truyền động, trên một số máy thường bố trí truyền động kết hợp giữa cơ khí và thủy lực. Theo Zavadinka (2009), đã đưa ra về mô hình truyền động phức tạp cho hệ thống di chuyển của máy như trên hình 2.12.
Trong mô hình truyền động hình 2.12, động cơ đốt trong truyền động trực tiếp cho bơm thủy lực 2. Bơm và động cơ thủy lực có thể điều chỉnh được lưu
lượng đóng vai trò là hộp số thủy tĩnh của cả bộ truyền. Trong bộ truyền cần có sự điều khiển thích hợp giữa tốc độ quay của động cơ đốt trong với lưu lượng làm việc của bơm và mô tơ thủy lực, bộ vi sử lý có vai trò điều khiển sự kết hợp hài hòa đó. Ưu điểm của mô hình truyền động kiểu này là sử dụng hộp số thủy tĩnh như một hộp số vô cấp nên thay đổi tốc độ dễ dàng, với hai cầu chủ động có thể di chuyển được trên một số địa hình gồ ghề không bằng phẳng.
1 - Động cơ đốt trong; 2 - Bơm thủy lực; 3 - Motor thủy lực; 4 - Ly hợp; 5 - Hộp số; 6, 7, 8- Bộ vi sai; 9, 10, 11, 12 – Các bánh xe chủ động; 13 - Bàn đạp ga; 14 - Bộ vi sử lý
Hình 2.12. Sơ đồ truyền động cho xe hai cầu chủ động
Nguồn: Zavadinka (2009)
Tác giả Singh & cs. (2013) đã nghiên cứu hệ thống truyền động thuỷ tĩnh dùng trên xe tải (hình 2.13). Kết quả nghiên cứu được tiến hành bằng lý thuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, để ứng dụng bộ truyền thuỷ tĩnh trong HTTĐ của ô tô vận tải hạng nặng, tác giả đã tiến hành mô phỏng sự biến đổi các thông số đặc trưng của hệ thống như lưu lượng, áp suất dầu cũng như số vòng quay của bơm khi khi mômen cản thay đổi.
Phần lớn các công trình nghiên cứu ở ngoài nước như: Kueppers (2000), Lang (2011), Axin (2013), ...v.v đều tập trung nghiên cứu bộ truyền thuỷ tĩnh độc lập, đây là các bộ truyền công suất lớn, từ động cơ mômen của nguồn động lực trên xe truyền hết đến bơm thuỷ tĩnh, từ bơm thuỷ tĩnh, áp suất và lưu lượng của dầu qua bộ phận phân phối truyền đến mô tơ thuỷ tĩnh và từ đó đến bánh chủ động của xe. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào tìm hiểu phản ứng của các thông số động lực học của hệ thống truyền động thuỷ tĩnh như quan hệ giữa mômen cản đến phản ứng của bơm như áp suất, lưu lượng cũng như tốc độ của bơm thuỷ tĩnh.
1- Nguồn động lực; 2 – Bơm thủy lực biến đổi thể tích; 3 – Van phân phối thủy lực; 4 – Mô tơ thủy lực, 5 – Van áp suất có điều khiển; 6 – Bơm thủy lực; 7 – Hộp số cơ khí, 8 – Van áp suất;
Hình 2.13. Mô hình thực nghiệm hệ thống truyền động thủy lực
Nguồn: Singh & cs. (2013)
Để cải thiện tính năng các loại máy kéo trang bị hộp số cơ khí, một trong những giải pháp đơn giản và hiệu quả đã được thực hiện là tích hợp thêm hệ thống truyền động thủy lực kết hợp với hộp số cơ khí để mở rộng phạm vi thay đổi tỷ số truyền, tăng khả năng thay đổi tỷ số truyền linh hoạt, vô cấp, đáp ứng tốt hơn trong thực hiện các công việc có điều kiện thay đổi phức tạp.
Trong nghiên cứu Popa & cs. (2012), các tác giả đã giới thiệu mẫu máy kéo sử dụng hộp số thủy lực cơ khí cải tiến từ máy kéo U650 sử dụng hộp số cơ khí. Với việc tích hợp thêm truyền động thủy lực, hộp số cải tiến có kết cấu đơn giản hơn rất nhiều (hình 2.14), chỉ còn lại một số truyền thay cho 9 số truyền tiến, 2 số truyền lùi và hệ thống truyền động không còn li hợp cũng như bộ truyền động bánh răng hành tinh mặt trời.
Hình 2.14. Hộp số thủy lực - cơ khí cải tiến
Nguồn: Popa & cs. (2012)
- Thường sử dụng truyền động thuỷ tĩnh độc lập, động cơ đốt trong kết nối trực tiếp và truyền toàn bộ công suất đến bơm thuỷ tĩnh có thể tích biến đổi.
- Bơm thông qua hệ thống van điều khiển tự động hoặc bán tự động cung cấp dòng dầu áp suất lớn đến các mô tơ dẫn động bánh chủ động của máy kéo và xe chuyên dụng.
- Máy công tác thường được dẫn động bằng các bộ phận chấp hành dạng xylanh lực hoặc mô tơ thuỷ tĩnh (thể tích biến đổi hoặc cố định).
- Các công trình này có thể ứng dụng vào các máy động lực công suất lớn, tuy nhiên đối với máy kéo nông nghiệp Việt Nam, do tính chất đất đai, khí hậu không phù hợp với máy công suất lớn, nên để ứng dụng các công trình này là chưa phù hợp, cần nghiên cứu một mô hình sao cho có tính khả thi khi cải tiến hay chế tạo HTTĐ bán vô cấp hay vô cấp từng vùng, kết cấu HTTĐ không quá phức tạp, phù hợp với công nghệ cũng như điều kiện kinh tế kỹ thuật.
Các kết quả nghiên cứu khảo sát và thử nghiệm máy kéo với hộp số cải tiến cho thấy hệ thống máy hoạt động ổn định, đạt các thông số kỹ thuật như máy kéo nguyên bản, có thể linh hoạt thay đổi hướng chuyển động và tỷ số truyền vô cấp để tạo ra tốc độ, lực kéo phù hợp với điều kiện làm việc. Đây là một trong các giải pháp kỹ thuật hợp lý, có thể ứng dụng để cải tiến các máy kéo sử dụng hộp số cơ khí tại Việt Nam.