Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh xe cơ giới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

Luyện Văn Hiếu

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ
THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG
TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
KHI PHANH XE CƠ GIỚI
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Mã số: 9520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2019


Công trình được thực hiện tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
-------------------------------

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Ngô Sỹ Lộc
2. TS. Trần Khánh Dương

Phản biện 1: ……………………………………..…….
Phản biện 2: ………………………………………..….
Phản biện 3: ……………………………………………

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án

tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội
Vào hồi …….giờ, ngày ….. tháng …. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Luyện Văn Hiếu, Ngô Sỹ Lộc, Trần Khánh Dương (2015). Công nghệ
thu hồi năng lượng động năng sử dụng bình tích áp thủy lực. Tuyển tập
Công trình – Hội nghị Khoa học Cơ học thủy khí toàn quốc năm 2015.
tr. 325-332;
2. Luyện Văn Hiếu, Ngô Sỹ Lộc, Trần Khánh Dương (2016). Nghiên cứu
hiệu quả thu hồi động năng xe chuyên dùng bằng bình tích năng thủy
khí. Tuyển tập Công trình – Hội nghị Khoa học Cơ học thủy khí toàn
quốc năm 2016. tr. 223-233;
3. Luyện Văn Hiếu, Ngô Sỹ Lộc, Trần Khánh Dương (2018). Giới thiệu
hệ thống thực nghiệm phanh thu hồi năng lượng động năng bằng bình
tích năng thủy lực trên xe ô tô chuyên dùng. Tạp chí Cơ khí Việt Nam,
số 3 năm 2018. tr. 58-65;
4. Luyện Văn Hiếu, Ngô Sỹ Lộc, Trần Khánh Dương (2018). Một số kết
quả nghiên cứu thực nghiệm hệ thống phanh thu năng lượng động năng
sử dụng bình tích áp thủy lực lắp trên xe thu gom rác 2,5 tấn. Tạp chí
Cơ khí Việt Nam, số 4 năm 2018. tr. 100-106;
5. Luyen Van Hieu, Ngo Sy Loc, Tran Khanh Duong (2018). A Hydraulic
Regenerative
Braking
System:

Some
Modeling
and
ExperimentalResults. Journal of Science & Technology technical
universities, No 127B, 2018, page 57-62.
6. Luyen Van Hieu, Ngo Sy Loc, Tran Khanh Duong (2018). Studying
hydraulic regenerative braking system on the dump truck. The first
International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems
2018, page 68-73;
7. Luyen Van Hieu, Ngo Sy Loc, Tran Khanh Duong, Pham Van Hai and
Dong Minh Tuan (2018). Modeling and simulating specialized vehicle
regenerative braking system. The first International Conference on
Fluid Machinery and Automation Systems 2018, page 347-352.

3


1. MỞ ĐẦU
1.1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện nay, năng lượng hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt [1], để
phát triển bền vững kinh tế, cũng như bảo vệ môi trường là yêu cầu cấp
bách đối với mọi quốc gia.
Ngày 25 tháng 11 năm 2015 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết
định phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến
năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050. Do vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng,
cũng như khai thác các nguồn năng lượng tái tạo đang được ưu tiên phát
triển ở nước ta hiện nay [2].
Hiện nay xe chuyên dùng sử dụng thu gom chở rác ở nước ta với số
lượng lớn [3], hệ thống phanh của dòng xe này đang sử dụng thường là hệ
thống phanh dạng ma sát, trong quá trình phanh hãm xe, hệ thống phanh

kiểu này thực hiện biến đổi động năng của xe sang nhiệt năng, tiêu tán ra
môi trường xung quanh, không được thu hồi, hơn nữa do đặc điểm khai thác
mà dòng xe này có tần xuất phanh dừng cao, công suất phanh lớn, dẫn đến
sự lãng phí năng lượng, ngoài ra còn sản sinh ra lượng khí phát thải lớn gây
ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên để thay thế hết các dòng xe đang lưu hành
này trong điều kiện kinh tế khó khăn ở nước ta là một công việc khó khăn,
do đó hướng nghiên cứu để phát triển một hệ thống phanh thu năng thủy
lực trên các dòng xe chuyên dùng thu gom chở rác cần được đặt ra.
Nhằm hướng đến phát triển một hệ thống phanh có khả năng khai thác,
thu năng lượng động năng trên xe chuyên dùng thu gom chở rác, tác giả đã
lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng
bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh xe cơ giới” là nội dung
nghiên cứu trong luận án.
1.2. Mục đích nghiên cứu
- Đề xuất cấu hình một hệ thống thủy lực có khả năng thu hồi năng lượng
động năng khi phanh xe chuyên dùng thu gom rác tải trọng 2,5 tấn;
- Từ cấu hình đề xuất, nghiên cứu đánh giá khả năng phanh thu năng
lượng động năng của hệ thống phanh như một hàm số của các thông số vận
hành như: tốc độ xe theo các tay số, khối lượng xe và thông số áp suất bình
áp năng thủy lực.
1.3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Xe chuyên dùng thu gom chở rác sử dụng hộp số
sàn có gắn hộp chia công suất hạng nhẹ.
4


Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tỉ lệ thu năng bằng hệ thống truyền
động thủy lực sử dụng bình áp năng lắp kết nối với hộp chia công suất trên
xe chuyên dùng thu gom chở rác loại 2,5 tấn di chuyển ở vùng đồng bằng.
Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý

thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm vật lý có tham khảo các kết quả
nghiên cứu ở trong nước và quốc tế.
+ Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình lý thuyết phù hợp với môi trường
Matlab-Simulink được xây dựng, các đặc tính công tác được nghiên cứu và
đánh giá.
+ Nghiên cứu thực nghiệm: Hệ thống được thiết kế, lựa chọn, chế tạo,
lắp đặt, thử nghiệm, tỉ lệ thu năng đã được đánh giá và so sánh với kết quả
nghiên cứu lý thuyết.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án đã vận dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để
chỉ rõ cụ thể phương pháp thu năng lượng động năng trong quá trình phanh
xe chuyên dùng thu gom rác bằng hệ thống truyền động thủy lực sử dụng
bình áp năng thủy lực để tích trữ, năng lượng thu được sẽ được tái sử dụng
trên chính phương tiện xe đó.
Công nghệ phanh thu năng lượng động năng xe cơ giới ngày càng được
sử dụng rộng rãi ở nhiều nước, tuy nhiên ở nước ta nghiên cứu về công nghệ
này còn hạn chế, do đó nội dung nghiên cứu của luận án góp phần vào kho
nguồn tài liệu bổ trợ cho các nhà sản xuất xe chuyên dùng ở nước ta, thúc
đẩy sự phát triển hệ thống phanh thu động năng bằng hệ thống truyền động
thủy lực sử dụng bình áp năng thủy lực lắp trên dòng xe chuyên dùng thu
gom rác.
1.5. Các điểm mới của luận án đạt được
- Đề xuất được cấu hình hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng
hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên xe chuyên dùng thu gom chở rác
tải trọng 2,5 tấn;
- Thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống phanh thu
năng lượng động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên đối
tượng xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn;
- Đánh giá tỉ lệ thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe
chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn theo chế độ vận hành xe như: thay đổi

tay số truyền - vận tốc xe, áp suất bình áp năng thủy lực và khối lượng xe;
5


- Có thể khai thác động năng bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực kết
nối với hộp chia công suất trên dòng xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5
tấn và dòng xe chuyên dùng có tính năng tương đương.
1.6. Cấu trúc của luận án: Trình bày trong 4 chương
2. NỘI DUNG CHÍNH
2.1 Mô hình hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu
gom rác 2,5 tấn
2.1.1. Cấu hình hệ thống phanh thu năng thủy lực
S¬ ®å bµn ®¹p phanh
pacc
5

4

6

8 9

3

7

V1

10

11

Phanh thu n¨ng l­îng
2

Phanh th­êng cña xe
ÐT4 (chÕ ®é off)
Hép
PTO

1

CLPTO

Ly hîp
Hép sè sµn

§éng c¬
CL

V1

Bé ®iÒu khiÓn
Arduino Uno R3

CLPTO
pacc
Br

12

CL

Hình 2. 10 Cấu hình sơ đồ hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên
dùng thu gom chở rác 2,5 tấn

2.1.2. Mô hình quá trình phanh thu năng thủy lực
v

Pj

Pw
hw

h

Y
G

x

bx rbx

Pr1

A

Pr2
b

Z1 Pp1
a

Z2 B

O

Pp2 Ppp

L

Hình 2. 2 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh trên đường nằm ngang

Phương trình cân bằng lực khi phanh xe trên đường nằm ngang (Hình
2.2) như sau:
Pj = Pp1 + Pp2+Ppp+ Pr1 + Pr2 + Pw+ Pη
(2.5)
6


Trong đó:
Pj - lực quán tính sinh ra trong khi phanh;
Pp1, Pp2 - lực phanh sinh ra ở bánh trước và bánh sau xe do hệ
thống phanh ma sát (Hệ thống phanh nguyên bản của xe);
Ppp - lực phanh sinh ra ở bánh xe chủ động (bánh sau xe) do hệ
thống phanh thu năng thủy lực;
Pr1, Pr2 - lực cản lăn ở các bánh trước và bánh sau;
Pη - lực cản do ma sát trong hệ thống truyền động;
Pw - lực cản không khí;
Z1, Z2 - phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe trước

và cách bánh xe sau;
B×nh tÝch n¨ng

Mp
B¬m thñy lùc

Hép PTO
Ly hîp

§éng c¬

iptc

Mbxp

Thïng chøa dÇu

Hép sè MT

i0

§­êng truyÒn c«ng suÊt khi phanh

Hình 2. 3 Sơ đồ quá trình phanh bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực

 Tỉ lệ thu năng lượng 
Để đánh giá khả năng thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy
lực, ta xác định tỉ lệ thu năng lượng phanh trong một lần phanh, thông số tỉ
lệ thu năng α là thương số giữa năng lượng thu được vào bình tích áp với
động năng giảm của xe trong một lần phanh như sau:

E
(2.49)
  a 100%
E v
Trong đó:  - tỉ lệ thu năng.
1 k
p go Vgo  Vg 


Ea =

k -1  Vgo 

7


 1



(2.50)


pgo – áp suất làm việc ban đầu của khí [N/m2]
Vgo - thể tích làm việc ban đầu của khí tương ứng với pgo [m3]
pg - áp suất của khí nén [N/m2]
Vg - thể tích của khí khi bị nén tương ứng với pg [m3]
Ev – Độ biến thiên động năng của xe ở vận tốc phanh ban đầu vo đến
vt
Hệ thống phanh thu năng hoạt động trong trường hợp ngắt ly hợp, do đó

ta bỏ qua ảnh hưởng của trọng khối quay của cụm bánh đà và các chi tiết
có trọng khối nhỏ trên đường truyền lực, biến thiên động năng của xe ở vận
tốc phanh ban đầu vo đến vt được xác định:
Trong trường hợp thu phanh thu năng đến khi xe dừng vt =0 (Evt=0),
động năng xe được xác định:
2

ΔE v

= E vo = [

m.v o
2

n

+

2

J bxi .ω bxo
2

i=1

]

(2.52)

m – khối lượng xe [kg];

vo- vận tốc xe phanh ban đầu [1/s];
vt- vận tốc xe ở thời điểm ngừng phanh t [1/s];
Jbxi -mô men quán tính bánh xe thứ i [kgm2];
bxo-vận tốc góc bánh xe ở vận tốc phanh ban đầu[rad/s];
bxt-vận tốc góc bánh xe ở thời điểm dừng phanh t[rad/s];
n – số bánh xe
2.1.3. Một số phương án tái sử dụng năng lượng động năng
Năng lượng tích trữ được trong quá trình phanh thu năng có thể được tái
sử dụng hỗ trợ di chuyển hoặc phục vụ cơ cấu nâng hạ như cấu hình thể
hiện phương án hình 2.16 và Hình 2.22; Cấu hình này có thể được ứng dụng
trên dòng xe chuyên dùng tự đổ sử dụng thu gom rác và các xe chuyên dùng
có tính năng tương đương.

8


13

12

1
pacc
6
7

5

11

10

9

4
V1

8
3
6a

6b

2
ÐT4

Hép
PTO

1

CLPTO

Ly hîp
Hép sè sµn

§éng c¬

V1

Bé ®iÒu khiÓn
Arduino Uno R3

CL
CLPTO
pacc
Br
CL

Hình 2. 16 Sơ đồ phương án hệ thống thu năng thủy lực và tái sử dụng lại năng
lượng vào hệ thống công tác chuyên dùng nâng hạ ben thủy lực (chế độ phanh
thu năng)
14

13

15

1

V2
12
S¬ ®å bµn ®¹p phanh
9

pacc
6

7

8

5

11
10

V1

A

4

B
Phanh thu n¨ng l­îng
3

C
E

Phanh th­êng cña xe
Hép
PTO

2

ÐT4
CLPTO

1

Ly hîp

Hép sè sµn

§éng c¬
CL

V1
V2

Bé ®iÒu khiÓn
Arduino Uno R3

CLPTO
pacc
Br

M¹ch ®iÖn ®iÒu khiÓn

CL

Hình 2. 22 Sơ đồ hệ thống phanh thu năng thủy lực phương án thay cụm bơm
thủy lực

9


2.2 Khảo sát khả năng thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy
lực bằng chương Matlab - Simulink trên xe chuyên dùng 2,5 tấn.
2.2.1. Kết quả trường hợp phanh khẩn cấp và phanh bằng hệ thống phanh
thu năng thủy lực

Hình 3. 1 Biểu đồ gia tốc xe trong
quá trình phanh trường hợp bằng
hệ thống thu năng và trường hợp
phanh khẩn cấp

Hình 3. 2 Biểu đồ vận tốc xe trong
quá trình phanh trường hợp bằng hệ
thống thu năng và trường hợp phanh
khẩn cấp

Hình 3. 6 Biểu đồ áp suất bình áp
Hình 3. 2 Biểu đồ quãng đường
năng trong quá trình phanh trường
phanh xe trong quá trình phanh
hợp bằng hệ thống thu năng và
trường hợp bằng hệ thống thu
trường hợp phanh khẩn cấp
năng và trường hợp phanh khẩn
cấp
Với điều kiện vận tốc phanh ban đầu của xe vo=30km/h, xe không tải m
=1700kg (theo biểu thức (2.52) Ev =67631(J)) ta thấy:
- Trong trường hợp cần phanh khẩn cấp, hệ thống phanh cơ khí và hệ
thống phanh thu năng thủy lực cùng hoạt động, thông số quãng đường
phanh và gia tốc phanh đáp ứng được điều kiện an toàn cho xe (quãng
đường phanh Sph =9,33 < 9,5m và gia tốc phanh av =7,03 > 5,0 m/s2), trong
10


trường hợp này hệ thống thu năng thủy lực cùng hoạt động và đã thu được
Ea =3079 (J) đạt tỉ lệ thu năng  = 4.55%;

- Trong trường hợp nếu xe hoạt động được trong điều kiện đảm bảo, ta
có thể phanh hãm xe hoàn toàn bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực khi
đó năng lượng thu được lên đến Ea = 18429 (J) tỉ lệ thu năng tăng cao đạt
đến mức  = 27,25%.
2.2.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của áp suất làm việc ban đầu khác nhau
pgo

Hình 3. 8 Biểu đồ vận tốc xe trong
quá trình phanh trường hợp pgo khác
nhau

Hình 3. 15 Biểu đồ áp suất bình áp
năng trong quá trình phanh trường
hợp pgo khác nhau

Với áp suất làm việc ban đầu của bình áp năng, với áp suất càng tăng thì
thời gian dừng xe tph cành nhanh (tph = 16,78; 13,8; 11,7; 10,2 s), tỉ lệ thu
năng α càng tăng lên (.
2.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của vận tốc phanh ban đầu khác nhau

Hình 3. 3 Biểu đồ vận tốc xe trong
quá trình phanh thu năng ở các
trường hợp vận tốc phanh ban đầu
khác nhau theo các tay số

Hình 3. 4 Biểu đồ áp suất bình áp
năng trong quá trình phanh thu ở các
trường hợp vận tốc phanh ban đầu
khác nhau theo các tay số

11


Kết quả đã phản ánh rõ ở tất cả các tay số về khả năng thu của hệ thống
thu năng thủy lực đều đạt được hiệu quả nhất định, tốc độ xe giảm (Hình
3.1), năng lượng thu được đều đạt được (Hình 3.2), tỉ lệ thu năng có sự ổn
định ở trong cùng tay số, tỉ lệ thu năng đạt được cao ở tay số thấp, giảm dần
ở tay số cao (Tay số 1, α 33%; Tay số 2, α 30%; Tay số 3, α 27%; Tay
số 4, α 24%; Tay số 5, α 22%). Với cùng vận tốc, tỉ lệ thu năng đạt được
cao ở tay số thấp;
2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xe
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi khối lượng xe theo 3
trường hợp khác nhau: m =1800; 2400; 3000kg, đã chỉ ra rằng với khối
lượng xe tăng lên, tỉ lệ thu năng lượng động năng có xu hướng giảm (α =
28,9%; 27,3%; 25,8%). Tuy nhiên mức chênh lệch tỉ lệ thu năng không lớn.

Hình 3. 5 Biểu đồ giá trị áp suất
bình áp năng trong quá trình
phanh thu năng trường hợp khối
lượng xe m =1800; 2400; 3000kg

Hình 3. 6 Biểu đồ miền giá vận tốc xe
trong quá trình phanh thu năng lượng xe
vo =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m
=1800; 2400; 3000kg

2.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng bơm đến quá trình phanh
thu hồi năng lượng động năng

Hình 3. 42 Biểu đồ áp suất bình áp

năng trong quá trình phanh thu năng
lượng lưu lượng riêng dp khác nhau

Hình 3. 7 Biểu đồ vận tốc xe trong
quá trình phanh thu năng lượng xe
lưu lượng riêng dp khác nhau

12


Từ kết quả nghiên cứu quá trình phanh thu năng lượng động năng từ vận
tốc ban đầu phanh vo=30km/h, Ev =91937(J) trên xe mô hình để ở tay số
3, cùng áp suất bình áp năng thủy khí đặt ở 85(bar), nghiên cứu quá trình
phanh ở 3 trường hợp: dp=8.4cc/rev; 14cc/rev; 25cc/rev; ta nhận thấy, lưu
lượng riêng của bơm thủy lực càng lớn năng lượng thu được càng tăng (Ea
= 20059; 25066; 33265(J), tỉ lệ thu năng α = 21,8%; 27,3%; 36,2%).
2.3 Khảo sát quá trình tái sử dụng năng lượng từ bình áp năng
2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng mô tơ thủy lực dm
Trong nghiên cứu này, ta sử dụng kết quả thu năng trong một lần phanh
ở tốc độ 30km/h, ở tay số 3, áp suất làm việc ban đầu pgo =85bar, kết quả
thu được áp suất pmax = 101,05 bar, với số liệu này ta sẽ đánh giá khả năng
tăng tốc xe khi hoạt động tái sử dụng năng lượng từ mức áp suất pmax =
101,05 bar giảm về đến áp suất dừng hoạt động hệ thống pstop= pgo =85bar.

Hình 3. 91 Biểu đồ quãng đường di
chuyển xe trường hợp dm khác nhau

Hình 3. 89 Biểu đồ vận tốc xe
trường hợp dm khác nhau

Nhận xét: Năng lượng áp năng thủy lực đã được sử dụng để di chuyển
xe ở tay số 1, thể hiện thông qua mức giảm áp suất của bình từ mức áp suất
101.05 bar về mức áp suất dừng pstop = 85 bar và lượng dầu thủy lực cung
cấp đến mô tơ thủy lực 2.53 (lit), với cả 2 trường hợp (dm =14cc/rev;
25cc/rev) thì di xe đều di chuyển được quãng đường nhất định (Skeo =13,96
m; 7,82 m), tuy nhiên với lưu lượng riêng càng lớn thì vận tốc xe đạt được
càng cao (vmax =4.98 m/s; 7,44 m/s).
2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng mức áp suất pga khác nhau
13


Thực tế trong quá trình vận hành xe, mức năng lượng hay mức áp suất
bình áp năng từ quá trình thu được là khác nhau, vì vậy ta cần nghiên cứu
ảnh hưởng mức áp suất bình áp năng đến khả năng tăng tốc xe, trong nghiên
cứu này luận án sẽ đánh giá quá trình tăng tốc xe theo các mức áp suất thu
được tích trữ bình áp năng pga =100bar; 125bar; 150bar. Năng lượng tái
được sử dụng về mức áp suất làm việc nhỏ nhất của bình, pstop =85 bar.

Hình 3. 97 Biểu đồ vận tốc xe
trường hợp pga khác nhau

Hình 3. 99 Biểu đồ quãng đường di
chuyển xe trường hợp pga khác nhau

Nhận xét: Kết quả trường hợp khởi hành xe (tay số 1) từ nguồn năng
lượng bình áp năng theo các mức áp suất khác nhau, một lần nữa đã thể
hiện rõ hơn về khả năng tái sử dụng của hệ thống. Với mức áp suất thu được
từ quá trình phanh khác nhau càng lớn (pga= 100; 125;150bar) thì quãng
đường di chuyển tăng (Skeomax=13; 29; 40 m), vận tốc xe lớn nhất tăng (vxemax
=4,79; 8,47; 11,19 km/h).

2.4 Nghiên cứu thực nghiệm
2.4.1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu
 Mục đích thực nghiệm
Trong nghiên cứu của luận án, chương 4 cần đạt được mục tiêu sau:
Đánh giá tính khả thi của mô hình đề xuất, đồng thời kiểm chứng mô hình
lý thuyết đã được nghiên cứu ở chương 2, 3 của luận án.
 Phạm vi thực nghiệm

14


Thí nghiệm đo các thông số cơ bản là áp suất bình áp năng thủy lực và
vận tốc xe trong quá trình phanh từ vận tốc phanh ban đầu vo đến khi dừng
xe theo các trường hợp:
- Thay đổi áp suất làm việc ban đầu của bình áp năng thủy lực;
- Thay đổi vận tốc xe theo các tay số tương ứng;
- Thay đổi khối lượng xe khác nhau.
2.4.2 Đối tượng thực nghiệm và phương pháp đo
2.4.2.1 Đối tượng thực nghiệm
Đối tượng xe ô tô chuyên dụng thu gom rác loại 2,5 tấn
Từ kết quả khảo sát ở chương 3, các thiết bị trên hệ thống phanh thu
năng lượng đã được lựa chọn phù hợp với mô hình xe thực nghiệm.

Hình 4. 2 Ảnh bơm bánh
răng thủy lực trên xe

Hình 4. 3 Ảnh van thủy lực điều
khiển

Hình 4. 4 Ảnh thiết bị đồ hồ đo áp suất, cảm biến thủy lực và công tắc áp suất

trên hệ thống

15


Hình 4. 5 Ảnh thùng chứa dầu thủy lực và nguồn điện ắc quy

Để điều khiển hoạt động của hệ thống trong quá trình phanh, bộ điều
khiển đã được thiết kết bằng chương trình Proteus và sử dụng Card Arduino
Uno R3 đã được nạp code chương trình hoạt động theo lưu đồ thuật toán
điều khiển như sơ đồ hình 4.7. Vì tín hiệu điều khiển từ Card Arduino Uno
R3 có điện áp tối đa 5V, do đó để điều khiển hoạt động van điện từ điện áp
24V, luận án đã chế tạo thêm phần mạch khuếch đại công suất ta sử dụng
transitor công suất (xem hình 4.6).
B¾t ®Çu

Sai
Có CL ?

§óng
KÕt nèi PTO
Sai

Cã CLPTO?
§óng
Có Br ?
Sai

ChÕ ®é t¸i
sö dông

§óng

Sai
Pacc < Pmax?

§óng
Göi tÝn hiÖu ®Õn V1

KÕt thóc

Hình 4. 6 Ảnh bộ điều khiển sử dụng mạch
Arduino Uno R3 gắn trên ca bin xe

Hình 4. 7 Lưu đồ thuật toán
điều khiển mô hình hệ thống
thu năng thủy lực

2.4.2.2 Phương pháp đo
Thông số cơ bản trong quá trình đo là áp suất bình áp năng thủy lực
và vận tốc xe được đã được xây dựng.
 Đo vận tốc xe
16


Để đo vận tốc xe trong quá trình phanh xe, luận án đã xây dựng hệ thống
đo có dạng như sơ đồ như Hình 4.8;

Hình 4. 8 Sơ đồ cấu trúc đo vận tốc xe trên mô hình thí nghiệm xe chuyên
dùng

Hệ thống đo được thực hiện dựa trên nguyên lý đếm xung, cánh xung
bằng thép được gắn ở đầu trục bánh xe, mỗi lần cánh xung quay đến vị trí
lắp cảm biến tiệm cận (cảm biến từ điện), cảm biến hoạt động xác nhận
bằng tín hiệu dạng điện áp, tín hiệu này có mức điện áp theo nguồn điện
cấp (tác giả sử dụng nguồn điện 12V có sẵn trên ô tô để cấp cho cảm biến).
Điện áp tiếp nhận cổng digital ở mạch Arduino có mức điện áp tối đa 5V,
do đó ta sử dụng linh kiện điện tử bộ cách ly quang PC817 [65] [66] để
chuyển đổi hạ áp sang tín hiệu có mức điện áp phù hợp với mạch Arduino
5V, nguồn 5V được lấy từ bo mạch Arduino, tín hiệu này được cung cấp
đến chân digital số 2 trên mạch Arduino, từ tín hiệu dạng xung này thông
qua chương trình đã được viết và nạp vào mạch Arduino ta sẽ đo được vận
tốc xe theo thời gian thực, giá trị đo được là vận tốc (km/h) theo trục thời
gian giây (s).
 Đo áp suất bình áp năng thủy khí
Để đo áp suất bình áp năng thủy khí trên phương tiện di chuyển, luận án
đã xây dựng được mô hình đo số liệu áp suất bình tích năng thủy lực
của hệ thống phanh có sơ đồ như Hình 4.9.
Hệ thống đo áp suất bình áp năng thủy lực được xây dựng sử dụng Card
Arduino kết nối với máy tính, thông qua chương trình Matlab được mở rộng
chạy thêm nền tảng ứng dụng Arduino IO để kết nối chương trình Matlab
với card Arduino thông qua cổng USB để thu nhận dữ liệu từ cảm biến theo
17


thời gian thực, tín hiệu từ cảm biến là dạng điện áp được cấp đến chân
Analog A0 trên Card Arduino Uno R3. Kết quả giá trị tín hiệu đo được theo
đơn vị áp suất là bar, trục thời gian là giây (s).

Hình 4. 9 Sơ đồ cấu trúc đo áp suất bình áp năng thủy khí trên mô hình thí

nghiệm xe chuyên dùng

2.5 Kết quả thực nghiệm
Kết quả giá trị đo được là giá trị áp suất bình áp năng thủy khí (giá trị
tín hiệu đo) là bar, giá trị tín hiệu đo vận tốc xe trong quá trình phanh thu
năng lượng động năng là km/h và trục thời gian là giây, trên cơ sở quy
hoạch thực nghiệm ta có được kết quả thí nghiệm:
2.5.1 Kết quả thực nghiệm 1: Thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất làm
việc ban đầu đến quá trình phanh thu năng lượng động năng
40

Vận tốc (km/h)

35
30

Test, pgo=75bar

25

Test, pgo=85bar

20

Test, pgo=95bar

15
10
5
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17
Thời gian(s)

Hình 4. 10 Biểu đồ quá trình giảm tốc độ trong quá trình phanh xe thu
năng lượng xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức pgo khác nhau
18


Từ kết quả trên cho ta thấy, từ vận tốc phanh ban đầu quá trình phanh
thu năng diễn ra:
Trường hợp 1: ở mức áp suất pgo=75 bar, thời gian phanh là 16s, gia tốc
phanh trung bình là 0,52 (m/s2);
Trường hợp 2: ở mức áp suất pgo=85 bar, thời gian phanh là 15s; gia tốc

phanh trung bình 0,56 (m/s2);
Trường hợp 3: ở mức áp suất pgo= 95 bar, thời gian phanh là 14s, gia tốc
phanh trung bình là 0,60 (m/s2);
120

100

Áp suất (bar)

80

60
Thực nghiệm, pgo=95bar
Thực nghiệm, pgo=85bar

40

Thực nghiệm, pgo=75bar
20
Thời gian (s)
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Thể tích dầu (lit)

Hình 4. 11 Biểu đồ áp suất bình áp năng thủy khí trong quá trình phanh xe
thu năng lượng với mức pgo khác nhau.
2.60
2.50
2.40
2.30
2.20
2.10
2.00
1.90

2.51
2.33
2.14

Thực nghiệm, pgo=75bar Thực nghiệm, pgo=85bar Thực nghiệm, pgo=95bar

Hình 4. 12 Biểu đồ thể tích dầu thu được trong quá trình phanh xe thu năng

lượng với mức pgo khác nhau.

19


Năng lượng(J)

100000
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0

Thực nghiệm,
pgo=75bar
91,937

Thực nghiệm,
pgo=85bar
91,937

Thực nghiệm,
pgo=95bar
91,937

Eamax (J)

21,600

22,809

23,408

Eamax/Ev (%)

23.49

24.81

25.46

Ev (J)

Hình 4. 13 Biểu đồ tỉ lệ thu năng trong quá trình phanh xe thu năng lượng với
mức pgo khác nhau.

Khi xe phanh ở tốc độ ban đầu 30km/h, năng lượng động năng của xe ở
vận tốc ban đầu Ev tính theo công thức tính (3.43) là 91937(J), từ Hình
4.11, 4.12 và 4.13 chỉ ra rằng:
Trường hợp 1: ở áp suất pgo=75 bar, áp suất thu được lớn nhất là 88(bar),
thể tích dầu thủy lực thu được 2,51(lít), năng lượng thu được 21600(J) đạt
tỉ lệ 23.49%;
Trường hợp 2: ở áp suất pgo=85 bar, áp suất thu được lớn nhất là
99.63(bar), thể tích dầu thủy lực thu được 2,33(lít), năng lượng thu được

22809(J) đạt tỉ lệ 24.81%;
Trường hợp 3: ở áp suất pgo=95 bar, áp suất thu được lớn nhất là
111.26(bar), thể tích dầu thủy lực thu được 2,14(lít), năng lượng thu được
23408(J) đạt tỉ lệ 25.46%;
2.5.2 Kết quả thực nghiệm 2: Thực nghiệm phanh thu năng lượng xe
theo vận tốc ban đầu phanh khác nhau theo tay số tương ứng.

20


Áp suất bình áp năng (bar)

140
120
100
80

Test, No 1 (Vo = 7.5 km/h, pgo = 85bar)
Test, No 2 (Vo = 15 km/h, pgo = 85bar)

60
40
20

Test, No 3 (Vo = 30 km/h, pgo = 85bar)
Test, No 4 (Vo = 50 km/h, pgo = 85bar)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

Thời gian(s)

Hình 4. 14 Biểu đồ áp suất bình áp năng thủy khí trong quá trình phanh xe
thu năng lượng theo tay số và vận tốc vo khác nhau
Test, No 1 (Vo = 7.5 km/h, pgo = 85bar)

60.0

Test, No 2 (Vo = 15 km/h, pgo = 85bar)

50.0
Vận tốc(km/h)

Test, No 3 (Vo = 30 km/h, pgo = 85bar)

40.0

Test, No 4 (Vo = 50 km/h, pgo = 85bar)

30.0
20.0
10.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Thời gian(s)

Hình 4. 15 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng theo tay
số và vận tốc phanh ban đầu vo khác nhau

21

6.00

5.17

5.00
4.00

2.33

3.00
2.00

0.23

1.00

0.83

Test, No 1 (Vo = 7.5 Test, No 2 (Vo = 15 Test, No 3 (Vo = 30 Test, No 4 (Vo = 50
km/h, pgo = 85bar) km/h, pgo = 85bar) km/h, pgo = 85bar) km/h, pgo = 85bar)

Hình 4. 1 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng thủy khí
theo các tay số và vận tốc phanh ban đầu vo tương ứng.
300000

Năng lượng (J)

250000
200000

150000
100000
50000
0

Ev (J)
Eamax (J)
Eamax/Ev (%)

Test, No 1
(Vo = 7.5
km/h, pgo =
85bar)
5746
1982
34.50

Test, No 2
(Vo = 15
km/h, pgo =
85bar)
22984
7298
31.75

Test, No 3
(Vo = 30
km/h, pgo =
85bar)
91937

22809
24.81

Test, No 4
(Vo = 50
km/h, pgo =
85bar)
255380
62957
24.65

Hình 4. 17 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) theo
động năng Ev(J) ở vo ban đầu tương ứng.

Từ một số kết quả tổng hợp ở thí nghiệm 2 được thể hiện thông qua biểu
đồ Hình 4.15; 4.16; 4.17 và 4.18 đã chỉ ra được khả năng thu hồi năng lượng
của mô hình hệ thống phanh thu năng lượng động năng ở các tay số theo
tốc độ tương ứng:
Trường hợp xe đi với tay số 1, vận tốc phanh ban đầu vo=7.5km/h, năng
lượng động năng Ev=5746(J), thời gian phanh khoảng tph= 2(s), gia tốc
phanh trung bình avtb=1.04(m/s2), dầu thủy lực thu được được Vf=0.00023
m3(0,23 lit), áp suất tăng lên đến pg =86,3 (bar), năng lượng thu được Eamax
= 1982(J), đạt tỉ lệ thu α = 34.5%;
22


Trường hợp xe đi với tay số 2 và vo=15km/h, năng lượng động năng
Ev=22984(J) thời gian phanh khoảng tph= 6(s), gia tốc phanh trung bình
avtb=0.64(m/s2), dầu thủy lực tích được Vf=0.00083 m3(0,83 lít), áp suất
tăng lên đến pg =89.75 (bar), năng lượng thu được Eamax = 7298(J), đạt tỉ lệ

thu α=31.75%;
Trường hợp xe đi với tay số 3 và vo=30km/h, năng lượng động năng
Ev=91937(J), thời gian phanh khoảng tph= 15(s), gia tốc phanh trung bình
avtb=0.56(m/s2), dầu thủy lực tích được Vf=0.00233 m3(2,33 lít), áp suất
tăng lên đến pg =99.63 (bar), năng lượng thu được Eamax = 22809(J), đạt tỉ
lệ thu α = 24.81%;
Trường hợp xe đi với tay số 4 và vo=50km/h, năng lượng động năng
Ev=255380(J), thời gian phanh khoảng tph= 35(s), gia tốc phanh trung bình
avtb=0.4(m/s2), dầu thủy lực tích được Vf=0.00517 m3(5,17 lít), áp suất
tăng lên đến pg =124,22 (bar), năng lượng thu được Eamax = 62957(J), đạt tỉ
lệ thu α=24.65%.
2.5.3 Kết quả thực nghiệm 3: Thực nghiệm thay đổi khối lượng xe
Với vận tốc phanh ban đầu vo = 30km/h, xe ở tay số 3, thay đổi khối
lượng xe ở trường hợp m =1800kg và m=2400kg, kết quả thí nghiệm được
thể hiện thông qua các biểu đồ Hình 4.18, 4.19, 4.20 và 4.21 dưới đây.
35
Test, No 3, pgo=85bar, Vo = 30 km/h, m = 1800 kg

Vận tốc (km/h)

30
Test, No 3, pgo=85bar, Vo = 30 km/h, m = 2400 kg

25
20
15
10
5
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16
Thời gian (s)

Hình 4. 18 Biểu vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng ở
trường hợp khối lượng khác nhau
23


Áp suất (bar)

115
105
95
85

75
65
55
45
35
25
15
5

Test, No 3, pgo=85bar, Vo = 30 km/h, m = 1800 kg
Test, No 3, pgo=85bar, Vo = 30 km/h, m = 2400 kg
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16

Thời gian (s)
Hình 4. 19 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) theo
động năng Ev(J) ở vo ban đầu tương ứng.
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
-

Test, No 3, pgo=85bar, Vo = 30 Test, No 3, pgo=85bar, Vo = 30
km/h, m = 1800 kg
km/h, m = 2400 kg
Thể tích dầu thủy lực Vf (lit)
Hình 4. 20 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng
thủy khí theo trường hợp khối lượng xe thay đổi
Năng lượng (J)

100,000
90,000
80,000
70,000
60,000
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
-

Test, No 3, pgo=85bar, Vo
= 30 km/h, m = 1800 kg
71,103

Test, No 3, pgo=85bar, Vo
= 30 km/h, m = 2400 kg
91,937

Eamax (J)

19120

22809

Eamax/Ev (%)

26.89

24.81

Ev (J)

Hình 4. 21Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) ở các
trường hợp thay đổi khối lượng xe.

Từ kết quả thí nghiệm 3 được thể hiện ở biểu đồ Hình 4.18, 4.19, 4.20
và 4.21, nhận xét kết quả nhận được như sau:
24

Đối với khối lượng xe m = 1800 kg, thời gian phanh từ vận tốc
vo=30km/h xe có năng lượng động năng 71103(J) đến khi xe dừng lại
khoảng tph=13(s), gia tốc trung bình avtb=0.64(m/s2), bình tích năng thu được
Vf = 2,0 lit; áp suất tăng từ 85bar lên đến 97.3bar, năng lượng thu được
19120(J), đạt tỉ lệ α=26.89%.
Đối với khối lượng xe m = 2400 kg, thời gian phanh từ vận tốc
vo=30km/h có năng lượng động năng 91937(J) đến khi xe dừng lại khoảng
tph=15(s), gia tốc trung bình avtb=0.56(m/s2), bình tích năng thu được Vf =
2,33 lit; áp suất tăng từ 85bar lên đến 99.63bar, năng lượng thu được
22809(J), đạt tỉ lệ α=24.81%.
2.6 So sánh kết quả thử nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng
Để kiểm chứng mô hình nghiên cứu, luận án đã kiểm chứng sử dụng kết
quả nghiên cứu từ mô hình mô phỏng ở chương 3 tính toán theo điều kiện
thực nghiệm với kết quả từ nghiên cứu thực nghiệm, thông số so sánh là tỉ
lệ thu năng ở các tay số 1, 2, 3 và 4
Bảng 4. 4 Bảng so sánh kết quả giá trị tỉ lệ thu năng giữa mô phỏng với
thực nghiệm
Tỉ lệ thu năng α (%)
(sai lệch
Các trường hợp
Mô hình
%)
Thực nghiệm
lý thuyết
Tay số 1, pgo =85bar,
33
34.5
4.35
vo =7.5km/h

Tay số 2, pgo =85bar,
30
31.75
5.51
vo =15km/h
Tay số 3, pgo =85bar,
27
24.81
8.11
vo =30km/h
Tay số 4, pgo =85bar,
23
24.65
6.69
vo =50km/h
So sánh kết quả trên bảng 4.4 ta thấy giá trị sai lệch tỉ lệ thu năng giữa
mô hình lý thuyết và thực nghiệm có giá trị cao nhất là 8,11%. Với những
giả thiết đã được chấp nhận khi xây dựng mô hình mô phỏng thì sai lệch
này có thể chấp nhận được.
Kết quả so sánh đã chỉ ra giá trị sai lệch tỉ lệ thu năng giữa mô hình và
thực nghiệm có giá trị cao nhất là 8,11%. Với những giả thiết đã được chấp
nhận khi xây dựng mô hình mô phỏng thì sai lệch này có thể chấp nhận
được.
25