luận án tiến sĩ nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM



NGUYỄN CÔNG THUẬT




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




LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ







HÀ NỘI – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN CÔNG THUẬT



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



CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ : 62 52 01 03


NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. BÙI HẢI TRIỀU
2. TS. BÙI VIỆT ĐỨC




HÀ NỘI – 2014

i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chƣa từng
để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã đƣợc
cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Tác giả luận án


Nguyễn Công Thuật


ii
LỜI CẢM ƠN

Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy
hƣớng dẫn: PGS.TS. Bùi Hải Triều, TS. Bùi Việt Đức – Bộ môn Động lực, khoa
Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, đã tận tình động viên, chỉ bảo, hƣớng
dẫn và giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành bản luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo Bộ môn Động lực,
Khoa Cơ điện, Ban Quản lý đào tạo, Ban lãnh đạo Học viện Nông nghiệp Việt
Nam đã giúp đỡ về chuyên môn cũng nhƣ tạo điều kiện cho tôi trong quá trình
thực hiện luận án.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu và tập thể cán bộ Khoa Ô tô
Trƣờng Đại học Công nghiệp Việt - Hung đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá
trình triển khai thí nghiệm, thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp trong và
ngoài cơ quan và ngƣời thân đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên, góp ý kiến để tôi
hoàn thành bản luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận án

Nguyễn Công Thuật


iii
MỤC LỤC

Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vi
Danh mục bảng x
Danh mục hình xi
MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết của đề tài 1
2 Giả thuyết vấn đề nghiên cứu 2
3 Phƣơng án kiểm định giả thiết 3
4 Mục tiêu của luận án 3
5 Đối tƣợng nghiên cứu 3
6 Giới hạn nghiên cứu 3
7 Đóng góp mới của luận án 3
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5
1.1 Khái quát về tình hình máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất nông
nghiệp Việt Nam 5
1.2 Tổng quan về truyền động vô cấp trên máy kéo 9
1.2.1 Khái quát về các loại hình truyền lực vô cấp 9
1.2.2 So sánh các loại CVT 15
1.3 Công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến đề tài
luận án 18

1.3.1 Các nghiên cứu về máy kéo với truyền lực vô cấp 18
1.3.2 Các nghiên cứu về điều khiển truyền động vô cấp 24
1.4 Ứng dụng truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ sản xuất
tại Việt Nam 28
Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31
2.1 Phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng 31

iv
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 36
2.2.1 Phƣơng pháp đo các đại lƣợng không điện 37
2.2.2 Phƣơng pháp điều khiển tỷ số truyền 39
2.2.3 Phƣơng pháp tạo tải 46
2.2.4 Phƣơng pháp xử lý và gia công số liệu thực nghiệm 47
Chƣơng 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY KÉO BỐN
BÁNH VỚI HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 48
3.1 Phác thảo sơ đồ truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh 48
3.2 Xây dựng mô hình các hệ thống thành phần 49
3.2.1 Mô hình động cơ máy kéo 49
3.2.2 Mô hình truyền lực vô cấp phân tầng 50
3.2.3 Mô hình hộp số- truyền lực chính và cuối 80
3.2.4 Mô hình bánh xe máy kéo nông nghiệp 81
3.2.5 Mô hình máy nông nghiệp 82
3.2.6 Phần tử điều khiển (ECU) và cảm biến 83
3.2.7 Kết nối mô hình mô phỏng và thử nghiệm mô hình 84
Chƣơng 4 PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU
KHIỂN CỦA MÁY KÉO TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 92
4.1 Lựa chọn máy nông nghiệp đi kèm 92
4.2 Ảnh hƣởng của vị trí lắp cảm biến tải trọng đến tính chất điều khiển
tỷ số truyền của CVT 94
4.3 Ảnh hƣởng của hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền đến tính

chất hoạt động của máy kéo 98
4.3.1 Liên hợp với cày trụ 99
4.3.2 Liên hợp với cày chảo 103
4.3.3 Phân tích sự biến thiên của lực cản cày và tỷ số truyền CVT 106
Chƣơng 5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 110
5.1 Mục đích nghiên cứu 110
5.2 Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm 110
5.2.1 Mô tả chung 110

v
5.2.2 Tính toán, thiết kế các phần tử thiết bị thí nghiệm 111
5.2.3 Hoàn thiện thiết bị thí nghiệm 115
5.3 Tổ chức thí nghiệm 115
5.3.1 Thí nghiệm hệ thống điều khiển tỷ số truyền vô cấp bằng tay 116
5.3.2 Thí nghiệm điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp 118
5.3.3 Thí nghiệm đối chứng đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng 119
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 122
1 Kết luận 122
2 Đề nghị 122
Danh mục công trình đã công bố có liên quan đến luận án 124
Tài liệu tham khảo 125
Phụ lục 129


vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu
Tên gọi
Đơn vị
A

Diện tích tác động của xi lanh tác động một chiều
[mm
2
]
A
1
Diện tích tác động khoang 1của xi lanh hai chiều
[mm
2
]
A
2
Diện tích tác động khoang 2của xi lanh hai chiều
[mm
2
]
b
Bề rộng vành đai CVT
[mm]
b
x

Hệ số giảm chấn Shafai
[mm/N]
C
lx
Độ cứng của lò xo
[N/mm]
d
Đƣờng kính con trƣợt điều khiển van thủy lực

[mm]
E
Mô đun đàn hồi dầu thủy lực
[mm
-2
]
e
Khoảng cách trục của CVT
[mm]
f
Hệ số cản lăn
[-]
f
n
Thành phần lực pháp tuyến tác dụng lên phân tố đai
[N]
f
R
Lực ma sat giữa phân tố dai và bánh đai
[N]
f
t
Thành phần lực tiếp tuyến tác dụng lên phân tố đai
[N]
F
Lực căng đai
[N]
F
1
Lực căng của nhánh đai chủ động CVT

[N]
F
2
Lực căng của nhánh đai bị động CVT
[N]
F
ax1
Lực ép bánh đai chủ động
[N]
F
ax2
Lực ép bánh đai bị động
[N]
F
c
Lực cản máy nông nghiệp
[N]
F
l
Lực cản lăn
[N]
F
lx
Lực ép của lò xo
[N]
F
lx0
Lực ép ban đầu của lò xo
[N]
F

lx1
Giá trị thay đổi của lực ép lò xo
[N]
F
n
Lực pháp tuyến tác dụng lên dây đai
[N]
F
t
Lực tiếp tuyến tác dụng lên dây đai
[N]
F
x
Lực kéo
[N]
F
xl
Lực tác động xi lanh thủy lực
[N]

vii
G
Trọng lƣợng máy kéo
[kG]
h
Chiều cao vành đai CVT
[mm]
i
CVT
Tỷ số truyền của CVT

[-]
i
t
Tỷ số truyền hệ thống truyền lực
[-]
J
Mô-men quán tính máy kéo quy dẫn bánh xe chủ động
[kgm
2
]
J
1
Mô-men quán tính CVT chủ động
[kgm
2
]
J
2
Mô-men quán tính CVT bị động
[kgm
2
]
k
Hệ số hồi quy
[-]
k
DR
Hệ số lƣu lƣợng qua van
[
)/(

2
Nsmm
]
K
PR
Hệ số điều chỉnh
[V/V]
K
VS
Hệ số khếch đại trƣớc
[mm/mA]
L
Chiều dài dây đai
[mm]
M
Khối lƣợng của CVT
[kg]
M
c
Mô-men cảm của máy nông nghiệp
[Nm]
M
CVT
Mô-men trục thứ cấp CVT
[Nm]
Me
Mô-men động cơ
[Nm]
M
k

Mô-men kéo của máy kéo
[Nm]
n
e
Số vòng quay động cơ
[min
-1
]
p
Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh một chiều
[N/m
2
]
p
1
Áp suất dầu thủy lực khoang 1 xi lanh hai chiều
[N/m
2
]
p
1
Áp suất dầu thủy lực khoang 2 xi lanh hai chiều
[N/m
2
]
P
DQ
Áp suất dầu thủy lực
[N/m
2

]
Q
Lƣu lƣợng dầu thủy lực
[mm
3
/s]
Q
1
Lƣu lƣợng dầu thủy lực ra van điều khiển
[mm
3
/s]
Q
2
Lƣu lƣợng dầu thủy lực về van điều khiển
[mm
3
/s]
Q
1z
Lƣu lƣợng từ nguồn vào van qua mép điều khiển 1
[mm
3
/s]
Q
2z
Lƣu lƣợng từ nguồn vào van qua mép điều khiển 2
[mm
3
/s]

Q
1a
Lƣu lƣợng từ van về thùng qua mép điều khiển 1
[mm
3
/s]
Q
2a
Lƣu lƣợng từ van về thùng qua mép điều khiển 2
[mm
3
/s]

viii
r
Bán kính bánh đai
[mm]
R
Bán kính bánh xe máy kéo
[mm]
t
Thời gian khảo sát
[s]
U
Điện áp điều khiển
[V]
U
ist
Điện áp chuyển đổi
[V]

U
soll
Điện áp so sánh
[V]
v
Vận tốc máy kéo
[m/s]
V
0
Thể tích ban đầu xi lanh tác động một chiều
[mm
3
]
V
10
Thể tích ban đầu khoang 1 xi lanh tác động hai chiều
[mm
3
]
V
20
Thể tích ban đầu khoang 2 xi lanh tác động hai chiều
[mm
3
]
x
Quãng đƣờng di chuyển của máy kéo
[m]
x
K

Hành trình điều khiển piston
[mm]
α
Góc nghiêng bánh đai
[°]
β
Góc nghiêng dây đai
[°]
γ
Góc giữa đƣờng tâm của dây đai và hƣớng lực ma sát
[°]
δ
d
Độ trƣợt đai
[%]
δ
m
Độ trƣợt bánh xe máy kéo
[%]
ξ
Hệ số Shafai
[-]
υ
Modun đàn hồi của chất lỏng
[mm
2
/N]
φ
Góc ôm của dây đai trên bánh đai
[°]

φ
1
Góc ôm của dây đai trên bánh đai chủ động
[°]
φ
2
Góc ôm của dây đai trên bánh đai bị động
[°]
ω
Vận tốc góc bánh xe
[rad/s]
ω
d1
Vận tốc góc bánh đai chủ động CVT
[rad/s]
ω
d2
Vận tốc góc bánh đai bị động CVT
[rad/s]
µ
Hệ số ma sát Coulomb
[-]
Φ
Hệ số Guebeli
[-]


ix

Chữ viết tắt

Diễn giải
MNN
Máy nông nghiệp
LHM
Liên hợp máy
CVT
Truyền động vô cấp
PIV
Thay đổi vô cấp chủ động
PID
Thuật toán vi tích phân tỷ lệ
(Proportional Integral Derivative)
LQG / LTR
Thuật toán điều khiển bền vững
(Linear Quadratic Gaussian/ loop transfer recovery)
TĐĐ
Truyền động điện
TĐTT
Truyền động thủy tĩnh
TĐTĐ
Truyền động thủy động


x
DANH MỤC BẢNG

TT
Tên bảng
Trang
1.1 Đánh giá các loại truyền động 16

1.2 So sánh các loại truyền động bao vòng vô cấp 17
3.1 Thông số mô phỏng mô hình điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay 64
3.2 Thông số của mô hình điều khiển tự động bằng van tùy động 75
3.3 Các đặc trƣng thống kê của lực cản cày chảo, trụ cỡ nhỏ 83
4.1 Thông số mô phỏng mô hình khảo sát ảnh hƣởng vị trí lắp cảm biến
tải đến tính chất điều khiển tỷ số truyền CVT máy kéo truyền lực
vô cấp phân tầng 94






xi
DANH MỤC HÌNH

TT
Tên hình
Trang
1.1 Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS12 6
1.2 Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS16,5 7
1.3 Máy kéo nhỏ bốn bánh do VEAM sản xuất 8
1.4 Phân loại truyền động vô cấp 9
1.5 Hộp số tự động 7G-Tronic 10
1.6 Truyền động thủy tĩnh trên máy kéo 11
1.7 Hệ thống Hybrid 12
1.8 Truyền động đĩa ma sát vô cấp 13
1.9 Truyền động bao vòng vô cấp 13
1.10 Truyền động xích vô cấp 14
1.11 Truyền động dây đai kim loại vô cấp 14

1.12 Truyền động đai bản rộng vô cấp 15
1.13 Đánh giá các dạng truyền động vô cấp 16
1.14 Bộ truyền động loại ZF / P.I.V. ASL8 Reimers 19
1.15 Bộ truyền loại ZF / P.I.V. Reimers ASL 210 20
1.16 Bộ truyền loại ZF / P.I.V. Reimers ASL 218 20
1.17 Bộ truyền động loại ZF / P.I.V. Reimers T 518 21
1.18 Hệ thống truyền lực cho máy kéo do Viện Khoa học Nông nghiệp
của Đại học Munich phát triển 22
1.20 Máy kéo nhỏ với hệ thống truyền lực vô cấp phân tầng 24
1.21 Truyền lực vô cấp trên xe máy 25
1.22 Hệ thống điều khiển thủy lực với van tùy động 27
1.23 Hệ thống VVT-I sử dụng mạch điều khiển hai vị trí 28
2.1 Quá trình nghiên cứu bằng phƣơng pháp mô phỏng 36
2.2 Encoder HE40B-6-300-N 38
2.3 Cảm biến áp suất HB40T510 39
2.4 Sơ đồ hệ thống thủy lực điều khiển tỷ số truyền CVT 40
2.5 Tính chất điều khiển và đặc tính lƣu lƣợng của van 40

xii
2.6 Van tiết lƣu và đặc tính lƣu lƣợng của van 41
2.7 Sơ đồ cấu trúc của EasyDAQ U1001 42
2.8 Sơ đồ chƣơng trình kết nối với card điều khiển 43
2.9 Chƣơng trình kết nối với card điều khiển 44
2.10 Sơ đồ khối của chƣơng trình 45
2.11 Chƣơng trình thu thập, xử lí và điều khiển tỷ số truyền 45
2.12 Sơ đồ hệ thống tạo tải bằng thủy lực 46
2.13 Đặc tính mô men của bơm 47
3.1 Sơ đồ truyền công suất của LHM kéo nhỏ 48
3.2 Đặc tính ngoài động cơ D12 50
3.3 Bộ truyền động vô cấp đai đai thang bản rộng 51

3.4 Đặc trƣng hình học của CVT 52
3.5 Mô hình ma sát 53
3.6 Đặc điểm ma sát 53
3.7 Lực tác dụng lên phân tố đai 54
3.8 Lực dụng lên bánh đai 56
3.9 Quan hệ của ξ với tỷ số truyền 59
3.10 Đồ thị đƣờng cong trƣợt thực nghiệm đai thang 60
3.11 Sơ đồ điều khiển iCVT bằng tay 61
3.12 Mô hình CVT với hệ thống điều khiển bằng van đóng ngắt điện –
thủy lực 61
3.13 Cấu trúc van đóng ngắt điện từ 3/3 62
3.14 Đặc tính chuyển động của con trựơt van 63
3.15 Mô hình mô phỏng điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay 63
3.16 Kết quả khảo sát mô hình điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay 64
3.17 Sơ điều khiển tự động sử dụng van tùy động 65
3.18 Mô hình CVT với hệ thống điều khiển tự động bằng van tùy động 66
3.19 Nguyên lý làm việc của van tùy động 66
3.20 Đặc tính Qs – I của van 68
3.21 Đặc tính Q-I 69

xiii
3.22 Đặc tính P-I 70
3.23 Đồ thị Q – I 70
3.24 Cấp điều khiển chính của van tùy động 71
3.25 Bộ điều khiển 72
3.26 Mô hình phần tử xi lanh 73
3.27 Sơ đồ mô phỏng điều khiển tự động bằng van tùy động 76
3.28 Kết quả khảo sát mô hình điều khiển tự động bằng van tùy động 77
3.29 Mô hình điều khiển tự động sử dụng van đóng ngắt điện từ 78
3.30 Sơ đồ mô phỏng điều khiển tự động bằng van đóng ngắt 79

3.31 Kết quả khảo sát mô hình điều khiển tự động bằng van đóng ngắt 80
3.32 Đặc tính kéo bám của bánh xe YM-3000 81
3.33 Lực cản cày trụ 82
3.34 Lực cản cày chảo 83
3.35 Sơ đồ điều khiển ECU 83
3.36 Mô hình mô phỏng động lực học LHM cày với máy kéo truyền lực
vô cấp phân tầng 84
3.37 Xung điều khiển dƣơng (cấp dầu vào xi lanh- giảm tỷ số truyền ) 85
3.38 Xung điều khiển âm (xả dầu – tăng tỷ số truyền ) 86
3.39 Kết quả khảo sát tăng tải trọng dạng bậc 87
3.40 Kết quả khảo sát giảm tải trọng dạng bậc 88
3.41 Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa (ω=1rad/s) 89
3.42 Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa(ω=3rad/s) 89
3.43 Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa (ω=8 rad/s) 90
4.1 Mô hình khảo sát ảnh hƣởng vị trí lắp cảm biến tải đến tính chất
điều khiển tỷ số truyền CVT máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng 95
4.2 Kết quả khảo sát với tải trọng tăng đột ngột 96
4.3 Kết quả khảo sát với tải trọng giảm đột ngột 97
4.4 Mô hình tổng quát mô phỏng trong Matlab-Simulink 98
4.5 Khảo sát với lực cản cày trụ biến động với biên độ nhỏ 99
4.6 Khảo sát với lực cản cày trụ biến động với biên độ lớn 100

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

4.14 Tần suất xuất hiện giá trị tỷ số truyền CVT ứng với các vùng phân
bố lực cản cày trụ 107
4.15 Tần suất xuất hiện giá trị lực cản cày chảo 108
4.16 Tần suất xuất hiện giá trị tỷ số truyền CVT ứng với các vùng phân
bố lực cản cày chảo 108
5.1 Sơ đồ kết nối các phần tử của thiết bị thí nghiệm 111
5.2 Động cơ dùng thí nghiệm 112
5.3 Bánh đai CVT 113
5.4 Trục chủ động CVT 113
5.5 Trục bị động CVT 114
5.6 Bản vẽ lắp 114
5.7 Dây đai CVT (BANDO) 115
5.8 Thiết bị thí nghiệm 115
5.9 Tổ chức thí nghiệm 116
5.10 Kết quả thí nghiệm giảm tỷ số truyền 117
5.11 Kết quả thí nghiệm tăng tỷ số truyền 117
5.12 Kết quả thí nghiệm điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp 118
5.13 Kết quả đối chứng với phƣơng án tăng tải 120
5.14 Kết quả đối chứng với phƣơng án giảm tải 120


1
MỞ ĐẦU

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

Để hoạt động hiệu quả trong điều kiện tải trọng thay đổi phức tạp trong
dải rộng, máy kéo nhỏ cần đƣợc trang bị hộp số có nhiều cấp số truyền đảm bảo
máy kéo làm việc tốt trong canh tác cũng nhƣ trong vận chuyển. Một trong
những phƣơng án tối ƣu là trang bị cho máy kéo hệ thống truyền lực vô cấp đảm
bảo cho tỷ số truyền thay đổi liên tục trên toàn bộ dải tốc độ.
Truyền động vô cấp trên các máy nông nghiệp tự hành và máy kéo đã
đƣợc phát triển trên thế giới từ vài thập kỷ gần đây. Đối với các máy kéo lớn, hệ
thống truyền động vô cấp ƣu tiên sử dụng hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh,
hiệu suất tốt nhất của của truyền động này chỉ hơn 90% (Hagedorn, 1974). Mặt
khác tuyền động vô cấp sử dụng các thành phần thủy lực làm việc với áp suất cao
và do đó chi phí đầu tƣ lớn. Do các nguyên nhân về chi phí chế tạo, trọng lƣợng
và hiệu suất nên việc sử dụng hộp số thủy tĩnh trên các máy kéo công suất nhỏ là
không phù hợp (Kirste, 1988).
Máy kéo có công suất dƣới 20 kW đƣợc sử dụng ở Việt Nam hiện nay với
số lƣợng lớn. Do điều kiện canh tác, cơ cấu cây trồng, máy kéo nhỏ trong tƣơng
lai vẫn có tầm quan trọng lớn trong sản xuất nông nghiệp của Việt Nam. Máy
kéo có hệ thống truyền lực thông thƣờng không còn đáp ứng các yêu cầu hoạt
động ngày càng cao về chất lƣợng hoạt động. Do đó, cần có giải pháp nhằm cải
tiến hệ thống truyền lực đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nhƣng chi phí đầu tƣ phù
hợp với điều kiện kinh tế của nông dân Việt Nam (Viet Duc Bui, 2007).
Các loại máy kéo công suất nhỏ đƣợc sử dụng trong sản xuất nông nghiệp
sử dụng bộ truyền vô cấp đai thang là phù hợp hơn, với ƣu điểm: kết cấu đơn

2
giản, hệ số ma sát cao, lực ép nhỏ, dễ chăm sóc kỹ thuật nên chi phí sản xuất và
vận hành nhỏ (Hofmann, 2000). Mặc dù bộ truyền động vô cấp đai thang có
những lợi thế này nhƣng chúng chƣa đƣợc nghiên cứu sâu và ứng dụng vào máy
kéo nhỏ trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp của Việt Nam.
Điều khiển chính xác tỷ số truyền của truyền động vô cấp theo mục tiêu
mong muốn (độ nhạy, độ trễ và tính kinh tế ) là rất phức tạp, hệ thống điều

khiển có độ nhạy cao, độ trễ nhỏ có chi phí sản xuất lớn và công nghệ chế tạo đòi
hỏi độ chính xác cao. Việc nghiên cứu nhằm lựa chọn ra phƣơng pháp điều khiển
tỷ số truyền của truyền động vô cấp đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật với máy kéo
nông nghiệp nhƣng có công nghệ chế tạo phù hợp và chi phí đầu tƣ ban đầu chấp
nhận đƣợc với các hộ nông dân là thực sự cần thiết để ứng dụng trong thực tiễn.
Để xây dựng cơ sở khoa học nhằm ứng dụng truyền động vô cấp đai thang
điều khiển tự động tỷ số truyền theo mục tiêu đặt ra cho máy kéo nhỏ sản xuất
trong nƣớc, cần phải giải quyết nhiều vấn đề khoa học phức tạp bao gồm việc
nghiên cứu tính chất điều khiển và truyền động của bộ truyền động đai vô cấp
nhằm đƣa ra phƣơng án điều khiển tỷ số truyền phù hợp.
Từ nhu cầu thực tiễn và với những lí do trên, đề tài luận án đặt vấn đề
“Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp
phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh”, nhằm xây dựng cơ sở khoa học cho việc
chế tạo máy kéo nhỏ bốn bánh truyền lực vô cấp phân tầng tại Việt Nam.
2. Giả thuyết vấn đề nghiên cứu
Trên cơ sở kết cấu hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ, thay thế truyền động
đai thang truyền thống bằng bộ truyền động vô cấp đai thang bản rộng kết hợp
hộp số cơ khí đơn giản với hai cấp số truyền (vô cấp phân tầng) điều khiển bằng
tay tƣơng ứng với chế độ canh tác và vận chuyển. Sử dụng phƣơng pháp điều
khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp (CVT) bằng cách thay đổi lực kẹp ở
bánh đai chủ động và bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo, hệ thống thủy lực
điều chỉnh gián đoạn với van đóng ngắt điều khiển lực ép bánh đai chủ động để
đạt đƣợc tỷ số truyền mong muốn.


3
3. Phƣơng án kiểm định giả thiết
Trên cơ sở xây dựng mô hình toán các phần tử, mô hình hóa, mô phỏng
hệ thống, tiến hành khảo sát các phƣơng án điều khiển tỷ số truyền trên mô hình;
thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển tự động tỷ số truyền của truyền động vô cấp

theo tải trọng nhằm kiểm định kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng.
4. Mục tiêu của luận án
Lựa chọn phƣơng án và xây dựng hệ thống điều khiển tự động tỷ số truyền
bộ truyền động đai vô cấp đáp ứng yêu cầu giữ điểm làm việc của LHM tại vùng
làm việc có lợi nhất trên đặc tính của động cơ, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật.
5. Đối tƣợng nghiên cứu
Bộ truyền động vô cấp đai thang cho máy kéo bốn bánh có công suất nhỏ
sử dụng trong sản xuất nông nghiệp của Việt Nam.
6. Giới hạn nghiên cứu
Tính chất truyền động và điều khiển bộ truyền động vô cấp đƣợc nghiên
cứu bằng phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng; thí nghiệm kiểm chứng đƣợc
thực hiện trong phòng thí nghiệm trên cơ sở chế tạo thiết bị thí nghiệm tự động
điều khiển tỷ số truyền theo tải trọng, tải trọng đƣợc tạo bằng cách thay đổi áp
suất trong hệ thống thủy lực phụ tải; phần điều khiển điện tử của thiết bị đƣợc
đơn giản hóa theo mục tiêu nghiên cứu của luận án.
Thời gian nghiên cứu: từ tháng 5 năm 2011 đến tháng 5 năm 2014
7. Đóng góp mới của luận án
Xây dựng mô hình mô phỏng động lực học máy kéo truyền lực vô cấp phân
tầng liên hợp với máy nông nghiệp mô tả đầy đủ về kết cấu, hoạt động và tác động
qua lại giữa các phần tử Máy kéo – Máy cày – Đất canh tác. Mô hình có thể đƣợc
sử dụng để khảo sát linh hoạt hệ thống theo các điều kiện thay đổi tải trọng và mức
ga để đánh giá tính chất điều khiển và truyền động của LHM.
Thiết bị thí nghiệm đƣợc thiết kế chế tạo từ luận án sử dụng các phƣơng
pháp đo, thu nhận số liệu, xử lý và điều khiển hiện đại có thể thử nghiệm tốt các
phƣơng án điều khiển tỷ số truyền và khảo sát các phƣơng án thay đổi tải, đƣợc
sử dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng và tạo cơ sở thực tiễn cho việc xây

4
dựng chƣơng trình điều khiển tỷ số truyền tự động cho máy kéo truyền lực vô
cấp phân tầng.

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

5
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Khái quát về tình hình máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp
Việt Nam
Điều kiện sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam có những nét đặc thù riêng về
địa hình và cơ cấu cây trồng. Đồng bằng Nam bộ có diện tích đất canh tác rộng
thuận lợi phù hợp với những loại máy kéo có công suất trung bình (20 – 60 kW),
do đặc điểm canh tác nên vùng Trung du miền núi phù hợp với các loại máy kéo
có công suất lớn (trên 60 kW), trong khi đó ở đồng bằng Bắc bộ và duyên hải miền
Trung thì diện tích canh tác ít, diện tích các thửa ruộng nhỏ, mặt khác cơ cấu cây
trồng rất đa dạng, không đồng nhất do thiếu quy hoạch nên yêu cầu cơ giới khác
nhau, vì vậy chỉ phù hợp với các máy kéo có công suất nhỏ (Nguyễn Điền và
Nguyễn Đăng Thân, 1984; Nguyễn Văn Sắt, 1990; Hoàng Quốc Đô, 1993).
Mức độ trang bị động lực trên một đơn vị canh tác thể hiện khả năng cơ
giới hóa nông nghiệp của mỗi nƣớc. Ở các nƣớc phát triền tỷ lệ này đạt rất cao,
ví dụ: Mỹ là 92kW/ha, Nhật 25,76kW/ha, Trung Quốc 4,46kW/ha, các nƣớc
Đông Nam Á khoảng 2.994kW/ha, trong khi ở Việt Nam đạt khoảng 1,877kW/ha
(Cục chế biến, 2011). Tính đến năm 2012, ở Việt Nam có khoảng 300 nghìn máy
kéo các loại sử dụng trong sản xuất nông nghiệp với tổng công suất lên tới 3,68
triệu kW, trong đó công suất của máy kéo lớn chỉ chiếm khoảng 40% (Phạm Văn
Lang, 2012), mức độ cơ giới hóa trong khâu làm đất trồng lúa ở miền Bắc là
76,4%, cả nƣớc là 89,5% (Việt Hà, 2013).
Đảng và Nhà nƣớc đã có chủ trƣơng từng bƣớc xây dựng ngành chế tạo

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

6
hẳn và thấp hơn nhiều công nghệ chế tạo máy kéo 4 bánh (Phạm Văn Lang, 1996).
Các máy kéo nhỏ có hệ thống di động phù hợp có thể hoạt động hiệu quả
trên đất khác nhau. Trong sản xuất nông nghiệp chúng đƣợc sử dụng cho các
nhiệm vụ khác nhau nhƣ canh tác, thu hoạch và vận chuyển. Hầu hết các máy
kéo nhỏ sử dụng ở Việt Nam có hai bánh, kết cấu hệ truyền lực rất đơn giản.

Hình 1.1. Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS12
Nguồn: VEAM, 2013
Trên hình 1.1 và 1.2 thể hiện sơ đồ máy kéo nhỏ hai bánh BS12 và BS165
do Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) sản
xuất có các đặc điểm cơ bản sau:
- Động cơ diesel bốn kỳ, một xi-lanh có công suất 12kW (16,5 mã lực).
- Truyền động đai thang từ động cơ xuống hộp số với tỷ số truyền i = 1,68.
- Hộp số cơ khí với 6 số tiến và 2 số lùi.
- Li hợp nằm ở puly bị động của truyền động đai. Sử dụng hai li hợp lái
trên đƣờng truyền lực cuối thay cho bộ vi sai.
9,2kW(12ML)
2200v/p
45Nm
Truyền động
đai(i=1,68)
Phanh

Bánh đai chủ
động
Bánh đai bị động
và li hợp
Tốc độ ứng với
số truyền
Số tiến
I: 1,4 km/h
II: 2,5
III: 4,1
IV: 5,3
V: 9,5
VI: 15,3
Số lùi
RI: 1 km/h
RII: 3,8


7

Hình 1.2. Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS16,5
Nguồn: VEAM, 2013
Dạng truyền động này không còn đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng của
công việc canh tác và ngƣời sử dụng máy kéo. Khi đƣợc sử dụng, chúng có
những nhƣợc điểm sau:
- Lực điều khiển lớn,
- Tính cơ động của máy kéo kém,
- Năng suất thấp,
- Tiêu thụ nhiên liệu cao.
- Vận hành, điều khiển khó khăn.

- Ô nhiễm môi trƣờng
Ngành công nghiệp máy kéo Việt Nam vẫn đang trong giai đoạn ban
đầu của sản xuất các hệ thống máy đơn giản. Trong tƣơng lai định hƣớng sản
xuất đủ nhu cầu trong nƣớc về máy kéo hai bánh với 6, 8 và 12 mã lực và sản
xuất máy kéo bốn bánh đầu tiên với 18, 20, 25 và 30 mã lực. Gần đây Tổng
12,7kW(16,5ML)
2200v/p
55,2Nm
Truyền động
đai(i=1,68)
Phanh
Bánh đai
chủ động
Bánh đai bị động
và li hợp
Tốc độ ứng với số
truyền
Số tiến
I: 1,98 km/h
II: 3,5
III: 5,9
IV: 7,3
V: 13,0
VI: 21,8
Số lùi
RI: 1,56 km/h
RII: 5,78


8

công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam giới thiệu mẫu máy kéo
nhỏ bốn bánh (hình 1.3) đã khắc phục đƣợc một số nhƣợc điểm của máy kéo
hai bánh nhƣ: giảm lực điều khiển nhờ sử dụng cơ cấu lái, tăng tính cơ động
của máy kéo…
Mặc dù đã khắc phục đƣợc một số nhƣợc điểm của máy kéo hai bánh, mẫu
máy kéo này vẫn sử dụng hệ thống truyền lực truyền thống: truyền động đai và
hộp số có sáu số tiến và hai số lùi nên chƣa cải thiện nhiều đƣợc các chỉ tiêu:
năng suất, mức chi phí nhiên liệu, ô nhiễm và mức độ thuận tiện trong điều khiển
vận hành.

Hình 1.3. Máy kéo nhỏ bốn bánh do VEAM sản xuất
Nguồn: VEAM, 2013
Hệ thống máy kéo ở nƣớc ta, cả máy nhỏ và máy lớn phần lớn là có nguồn
gốc nhập ngoại, chủ yếu mang tính tự phát và dƣờng nhƣ còn thiếu những cứ liệu
khoa học trong lựa chọn. Phải qua một thời gian dài sử dụng, thực tiễn đã chọn
lọc đƣợc một số loại máy kéo tƣơng đối phù hợp với điều kiện sản xuất nông
nghiệp của nƣớc ta nhƣ các loại máy kéo MTZ-50, MTZ-80 (đối với miền Bắc);
R-551, MF-265, Steyer 768 và John Deere 3020 (đối với miền Nam). Các máy
kéo nhỏ có công suất dƣới 30kW có nguồn gốc nƣớc ngoài (chủ yếu từ Nhật Bản
và Trung Quốc) cũng đƣợc sử dụng trong sản xuất nông nghiệp.

9
Nhìn chung các máy kéo nhỏ này có đặc điểm cơ bản sau:
+ Động cơ diesel ba xi lanh
+ Li hợp đơn ma sát khô
+ Hệ thống truyền lực có 8 -9 số tiến và 3-4 số lùi
Tuy nhiên trong những năm gần đây, do giá máy kéo quá cao (từ 3.600-
16.000 USD/chiếc), vƣợt quá sức mua của nông dân, cộng thêm sự khan hiếm về
phụ tùng thay thế sửa chữa nên số lƣợng máy nhập mới hầu nhƣ không đáng kể,
chủ yếu là các máy kéo cũ. Nƣớc ta có nguy cơ trở thành bãi thải máy kéo cũ cho

các nƣớc công nghiệp khác. Do vậy, nghiên cứu và sản xuất máy kéo phù hợp
với các điều kiện trong nƣớc là thực sự cần thiết đáp ứng mục tiêu cơ giới hóa
nông nghiệp ở Nƣớc ta.
1.2. Tổng quan về truyền động vô cấp trên máy kéo
1.2.1. Khái quát về các loại hình truyền lực vô cấp
Để kết nối, truyền và biến đổi chuyển động từ động cơ đến bộ phận di
động, hiện nay trên thế giới đã và đang sử dụng rất phổ biến các dạng truyền
động vô cấp (CVT) trong hệ thống truyền lực của máy kéo. Thực tế sử dụng cho
thấy CVT có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với truyền động có cấp (Beuk, 1997).

Hình 1.4. Phân loại truyền động vô cấp
Nguồn: Zsolt et al., 2003
TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP
TĐ THỦY LỰC
TĐ ĐIỆN
TĐ CƠ KHÍ
THỦY TĨNH
THỦY ĐỘNG
ĐĨA MA SÁT
BAO VÒNG
Đ. BẢN RỘNG
ĐAI XÍCH
ĐAI KIM LOẠI