Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.3. Công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài luận án
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 ƣu trong quá trình canh tác cũng nhƣ 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 đƣợc 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 đƣợc sử dụng trong hệ thống truyền lực của máy kéo nhƣ 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 ƣu 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.
Li hợp chính
1800v/p
Li hợp
Hộp số
Phanh
TL cuối
Vi sai
Trục triết CS 540v/p Bộ chuyển
PIV
H
4,94 19,76km/h L
R
2,0 8,0
2,0 8,0
Hình 1.15. Bộ truyền loại ZF / P.I.V. Reimers ASL 210 Nguồn: Hirschmann, 1997
Ở mẫu ASL 210 đã đƣợc trang bị điều khiển tỷ số truyền tự động.
Máy kéo sử dụng li hợp ghép, một cho hệ di động và một cho bơm thủy lực và trục thu công suất. Phía thứ cấp của PIV bố trí hộp số cơ khí có ba số tiến (L, M, H) và một số lùi (R).
Hình 1.16. Bộ truyền loại ZF / P.I.V. Reimers ASL 218 Nguồn: Renius, 1995
Phanh Vi sai
Trục triết CS 540v/p Li hợp
Bộ chuyển PIV
Hộp số
2000v/
p
Bơm chính Bơm phụ
H M R L
R
L M H 5,1 20km/h
2,4 1
9,8 10,11 1 3,6 1 0,9
2,5
12,4-32
Trục triết CS
18,4-30 Vi sai Bơm dầu
26km/h II
RII I
L RI 2000v/
p
Li hợp chính
Phanh Bộ chuyển
PIV
Li hợp i=2.12 .. 0,472 I
III 5,7
II 1,9 8,7
0,9 6
4,3 0,9 4,3
6 1,9 8,7
5,7 26
RIL
I(IL) II
Trong năm 1965, nguyên mẫu loại ZF / P.I.V. Reimers ASL 218 đã đƣợc 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 đƣợc bố trí ở trục sơ cấp của ZF / P.I.V. Reimers ASL 218. Bộ truyền động hành tinh có nhiệm vụ đảo chiều đƣợc bố trí ở trục thứ cấp của PIV. Với cách bố trí hệ thống truyền lực nhƣ vậy cho phép máy kéo có các dải chuyển động tiến và lùi nhƣ nhau.
Trong năm 1965, Bộ truyền động T518 đƣợc 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 nhƣ nhau.
Hình 1.17. Bộ truyền động loại ZF / P.I.V. Reimers T 518 Nguồn: Sauer, 1996
Trục triết CS Bộ chuyển
i=2.12 .. 0,472 PIV
Vi sai Phanh Li hợp
Di động
25km/h 5,5
8 Li hợp
Trục truyền Bơm dầu
1800v/p
L (IL) R V
H 540v/p
1000
18,4 - 30 1,8
0,8 3,15
3,15 0,8
1,8 8
25km/h 5,5
H L
IL RIL
RL
RH
Hộp số
Trong những năm 1988/1989 hệ thống truyền lực của máy kéo đƣợc cải thiện đáng kể với bộ truyền động liên tục. Điều khiển tỷ số truyền của bộ truyền động liên tục đƣợc 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 đƣợc trang bị một bộ truyền động liên tục PIV với động cơ có công suất 22kW (hình 1.18), li hợp đƣợc 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).
L R H
H
L R
540v/p R
Md
3000v/p 30kW
H L
R
Dải tốc độ ứng với số truyền
1,9 9,5km/h
5 25
2,4 11,9
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 ƣu 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
cấp Dải tốc độ
I: 1,4 - 3,5 km/h 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) Li hợp
R I I
II
1,5 12,75 km/h 22,75 4
1 8,5
R
Phanh II Dải tốc độ
(mà điều này phụ thuộc vào khả năng truyền mô-men xoắn hệ thống CVT). Sự điều khiển chính xác vị trí và tốc độ thay đổi nhanh chóng là một điều kiện tiên quyết để đáp ứng những mục tiêu này. Vì vậy, thách thức đối với một bộ điều khiển CVT hiệu quả là nâng cao khả năng truyền mô-men xoắn của một hệ thống CVT, giảm thiểu tổn thất trƣợt giữa dây đai và vành đai, tối đa hóa tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất tăng tốc. Việc mô hình hóa chính xác động lực học thay đổi tỷ số truyền để xác định trước lực kẹp thực tế cần thiết để thay đổi tỷ số tốc độ CVT và vị trí xác định puli nhằm tối ưu chương trình điều khiển là thực sự cần thiết.
Ứng với các mức độ khác nhau của mô-men xoắn, Để đạt đƣợc mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu cần phải đồng thời kiểm soát đƣợc tốc độ động cơ và mô- men xoắn. Để đạt đƣợc điều đó cần phải có tỷ số truyền thích hợp. Mục đích của điều khiển tỷ số truyền CVT là để động cơ hoạt động ở chế độ tối ƣu hay tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu trong khi đáp ứng tốt với tải trọng.
Trong các định hướng điều khiển hiện nay, lực kẹp ở puli chủ động nhằm kiểm soát tỷ số truyền trong khi lực kẹp ở puli thứ cấp đƣợc thiết lập để tránh trƣợt của phần tử trung gian. Để điều khiển tỷ số truyền của truyền lực đai vô cấp thường sử dụng hệ thống điều khiển cơ khí hoặc thủy lực thủy tĩnh. Điều khiển cơ học thường được ứng dụng cho truyền lực vô cấp đai thang có công suất nhỏ (hình 1.21).
Hình 1.21. Truyền lực vô cấp trên xe máy Nguồn: Jvshan, 2013
Tỷ số truyền CVT trên xe máy đƣợc điều khiển cơ học, đĩa di động của bánh đai chủ động di chuyển nhờ lực li tâm, đĩa di động của bánh đai bị động di chuyển tự lựa nhờ lực lò xo.
Khi động cơ quay, tùy theo tốc độ quay mà lực li tâm sẽ làm 06 viên bi nồi lăn ra theo rãnh bi. Bi lăn ra sẽ ép má puli di chuyển ra / vào theo trục. Tùy theo vị trí của má puli mà dây đai sẽ bị ép vào trong hay chạy ra ngoài làm thay đổi tỷ số truyền của CVT. Đây là dạng điều khiển CVT đơn giản, tỷ số truyền của CVT không những phụ thuộc vào tốc độ mà còn phụ thuộc vào trọng lƣợng bi văng, độ cứng lò xo..và do đó không chính xác.
Đối với bộ truyền lực đai vô cấp có công suất lớn, để điều khiển đĩa di động của vành đai CVT sử dụng hệ thống thủy lực thủy tĩnh đƣợc điều khiển qua chương trình máy tính thông qua van tùy động với các phương thức khác nhau.
Abromeit and Wilkinson (1983) điều khiển lực kẹp puli thứ cấp với áp lực và điều khiển tỷ số truyền của CVT bằng cách kiểm soát dòng chảy dầu vào xi lanh kẹp puli chủ động. Wade (1984) điều khiển CVT bằng cách kiểm soát hai áp lực cùng một lúc. Áp suất điều khiển puli chủ động được tăng cường bởi một bộ điều khiển tỷ số truyền để đạt đƣợc tỷ số truyền đáp ứng mong muốn. Spijker (1994) thực hiện một điều khiển thích ứng để điều khiển cả lực kẹp puli sơ cấp và tỷ số truyền. Về sau, phương pháp này được điều khiển thông qua vận tốc di chuyển của phần di động của puli chủ động. Sato et al (1996) kiểm soát áp lực thứ cấp với thuật toán tổng hợp PI. Lực kẹp puli thứ cấp đƣợc thiết lập để tránh trƣợt của dây đai. Áp lực cho puli chủ động đƣợc điều khiển trực tiếp để đạt đƣợc tỷ số truyền mong muốn. Cả hai áp lực này đƣợc điều khiển bởi thuật toán PID. Kim et al. (1996) nghiên cứu sự đáp ứng điều khiển tỷ số truyền khi cho tín hiệu đầu vào hình sin khi điều khiển tỷ số truyền với thuật toán PID, LQG / LTR (LQG - Linear Quadratic Gaussian/ loop transfer recovery) và thuật toán điều khiển mờ.
Thuật toán điều khiển PID và “mờ” cho thấy phản ứng tốt hơn so với LQG / LTR. Sự đáp ứng kém của bộ điều khiển này đƣợc giải thích bởi thực tế là các hàm truyền phản ánh chính xác tính chất phi tuyến của hệ thống CVT.
Kim et al (1996), Kim and Vachtsevanos ( 2000) giới thiệu một tổng hợp
„mờ‟ để điều khiển tỷ số truyền. Ngoài ra, Van and Luh (1999) sử dụng phản hồi tuyến tính với thuật toán PID để điều khiển tỷ số truyền và một PID cho điều khiển lực kẹp puli thứ cấp. Vroemen et al (2000) và Bonsen (2006) trình bày
phương thức điều khiển tỷ số truyền bao gồm một bộ điều khiển PI nhằm xác định áp lực puli chủ động, và một PI tương ứng xác định áp lực puli thứ cấp. Các phương án và thuật toán của các tác giả trên nghiên cứu cho hệ thống điều khiển thủy lực thủy tĩnh với van tùy động có sơ đồ tổng quát nhƣ hình 1.22.
Hình 1.22. Hệ thống điều khiển thủy lực với van tùy động
Ngoài ra, để điều chỉnh vị trí xác định của đối tƣợng cần điều chỉnh có thể sử dụng mạch điều chỉnh hai điểm. Một trong những ứng dụng điển hình khi ứng dụng mạch điều khiển, điều chỉnh hai điểm để định vị vị trí góc mở của xupap trên ô tô nhƣ hình 1.23 (Toyota, 2006).
Điều chỉnh sớm hay muộn hoặc duy trì thời điểm phối khí, hệ thống sử dụng mạch điều khiển thủy lực với van đóng ngắt điện từ 4/3. ECU động cơ tính toán thời điểm đóng, mở xupáp tối ưu dưới các điều kiện hoạt động khác nhau theo tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga, nhiệt độ nước làm mát, các tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam, cảm biến vị trí trục khuỷu để tính toán thời điểm phối khí thực tế và thực hiện điều khiển phản hồi để điều khiển van với phương thức đóng ngắt để định vị vị trí trục cam theo mong muốn.
Bánh đai sơ cấp
Bánh đai thứ cấp
Van điều khiển
Bơn dầu
Van điều khiển AS
pa ps
pp
Hình 1.23. Hệ thống VVT-I sử dụng mạch điều khiển hai vị trí
Trong các phương pháp điều khiển và điều chỉnh đối tượng trong kỹ thuật, điều chỉnh tuyến tính với các thuật toán ID, PID.. đã đƣợc nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng trong hệ thống thủy lực nhằm điều khiển tỷ số truyền và lực kẹp puli sơ cấp và thứ cấp của truyền lực vô cấp bao vòng. Phương án điều chỉnh này có nhiều ƣu điểm: làm việc ổn định, đảm bảo chính xác của thông số cần điều chỉnh, độ trễ nhỏ… Nhƣng cũng có nhƣợc điển là phải sử dụng van tùy động kèm theo chương trình điều khiển phức tạp có giá thành cao và chi phí bảo dƣỡng lớn. Mặt khác, điều khiển tỷ số truyền bằng van tùy động yêu cầu bắt buộc phải sử dụng hệ thống thủy lực có áp suất không đổi, điều này tạo ra chi phí công suất của động cơ khi hệ thống điều khiển không làm việc.