tóm tắt luân án 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



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




TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ





HÀ NỘI - 2014
Công trình hoàn thành tại:
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

Ngƣời hƣớng dẫn: 1. PGS.TS. BÙI HẢI TRIỀU
2. TS. BÙI VIỆT ĐỨC


Phản biện 1: GS.TS. Vũ Đức Lập


Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Bang


Phản biện 3: PGS.TS. Đào Hữu Quyết


Luận án sẽ đƣợc bảo vệ tại hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam
Vào hồi , ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thƣ viện:
- Thƣ viện Quốc gia Việt Nam
- Thƣ viện Học viện Nông nghiệp Việt Nam
- Thƣ viện Trƣờng Đại học Công nghiệp Việt - Hung

1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Máy kéo là thiết bị động lực được 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 (dưới 20 kW) chiếm ưu
thế và được 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 được trang bị hộp số có nhiều
cấp số truyền đảm bảo máy kéo làm việc tốt trong canh tác cũng như
trong vận chuyển. Một trong những phương án tối ưu là trang bị cho
máy kéo hệ thống truyền lực vô cấp (CVT) đảm bảo cho tỷ số truyền
thay đổi liên tục trên toàn bộ dải tốc độ. Việc nghiên cứu nhằm lựa
chọn ra phương pháp điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp
đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật với máy kéo nông nghiệp nhưng có
công nghệ chế tạo phù hợp và chi phí đầu tư ban đầu chấp nhận được
với các hộ nông dân là thực sự cần thiết để ứng dụng trong thực tiễn.
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 lựa chọn phương pháp điều khiển tự
động tỉ số truyền của CVT phù hợp tạo 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-VCPT) điều khiển bằng tay tương ứng với chế độ

2
canh tác và vận chuyển. Sử dụng phương pháp điều khiển tỷ số
truyền 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 được tỷ số
truyền mong muốn.
3. Phƣơng án kiểm định giả thiết
Xây dựng mô hình toán các phần tử, mô hình hóa, mô phỏng

hệ thống tiến hành khảo sát các phương 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 được phương 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
Sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trong nghiên
cứu lý thuyết; thí nghiệm kiểm chứng được 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 được tạo bằng cách thay đổi áp suất
trong hệ thống thủy lực phụ tải; phần điều khiển điện tử của thiết bị
được 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

3
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 được 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. Độ tin cậy và chính xác của
mô hình đã được đánh giá thông qua các thí nghiệm đối chứng.

- Thiết bị thí nghiệm được thiết kế chế tạo từ luận án sử dụng
các phương pháp đo, thu nhận số liệu, xử lý và điều khiển hiện đại có
thể thử nghiệm tốt các phương án điều khiển tỷ số truyền và khảo sát
các phương án thay đổi tải, được sử dụng để kiểm chứng kết quả mô
phỏng và tạo cơ sở thực tiễn cho việc xây dựng chương trình điều
khiển tỷ số truyền tự động cho máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng.
- Xác định được phương án điều khiển tự động tỉ 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, bánh đai bị động tự lựa
nhờ lực lò xo có kết cấu đơn giản, phù hợp với điều kiện sản xuất
Việt Nam.

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
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 nước là 89,5% (Việt Hà,
2013). Hầu hết các máy kéo nhỏ sản xuất trong nước đang sử dụng ở

4
Việt Nam có hai bánh, kết cấu hệ truyền lực rất đơn giản.
1.2. Tổng quan về chuyển 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 trong hệ thống truyền lực của ô tô - máy
kéo. Truyền động vô cấp có thể là truyền động thủy lực, truyền động

điện hay truyền động cơ khí.
1.2.2. So sánh các loại truyền động vô cấp
Truyền động vô cấp ứng dụng trên máy kéo rất đa dạng, trong chế
tạo và sử dụng CVT được đánh giá theo các tiêu chí: Khả năng truyền
mô men, phạm vi thay đổi tỷ số truyền, hiệu suất truyền động, tính nhạy,
độ ồn khi làm việc, thể tích riêng, tuổi thọ. Tuy nhiên, việc so sánh đánh
giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn được dạng truyền động vô
cấp phù hợp cho hệ thống truyền lực của máy kéo phải trên cơ sở công
suất truyền tải. Đối với máy kéo công suất nhỏ được sử dụng trong
sản xuất nông nghiệp, bộ truyền vô cấp đai thang đáp ứng tốt các chỉ
tiêu kinh tế, kỹ thuật.
1.3. Công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến đề
tài luận án
1.3.1 Các nghiên cứu về máy kéo với truyền lực vô cấp
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 ưu trong quá trình canh tác cũng như vận chuyển, cần thiết
phải có thêm trong hệ thống truyền lực một hộp số cơ học có thêm
các cấp số tỷ số truyền. Đã có các nghiên cứu và ứng dụng truyền
động vô cấp cho máy kéo nhỏ trên thế giới. Trong các ứng dụng này,

5
hệ thống truyền lực của máy kéo được bố trí theo hai phương án:
- Truyền lực vô cấp được bố trí trước hộp số cơ học
- Truyền lực vô cấp được bố trí sau hộp số cơ học
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 được một tỉ số truyền mong muốn là một phần tất yếu
của nghiên cứu CVT hơn hai thập kỷ qua.

Để đạt được mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu mong muốn ứng
với các mức độ khác nhau của mô-men xoắn, cả tốc độ động cơ và
mô-men xoắn động cơ cần phải được kiểm soát đồng thời. Các
nghiên cứu và ứng dụng điều khiển CVT sử dụng hệ thống thủy lực
với van tùy động đáp ứng tốt các mục tiêu điều khiển nhưng có
nhược điểm giá thành cao, công nghệ chế tạo phức tạp.
1.4. Ứng dụng truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ
sản xuất tại Việt Nam
Trong truyền động vô cấp sử dụng đai thang bản rộng cho máy
kéo nông nghiệp có công suất nhỏ, việc điều khiển tỷ số truyền có thể
sử dụng lò xo kết hợp với hệ thống thủy lực điều chỉnh gián đoạn sử
dụng van đóng ngắt. Ưu điểm của phương pháp này cho phép sử
dụng nguồn dầu thủy lực có lưu lượng không đổi. Mặt khác, hệ thống
điều khiển hai điểm với van đóng ngắt có chương trình điều khiển
đơn giản, công nghệ chế tạo phù hợp với điều khiển sản xuất trong
nước và chi phí đầu tư thấp rất phù hợp với cho máy kéo có công suất
nhỏ có yêu cầu chi phí đầu tư không cao.
Xuất phát từ mục tiêu trên tác giả Bùi Việt Đức đã thực hiện
nghiên cứu ban đầu nhằm ứng dụng truyền động vô cấp cho máy kéo
nhỏ tại Việt Nam, với đề tài “Nghiên cứu một số quan hệ động lực
học truyền động vô cấp đai thang bản rộng cho máy kéo nhỏ” được

6
thực hiện tại Trường Đại học Rostock năm 2007. Luận án tập chung
vào nghiên cứu tính chất hoạt động của bộ truyền vô cấp sử dụng đai
thang bản rộng và mô phỏng hệ thống truyền lực của máy kéo với bộ
truyền vô cấp đai thang bản rộng với thí dụ hệ thống truyền lực máy
kéo nhỏ. Các phương án nghiên cứu là thay đổi tốc độ quay của động
cơ, thay đổi tải trọng của động cơ, đóng mở li hợp và thay đổi tỉ
truyền. Việc thay đổi tỉ số truyền được thực hiện đơn giản bằng cách

thay đổi lực ép lên đĩa di động của bánh đai chủ động và hệ thống
truyền lực của máy kéo nghiên cứu chỉ giới hạn đến bánh xe máy kéo
và tải trọng chỉ nghiên cứu đơn giản là thay đổi lực kéo của máy kéo.
Như vậy luận án chưa quan tâm đến việc điều khiển tự động tỉ số
truyền của CVT phù hợp với các chế độ làm việc của máy kéo trên
đồng ruộng cũng như khi vận chuyển. Mô hình hệ thống truyền lực
của máy kéo chưa xét đến các hoạt động thực của máy nông nghiệp
khi liên hợp với máy kéo trong quá trình canh tác.
Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng
Trong lĩnh vực động lực học máy, phương pháp mô hình hóa
và mô phỏng được sử dụng rất phổ biến do ưu thế nhiều mặt. Có hai
phương pháp cơ bản trong mô hình hóa là mô hình hóa vật lý và mô
hình hóa toán học. Trong luận án sử dụng chủ yếu phương pháp mô
hình hóa toán học và mô phỏng bằng phần mền Mathlab- simulik để
giải bài toán và khảo sát các vấn đề nghiên cứu.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được sử dụng để kiểm
chứng lý thuyết, so sánh đánh giá mô hình mô phỏng.
Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong luận án được
sử dụng để đạt được mục tiêu chính là chế tạo bộ truyền động đai vô
cấp điều khiển tỷ số truyền tự động theo tải trọng.


7
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
Chƣơng 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY
KÉO BỐN BÁNH TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG
3.1. Phác thảo sơ đồ truyền lực VCPT cho máy kéo nhỏ bốn bánh
Do đặc điểm hoạt động, sự thay đổi của lực cản và vận tốc
chuyển động của máy kéo được phân tầng rõ rệt. Hình 3.1 giới thiệu
sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh đáp
ứng đặc điểm thay đổi tải trọng khi cánh tác và vận chuyển.
Công suất động cơ được truyền tới bánh xe qua CVT, li hợp
ma sát đơn, hộp số bánh răng hai cấp, truyền lực chính và truyền lực
cuối cùng. Với hộp số hai cấp, máy kéo có thể chuyển động với vận
tốc từ 1,5 đến 12,5 km/h khi làm việc trên đồng và 4 đến 22,75 km/h
khi vận chuyển trên đường.

Hình 3.1. Sơ đồ truyền động VCPT cho máy kéo nhỏ
3.2. Xây dựng mô hình các hệ thống thành phần
3.2.1. Mô hình động cơ máy kéo
Luận án tập trung nghiên cứu tính chất hoạt động và điều khiển
của máy kéo, do đó động cơ được nhìn theo ý nghĩa là một nguồn
động lực đáp ứng yêu cầu năng lượng khi hoạt động với tải trọng
khác nhau trong nông nghiệp, trong mô hình nghiên cứu chỉ xem xét

8
động cơ làm việc trên nhánh tự điều chỉnh của đường đặc tính ngoài.
Việc mô tả quan hệ giữa mô men và tốc độ trong nhánh này thể hiện
qua công thức:
NN
nn
nn
M
M



max
max

(3-1)
3.2.2. Mô hình truyền động vô cấp phân tầng
Truyền lực vô cấp phân tầng bao gồm: truyền lực vô cấp đai
thang bản rộng điều khiển được tỷ số truyền, li hợp ma sát đơn, hộp
số phân tầng bánh răng ăn khớp ngoài có hai số tiến và một số lùi,
truyền lực chính và truyền lực cuối. Do mục tiêu nghiên cứu, trong
mô hình chỉ mô phỏng phần tử truyền động vô cấp.
* Mô hình truyền động đai vô cấp bản rộng.
Khả năng truyền công suất của bộ truyền động đai biến tốc phụ
thuộc vào lực ma sát giữa dây đai và bánh đai, lực ma sát được tạo ra
nhờ lực ép và hệ số ma sát. Giá trị của các lực ép có ảnh hưởng quyết
định tới sự truyền mô men giữa các trục truyền động. Để bộ truyền
đai không bị trượt trơn, các lực ép được tính toán sao cho mô-men
ma sát lớn hơn mô – men được truyền. Tỷ số truyền được giữ cố định
nhờ một trạng thái ổn định của lực ép trên bánh đai chủ động.

Hình 3.2. Lực dụng lên bánh đai

9
Để xác định lực ép yêu cầu cho một trạng thái làm việc ổn
định, cần phải tính toán thành phần lực tác động theo hướng dọc trục
trên cung ôm giữa dây đai và bánh đai (hình 3.2).




0
)sincos()( dffF
RNax
(3-2)

Mô men truyền qua đai được xác định qua lực ma sát theo
phương tiếp tuyến của dây đai và bánh đai.



1
0
111


drfM
T
(3-3)



2
0
2212


drfM
T
(3-4)
Lực ép trên các bánh đai được xác định như sau:
Trên bánh đai chủ động: F
ax1
= F
xl0
+ F

xl1
(3-5)
F
xl
được xác định từ xi lanh thủy lực: F
xl
= A
1
.p
1
(3-6)
Trên bánh đai bị động: F
ax2
= F
lx
+ F
xl1
(3-7)
F
xl
và F
xl1
là lực ép và giá trị thay đổi của lò xo
Lực ép lò xo được xác định theo công thức
F
lx
= F
lx0
+ C
lx

x
lx(i)
(3-8)
Trong đó F
lx0
là lực ép ban đầu C
lx
là độ cứng của lò xo
Các giá trị thay đổi của lực ép trên các bánh đai thường không
diễn ra đồng thời, một trong hai giá trị thay đổi này luôn bằng không.
Nếu F
ax1
> 0 thì F
ax2
= 0 và F
ax2
> 0 thì F
ax1
= 0
Lực ép thay đổi không chỉ tạo ra sự thay đổi động lực học tỷ
số truyền mà còn đưa đến sự khác biệt của lực ép trên các bánh đai,
sự khác biệt này chính là tỷ số giữa lực ép trên bánh đai chủ động và
lực ép trên bánh đai bị động. Tỷ số lực ép giữa các bánh đai phụ
thuộc vào tỷ số truyền và mô men, các giá trị của thông số này
thường được xác định từ thực nghiệm.
Sự thay đổi tỷ số truyền: Luận án sử dụng mô hình của Shafai
(1995) dưới đây.

10
xk

axaxcvtcvt
bel
FFi
dt
di
).2(tan2
)()1(
*
11
2





(3-9)
*
1ax
F
xác định theo quan hệ

),,(
*
201
*
1 axax
FiMfF 
(3-10)





















*
2
*
1
0
2
1
0
ax
ax
dt
di

ax
ax
F
F
F
F

(3-11)
*
2ax
F
- Lực ép tức thời của lò xo; b
x
- hệ số giảm chấn Shafai
Để tính toán mô phỏng tỷ số truyền của CVT, giá trị của ξ
được xác định bằng thực nghiệm.
* Mô hình hệ thống điều khiển bằng thủy lực
Để đánh giá tính chất điều khiển của hệ thống thủy lực, luận án
tiến hành mô phỏng, khảo sát hệ thống thủy lực với van tùy động và
van đóng ngắt 3/3. Từ kết quả khảo sát lựa chọn hệ thống thủy lực sử
dụng van đóng ngắt 3/3 điều khiển tỉ số truyền cho CVT (hình 3.3).

Hình 3.3. Mô hình điều khiển tự động sử dụng van đóng
ngắt điện từ
Bộ điều khiển sử dụng phương thức điều khiển hai điểm theo
sai lệch, tạo ra tín hiệu điều khiển dạng xung. Van đóng ngắt điện từ
3/3 điều khiển dòng dầu vào - ra xi lanh cho đến khi đạt được vị trí
mong muốn.
Nguồn cấp dầu thủy lực: Trong mô hình sử dụng nguồn thủy
lực có áp suất p

DQ
không đổi.
Xi lanh: Sử dụng xi lanh tác động một chiều có phương trình
gia tốc chuyển động của piston:
m
FFF
a
msLX


(3-12)
Van đóng
ngắt điện từ
Xi lanh
thủy lực

CVT

p
Q
i
F
Điện tử điều
chỉnh vị trí

Nguồn
thủy lực

Tín hiệu
vào

11
Trong đó:
pAF .
- lực đẩy của piston; F
LX
– là lực ép của
bánh đai bị động:
xCFF
LX
.
0

(3-13)
F
ms
- lực ma sát: F
ms
= μF
LX
sign(v) (3-14)
Van đóng ngắt 3/3 điều khiển điện: Van thực hiện việc đóng
ngắt dòng dầu thủy lực bằng tín hiệu điện từ điều khiển con trượt di
chuyển, tác động trả về nhờ lực lò xo.
Phương trình dòng chảy thủy lực qua van:
Khi cấp dầu:
 
ppsignppAkQ
DQDQvDr


(3-15)
Khi xả dầu:
pAkQ
vDr

(3-16)
Trong đó: Q- lưu lượng qua van; p
DQ
- áp suất nguồn cung cấp;
p- áp suất làm việc; A
v
- diện tích lưu thông qua van; k
Dr
- hệ số lưu
lượng của van.
Trên cơ sở mô hình toán học và mối quan hệ giữa các phần tử,
mô hình được mô phỏng bằng phần mền Mathlab-simulink. Kết
quả khảo sát là sự thay đổi các thông số lưu lượng, áp suất dầu,
hành trình và vận tốc dịch chuyển piston dưới tác động mở van
cấp dầu và xả dầu.









Hình 3.4. Kết quả khảo sát điều khiển tự động bằng van đóng ngắt

1- Xung điều khiển; 2- Hành trình piston
1
2

12
Nhận xét: Quá trình điều khiển khi sử dụng van đóng ngắt 3/3
với xi lanh tác động một chiều, hành trình trả về có độ trễ lớn hơn
hành trình tiến (hành trình mở van cấp dầu là 0,1giây, hành trình trả
về là 0,15 giây). Tỷ số truyền của CVT thay đổi tương thích với
chuyển vị của piston điều khiển.
* Mô hình hộp số- truyền lực chính và cuối
Trong quá trình canh tác hay vận chuyển, hộp số của máy kéo sẽ
cài tương ứng với với một số truyền, tỷ số truyền của truyền động vô cấp
được điều khiển tự động phù hợp với sự thay đổi tải trọng. Phần tử hộp số-
truyền lực chính và truyền lực cuối được thể hiện qua bộ truyền có tỷ số
truyền động cố định trong các chế độ canh tác hay vận chuyển.
3.2.3. Mô hình bánh xe máy kéo nông nghiệp
Trong quá trình hoạt động bánh xe chủ động không những đỡ
trọng lượng của máy kéo mà còn chuyển đổi chuyển động quay được
tạo ra bởi động cơ thành chuyển động tịnh tiến giúp máy kéo chuyển
động. Máy kéo bốn bánh trong mô hình sử dụng bánh chủ động có
thông số kết cấu tương tự với các bánh xe của máy kéo Yanmar –
3000. Đặc tính trượt của bánh xe khi làm việc trên đất gốc rạ sau thu
hoạch được hồi quy theo công thức:
)1(
max
s
e





(3-17)
Trong đó: μ - hệ số bám; μ
max
= 0.78 - hệ số bám cực đại của
bánh xe; hệ số hồi quy k = 0.93.
3.2.4. Mô hình máy nông nghiệp
Máy nông nghiệp là phần tử tác động trực tiếp vào đối tượng
để thực hiện quá trình công nghệ. Các liên hợp máy kéo nhỏ sử dụng
trong nông nghiệp được sử dụng chủ yếu trong khâu làm đất và phổ
biến là liên hợp với cày. Trong quá trình canh tác, lực cản cày lớn và
biến động mạnh nên lựa chọn MNN đi kèm trong mô hình mô phỏng
có thể phản ánh tương đối đầy đủ các dạng tải của MNN.

13
3.2.5. Phần tử điều khiển (ECU) và cảm biến
* Phần tử điều khiển: Trên cơ sở thông số vào, ECU xử lý
đưa gia giá trị tỷ số truyền phù hợp với tải và tiến hành phát xung
điều khiển hệ thống thủy lực theo phương thức điều chỉnh hai điểm.
* Cảm biến: Phần tử cảm biến được giả thiết hoạt động tức
thời, không có sai số, quan hệ giữa thông số vào và ra được đặc trưng
bởi hệ số chuyển đổi.
3.2.6. Kết nối mô hình mô phỏng và thử nghiệm mô hình
Trên cơ sở mô hình của các phần tử, dựa vào điều kiện hoạt
động và các mối quan hệ vật lý giữa các phần tử, tiến hành nối ghép
các phần tử được mô hình LHM hoàn chỉnh (hình 3.5).

Hình 3.5. Mô hình mô phỏng động lực học LHM cày với máy kéo
truyền lực vô cấp phân tầng
3.2.6.1. Khảo sát với hệ thống điều khiển tỷ số truyền bằng tay: Nhằm
đánh giá phản ứng của hệ thống khi tác động xung điều khiển dạng
bậc (hình 3.6 và 3.7).




j
1

ω
b
M
M
M
d
M
K
s

1



ECU
1


F
l
F
Z
s
1

m
1

r
1

δ(v,ω)
µ
i
CV
T
Ψ
ga
F
CX

Loại cày

Loại đất

v
f
2

3

4


M
X
5

6

j
1

δ
d
(ω)
ω
d
ω
M
s

1


14





Hình 3. 6. Giảm tỷ số truyền




Hình 3.7. Tăng tỷ số truyền
Nhận xét: Khi tác động xung điều khiển, các thông số của mô
hình: tỷ số truyền, mô men và tốc độ góc của CVT thay đổi phù hợp.
3.2.6.2. Khảo sát với hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền
Thay đổi tải trọng dạng bậc: Khảo sát nhằm đánh giá phản
ứng của hệ thống khi tải ngoài thay đổi dạng bậc, thực chất là đánh
giá quá trình chuyển tiếp xẩy ra trong các phần tử (hình 3.8 và 3.9).

Hình 3.8. Kết quả khảo sát tăng tải trọng dạng bậc

15








Hình 3.9. Kết quả khảo sát giảm tải trọng dạng bậc
Nhận xét: Thay đổi tải trọng tăng và giảm dạng bậc, tỷ số
truyền của CVT thay đổi phù hợp với sự thay đổi của tải nhưng thời
gian thay đổi là không như nhau.
Thay đổi tải trọng dạng điều hòa: Nhằm đánh giá miền tần số
mà hệ thống có thể đáp ứng trong quá trình điều khiển (hình 3.10).








Hình 3.10. Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa
khi tần số kích thích < 8 (rad/s), hệ thống điều khiển đáp ứng
tốt nhất, sự thay đổi tỷ số truyền theo kịp sự thay đổi tải, mô men
động cơ biến động nhỏ. Khi tần số kích thích 8 ≥ (rad/s), quá trình
điều khiển tỷ số truyền không theo kịp sự thay đổi tải do đó động cơ

phải tự điều nên mô men động cơ dao động với biên độ lớn hơn.

16
Chƣơng 4. PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT HOẠT ĐỘNG
VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA MÁY KÉO TRUYỀN LỰC VÔ CẤP
PHÂN TẦNG
4.1. Lựa chọn máy nông nghiệp đi kèm
Tải trọng của máy cày chủ yếu là lực cản, do tính chất đa dạng
của đất canh tác nên lực cản cày là hàm ngẫu nhiên và có sự biến
động lớn. Xuất phát từ mục đích nghiên cứu tính chất điều khiển và
truyền động vô cấp nên trong mô hình mô phỏng máy kéo nhỏ truyền
lực vô cấp phân tầng lựa chọn máy cày là máy nông nghiệp đi kèm.
4.2. Ảnh hƣởng của vị trí lắp cảm biến tải trọng đến tính chất
điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp
Lựa chọn bố trí cảm biến tải trọng sao cho phản ánh tức thời,
trung thực sự thay đổi tải là yếu tố quan trọng giúp cho việc điều
khiển tỷ số truyền CVT chính xác, kịp thời với sự thay đổi của tải
đảm bảo động cơ làm việc ổn định ở vùng có lợi về các chỉ tiêu kinh
tế kỹ thuật là cần thiết. Mặc khác, việc bố trí và lựa chọn cảm biến
sao cho khi liên hợp với MNN đơn giảm và thuận tiện cho việc chăm
sóc kỹ thuật là vấn đề cần được quan tâm. Có hai vị trí có thể lựa
chọn để bố trí cảm biến:
+ Cảm biến mô men đặt trên đường truyền lực chính, phương
án này có thể xác định được tải trọng khi liên hợp với máy nông
nghiệp có tải là mô men cản nhưng chúng có nhược điểm gá lắp khó
khăn và giá thành cao;
+ Cảm biến lực lắp trên thanh treo dưới khi liên hợp với máy
nông nghiệp. Ưu điểm có phương pháp này là gá lắp đơn giản, cảm
biến lực có giá thành thấp dễ chăm sóc kỹ thuật.
Trong mục này tiến hành khảo sát hai vị trí lắp cảm biến trên

mô hình mô phỏng nhằm lựa chọn phương án phù hợp. Quá trình

17
khảo sát được thực hiện bằng hai phương án tăng và giảm tải đột
ngột. Các thông số khảo sát là tỷ số truyền CVT mô men và tốc độ
góc của động cơ. Kết quả khảo sát thể hiện trên hình 4.1 và 4.2







Hình 4.1. Kết quả khảo sát với tải trọng tăng đột ngột








Hình 4.2. Kết quả khảo sát với tải trọng giảm đột ngột
1-lực cản; 2- mô men động cơ; 3- tốc độ góc động cơ (trục sơ cấp
CVT); 4- tốc độ góc trục thứ cấp CVT; 5- mô men bánh xe ; 6- tỷ số
truyền CVT; (*)-kết quả khảo sát sử dụng cảm biến mô men lắp trên
đường truyền lực
Thời gian ổn định của hệ thống trong hai phương án bố trí cảm
biến là như nhau. Tuy nhiên sử dụng cảm biến lực giúp cho quá trình
điều khiển tỷ số truyền CVT nhanh, chính xác phù hợp với LHM có

tải trọng biến động lớn. Trong các phương mô phỏng, khảo nghiệm
5
1
2
2
*
3
3
*
4
4
*
6
*
6
5
*
6
2
*
1
4
*
4
3
5
*
5
6
*

2

18
tiếp theo sử dụng cảm biến lực để điều khiển tỷ số truyền CVT.
4.3. Ảnh hƣởng của hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền đến
tính chất hoạt động của máy kéo
Ảnh hưởng của hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền đến
tính chất hoạt động của máy kéo có thể dược xem như là phản ứng hệ
thống điều khiển tỷ số truyền, các thông số động học và động lực học
của LHM khi tải trọng ngoài thay đổi. Mô hình động lực học LHM
cày với máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng trên hình 3.5 được mô
phỏng trên phần mền Matlab-Simulink và khảo sát các trường hợp
đặc trưng của cản cày.
4.3.1. Liên hợp với cày trụ
Kết quả khảo sát khi cày trụ đi vào vùng đất cứng được thể
hiện trên hình 4.3.







Hình 4.3. Khảo sát với lực cản cày tăng do đi vào vùng đất cứng
Khi tải trọng trung bình tăng 800N, tỷ số truyền của CVT được
điều khiển thay đổi từ giá trị trung bình 1,1 lên 1,6. Điểm làm việc
của động cơ được điều chỉnh gần điểm làm việc lựa chọn. Do sự thay
đổi lớn tải trọng nên độ trượt của LHM lúc tải lớn lên tới 50%.
4.3.2. Liên hợp với cày chảo
Cày chảo được sử dụng khá phổ biến trong khâu làm đất nhờ

kết cấu đơn giản, hiệu suất hoạt động cao. Kết quả khảo sát với cày
chảo đi vào vùng đất mền được thể hiện trong hình 4.4.
2
1
3
4
5
6
7
8

19








Hình 4.4. Khảo sát với lực cản cày chảo đi vào vùng đất mềm
Nhận xét: Khi tải trọng thay đổi, tỷ số truyền của CVT đáp ứng
tốt với sự thay đổi của tải, động cơ làn việc ổn định, tùy theo giá trị
của lực cản mà độ trượt của LHM từ 10 đến 32%.

Chƣơng 5. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
5.1. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng mô
hinh mô phỏng và xác định, đánh giá các thông số trong quá trình
truyền động và điều khiển tự động tỷ số truyền của CVT bằng van

đóng ngắt điện - thủy lực cho máy kéo nông nghiệp cỡ nhỏ.
5.2. Thiết kế, Chế tạo mô hình thí nghiệm
Trên cơ sở mục đích thí nghiệm, tiến hành tính toán thiết kế -
chế tạo, lựa chọn các phần tử của hệ thống thí nghiệm và được lắp
ráp hoàn thiện tại xưởng thí - thực nghiệm của trường Đại học Công
nghiệp Việt – Hung.
5.3. Tổ chức thí nghiệm
Trong thí nghiệm, đối tượng nghiên cứu là tính chất truyền
động của bộ truyền đai vô cấp và tính chất điều khiển - điều chỉnh
của bộ điều khiển tỉ số truyền bằng thủy lực sử dụng van đóng ngắt
3/3 khi tải trọng ngoài thay đổi.
2
1
4
3
5
6
7
8

20
5.3.1. Thí nghiệm hệ thống điều khiển tỷ số truyền vô cấp bằng tay
Mục đích của thí nghiệm nhằm đánh giá khả năng điều khiển
tỷ số truyền CVT của hệ thống thủy lực.
Phương án thí nghiệm: Giữ cố định tải trọng và vị trí tay thước
nhiên liệu, cấp xung điều khiển cho van đóng ngắt 3/3 để thực hiện
hành trình cấp dầu và xả dầu từ xi lanh về thùng. Tiến hành thí
nghiệm với các vị trí van tiết lưu trong hệ thống điều khiển thủy lực.
Kết quả thí nghiệm: là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ
số truyền, tốc độ quay hai trục của CVT theo thời gian (hình 5.1, 5.2)

Hình 5.1. Kết quả thí nghiệm giảm tỷ số truyền





Hình 5.2. Kết quả thí nghiệm tăng tỷ số truyền
Nhận xét: Trong các phương án thí nghiệm, các thông số thu
nhận được phản ánh đúng quy luật điều khiển. Thời gian tăng tỷ số
truyền từ 1,2 lên 1,8 hết 0,55 giây, thời gian giảm tỷ số truyền từ 1,8
1
2
3
4
1
2
3
4

21
xuống 1,2 hết 0,75 giây. Cùng một dải thay đổi tỷ số truyền của

CVT, hành trình giảm tỷ số truyền - tức là hành trình tác động của hệ
thống điều khiển thủy lực - lớn hơn hành trình tăng tỷ số truyền -
hành trình tác động trả về nhờ lực lò xo.
5.3.2. Thí nghiệm điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp
Mục đích thí nghiệm: đánh giá khả năng điều khiển tự động tỷ
số truyền CVT của hệ thống điều khiển khi tải trọng ngoài thay đổi.
Phương án thí nghiệm: Giữ cố định vị trí tay thước nhiên liệu
(mức ga không đổi), tiến hành thay đổi tải trọng bằng cách thay đổi
vị trí van tiết lưu và đóng ngắt van điện từ 2/2 trong hệ thống tạo tải.
Giá trị mô men cản thông qua sự thay đổi của áp suất chuyển đổi
thành tín hiệu điện nhờ cảm biến là thông số vào cho bộ điều khiển.
Kết quả thí nghiệm: là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ số
truyền CVT, tốc độ quay hai trục của CVT theo thời gian khi tải
trọng ngoài thay đổi (hình 5.3).










Hình 5.3. Kết quả thí nghiệm ĐKTĐ tỷ số truyền vô cấp
Nhận xét: Khi thực hiện các phương án thay đổi tải trọng, hệ
thống đã tự động điều khiển được tỷ số truyền của CVT theo yêu cầu
1
2
3

4

22
của bài toán. Sự đáp ứng của hệ thống khi tải trọng tăng tốt hơn khi
tải trọng giảm, độ trễ điều khiển khi tăng tải 0.12 giây, khi giảm tải
hết 0,4 giây. Điều này được giải thích hệ thống thủy lực trong thí
nghiệm không sử dụng phương án ổn định áp suất, nên khi tác động
áp suất hệ thống tăng từ 0 lên áp suất đủ lớn để ép đĩa di động của
bánh đai.
5.3.3. Thí nghiệm đối chứng đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng
Để kiểm chứng kết mức độ chính xác giữa kết quả mô phỏng
và thí nghiệm, kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng
trên cùng đồ thị với các điều kiện thông số vào của quá trình điều
khiển được thực hiện như nhau giữa hai mô hình. Thông số vào của
thí nghiệm là tải trọng và thông số ra là tỷ số truyền và tốc độ góc
của CVT.
Mục tiêu so sánh sự khác biệt trong quá trình điều khiển và độ
trễ điều khiển của mô hình thực tế và mô hình mô phỏng. Thí nghiệm
đối chứng thực hiện hai phương án tăng và giảm tải trọng, kết quả
được thể hiện trên hình 5.4 và 5.5.

Hình 5.4. Kết quả đối chứng với phƣơng án tăng tải
i
CVT


3

2

1
Nm


45

30

15
Rad/s

200

100


i
CV
T
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
3.0(s)
Kết quả mô phỏng
Kết quả thực nghiệm
i
CV
T
M
C
ω
1

ω
2

23







Hình 5. 5. Kết quả đối chứng với phƣơng án giảm tải
Nhận xét: kết quả thực nghiệm cho thấy tính chất truyền động
và điều khiển phản ánh đúng dạng với kết quả mô phỏng. Thời gian
thay đổi tỷ số truyền và thời gian trễ trong thực nghiệm lớn hơn trong
mô phỏng. Cùng khoảng thay đổi tỷ số truyền (i=0,5), quá trình điều
khiển tính từ khi tải trọng tăng đến khi kết thúc điều khiển, trong thực
nghiệm khi tăng tải hết 0,5 giây và phù hợp với kết quả mô phỏng,
nhưng khi giảm tải hết 1,1 giây trong khi phỏng là 0,2 giây.

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
1. Kết luận
1) Mô hình mô phỏng động lực học máy kéo truyền lực vô cấp
phân tầng liên hợp với MNN đã xây dựng trong luận án 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 được 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.
2) Thiết bị thí nghiệm thử nghiệm tốt các phương án điều
khiển tỷ số truyền và khảo sát các phương án thay đổi tải, được sử

dụng để kiểm chứng kết quả mô phỏng và tạo cơ sở thực tiễn cho
việc xây dựng chương trình điều khiển tỉ số truyền cho máy kéo
truyền lực VCPT.
i
CVT

3

2

1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0(s)
Nm


45

30

15
Rad/s


200

100


Kết quả mô phỏng
Kết quả thực nghiệm

i
CVT
M
C
ω
1
ω
2