Luận văn nghiên cứu tính chất động lực học của hệ thống vi sai và ảnh hưởng của hệ số khoá vi sai đến tính năng kéo bám của máy kéo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
----------------------




MAI KIM HIẾU


NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ðỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ
THỐNG VI SAI VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ KHÓA VI
SAI ðẾN TÍNH NĂNG KÉO BÁM CỦA MÁY KÉO


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



Chuyên ngành
: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp
Mã số
: 60.52.14



Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC QUẾ

HÀ NỘI – 2008
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
i


LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai
công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này
ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ
nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 16 tháng 9 năm 2008
Người cam ñoan


Mai Kim Hiếu

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
ii


LỜI CẢM ƠN


Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc ñến người hướng dẫn khoa học
PGS. TS. Nguyễn Ngọc Quế, ñã tận tình hướng dẫn và ñóng góp nhiều ý kiến
khoa học trong quá trình nghiên cứu và xây dựng luận văn này.
Tôi xin cảm ơn tập thể các thày, cô giáo bộ môn ðộng lực - khoa Cơ
ñiện, khoa Sau ðại học, trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, các cán bộ
Trung tâm giám ñịnh máy và thiết bị – Trâu Quỳ – Gia Lâm – Hà Nội ñã giúp
ñỡ và tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ của ñề tài.
Tôi xin cảm ơn tập thể cán bộ, giáo viên trường Cao ñẳng Công nghiệp
Nam ðịnh. Nơi tôi ñang công tác ñã tạo ñiều kiện cho tôi trong suốt quá trình
công tác và học tập.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia ñình, bạn bè ñồng nghiệp và những người
thân ñã ñộng viên, giúp ñỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Mặc dù ñã cố gắng hết sức mình nhưng do khó khăn về tài liệu, thời
gian nghiên cứu và khả năng hạn chế của bản thân cho nên luận văn không
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận ñược các ý kiến ñóng góp từ các
Thày, cô và bạn bè ñồng nghiệp ñể luận văn ñược hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 16 tháng 9 năm 2008
Tác giả luận văn


Mai Kim Hiếu

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN......................................................................................................0

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii

MỤC LỤC.................................................................................................................iii

DANH MỤC BẢNG ................................................................................................vi

DANH MỤC HÌNH.................................................................................................vii

MỞ ðẦU....................................................................................................................1

1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU ...................................................4

1.1. Vài nét về vấn ñề nghiên cứu...........................................................................4

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước......................................................5

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT...........................................................................................13

2.1. Lực và mô men tác dụng lên ôtô - máy kéo khi chuyển ñộng ......................13

2.1.1. Mô men chủ ñộng .......................................................................................13

2.1.2. Khái niệm về lực kéo, lực bám và hệ số bám của bánh xe chủ ñộng.........16

2.1.3. Cân bằng lực kéo.........................................................................................22

2.2. ðộng học, ñộng lực học của cơ cấu vi sai......................................................24

2.2.1. ðộng học cơ cấu vi sai................................................................................24

2.2.2. ðộng lực học cơ cấu vi sai .........................................................................26

2.3. Ảnh hưởng của cơ cấu vi sai ñến tính năng kéo bám....................................29

2.3.1. Hệ số khoá vi sai K
δ
....................................................................................30

2.3.2. Hệ số gài vi sai K’
δ
......................................................................................31

2.4. Cấu tạo một số loại vi sai dùng trên ôtô-máy kéo bánh.................................31

2.4.1. Vi sai ñối xứng ...........................................................................................31

2.4.2. Vi sai cam....................................................................................................32

2.4.3. Vi sai kiểu trục vít.......................................................................................34

2.5. Hệ thống truyền lực của máy kéo MTZ - 80.................................................35

2.5.1. Sơ lược về hệ thống truyền lực...................................................................35

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
iv


2.5.2. Cầu sau........................................................................................................36

2.5.3. Bộ cảm biến cơ cấu khóa vi sai...................................................................38

2.6. Tính toán mô men trên trục khóa vi sai và hệ số khóa vi sai.........................40

3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHẢO SÁT ðỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU VI SAI ..43

3.1. Mô hình toán quá trình làm việc của khối vi sai............................................43

3.2. Mô phỏng ñộng lực học máy kéo MTZ - 80 bằng Simulink – Simdriveline........46

3.2.1. Giới thiệu phần mềm Matlab – Simulink – Simdriveline ..........................46

3.2. 2. Mô phỏng khối ñộng cơ trong Simulink - Simdriveline............................50

3.2.3. Mô phỏng khối vi sai trong Simulink – Simdriveline................................53

3.2.4. Mô phỏng khối quan hệ ñất bánh trong Simulink – Simdriveline .............54

3.2.5. Mô phỏng khối thân xe trong Simulink – Simdriveline.............................55

3.2.6. Mô hình tổng quát khảo sát tổng hợp .........................................................56

3.3. Phương án và kết quả khảo sát mô hình........................................................59

3.3.1. Phương án 1: ...............................................................................................59

3.3.2. Phương án 2: ...............................................................................................62

3.3.3. Phương án 3: ...............................................................................................63

3.3.4. Phương án 4: ...............................................................................................64

4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.......................................................................67

4.1. Mục ñích và phương pháp thí nghiệm...........................................................67

4.1.1. Mục ñích .....................................................................................................67

4.1.2. Phương pháp ...............................................................................................67

4.2. ðiều kiện và các phương án thí nghiệm. .......................................................78

4.2.1. ðiều kiện thí nghiệm...................................................................................78

4.2.2. Các phương án thí nghiệm..........................................................................79

4.3. Kết quả thí nghiệm.........................................................................................79

4.3.1. Thí nghiệm N0_1: Không khóa vi sai.........................................................79

4.3.2. Thí nghiệm N0_2: Khóa vi sai với hệ số khóa K
δ

= 0,55...........................80

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
v


4.3.3. Thí nghiệm N0_3: Khóa vi sai với hệ số khóa K
δ
= 0,34...........................81

4.3.4. Thí nghiệm N0_4: Khóa vi sai với hệ số khóa K
δ
= 0,2.......................82

5. KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ..................................................................................86

5.1. Kết luận..........................................................................................................86

5.2. ðề nghị...........................................................................................................86

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................88

PHỤ LỤC.................................................................................................................90

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của máy kéo MTZ-80.............................11

Bảng 2.1 Hệ số bám trên các loại ñường ...................................................19

Bảng 2.2. Một số thông số của hệ thống truyền lực của máy kéo MTZ–8040

Bảng 3.1. Số liệu khảo nghiệm ñộng cơ D-240 .........................................52

Bảng 3.2. Số liệu khảo sát mô hình với K
δ
= 0,55 ....................................63

Bảng 3.3. Số liệu khảo sát mô hình với K
δ
= 0,34 ....................................64

Bảng 3.4. Số liệu khảo sát mô hình với K
δ
= 0,2 ......................................65

Bảng 4.1. Kết quả hiệu ñính ñầu ño lực.....................................................78

Bảng 4.2. Các phương án thí nghiệm ........................................................79


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
vii


DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1. Sơ ñồ hệ thống truyền lực của máy kéo bánh ..........................................13
Hình 2.2. Sơ ñồ nguyên lý làm việc của bánh xe chủ ñộng...........................16
Hình 2.3. Sự phụ thuộc của hệ số bám φ vào áp suất lốp ..............................19
Hình 2.4. Sự phụ thuộc của hệ số bám vào ñộ nháp mặt ñường....................19
Hình 2.5. Sự phụ thuộc của hệ số bám vào vận tốc.......................................20
Hình 2.6. ðường ñặc tính trượt của máy kéo ...............................................21
Hình 2.7. Sơ ñồ lực tác dụng lên máy kéo ...................................................22
Hình 2.8. Sơ ñồ ñộng học cơ cấu vi sai.........................................................24
Hình 2.9. Cấu tạo bộ vi sai ñối xứng.............................................................31
Hình 2.10. Sơ ñồ nguyên lý hoạt ñộng của vi sai .........................................32
Hình 2.11. Sơ ñồ vi sai cam loại một dãy ....................................................32
Hình 2.12. Sơ ñồ vi sai cam ma sát...............................................................33
Hình 2.13. Sơ ñồ vi sai kiểu trục vít.............................................................34
Hình 2.14. Cầu sau máy kéo MTZ – 80........................................................37
Hình 2.15. Bộ cảm biến cơ cấu khóa vi sai...................................................39
Hình 3.1. Mô hình khảo sát nút vi sai theo dòng lực.....................................44
Hình 3.2. Các khối chức năng chính của Simulink .......................................47
Hình 3.3. Các khối chức năng của Simdriline...............................................48
Hình 3.4. Sơ ñồ khảo sát ñộng lực học chuyển ñộng thẳng của máy kéo .....49
Hình 3.5. Khối Look – up Table...................................................................51
Hình 3.6. ðường ñặc tính ngoài ñộng cơ D-240 ...........................................52
Hình 3.7. Mô hình khảo sát ñộng cơ.............................................................52
Hình 3.8. Mô hình khảo sát truyền lực chính và vi sai..................................53
Hình 3.9. Bảng nhập các thông số ñầu vào của mô hình bánh xe..................54
Hình 3.10. Mô hình khảo sát khối quan hệ ñất bánh .....................................54
Hình 3.11. Bảng nhập các thông số ñầu vào của mô hình khối thân xe.........55
Hình 3.12. Mô hình khảo sát khối thân xe ....................................................56
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
viii

Hình 3.13. Mô hình khảo sát tổng hợp..........................................................58
Hình 3.14. ðồ thị vận tốc chuyển ñộng của máy kéo (K
δ
= 0) ......................60
Hình 3.15. ðồ thị tốc ñộ quay của hai bánh chủ ñộng (K
δ
= 0).....................61
Hình 3.16. ðộ trượt (K
δ
= 0).........................................................................61
Hình 3.17. ðồ thị tốc ñộ quay của hai bánh chủ ñộng (K
δ
= 0,55) ...............62
Hình 3.18. ðồ thị tốc ñộ quay của hai bánh chủ ñộng (K
δ
= 0,34) ................63
Hình 3.19. ðồ thị tốc ñộ quay của hai bánh chủ ñộng (K
δ
= 0,2) ..................65
Hình 3.20. ðồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ñộ trượt và lực kéo ở các hệ số
khóa vi sai khác nhau. ..................................................................................66
Hình 4.1. Sơ ñồ nguyên lý hoạt ñộng của Sensor − V1...............................68
Hình 4.2. Sensor quang học E3F3.................................................................69
Hình 4.3. Sensor ño lực kéo theo nguyên lý tenxơ ñiện trở...........................70
Hình 4.4. Sơ ñồ nguyên lý của thiết bị ño và ñiều chỉnh áp suất...................71
Hình 4.5. Vị trí lắp ñặt thiết bị ño và ñiều chỉnh áp suất ..............................72
Hình 4.6. ðường thí nghiệm.........................................................................73
Hình 4.7. Một số hình ảnh về quá trình chuẩn bị thí nghiệm.........................74
Hình 4.8. Gây tải bằng máy kéo MTZ - 50 ...................................................75

Hình 4.9. Sơ ñồ kết nối thiết bị....................................................................76
Hình 4.10. Sơ ñồ các mô ñun thu thập số liệu thí nghiệm............................77
Hình 4.11. Sơ ñồ các mô ñun xử lý số liệu thí nghiệm................................77
Hình 4.12. Sơ ñồ các mô ñun hiệu chuẩn thiết bị ño lực..............................78
Hình 4.13. ðồ thị hiệu chuẩn thiết bị ño lực ................................................78
Hình 4.14. Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm N0_1........................................79
Hình 4.15. Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm N0_2........................................80
Hình 4.16. Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm N0_3........................................81
Hình 4.17. Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm N0_4........................................82
Hình 4.18. ðồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ñộ trượt và lực kéo ở các hệ số
khóa vi sai khác nhau (xác ñịnh bằng thực nghiệm)......................................83
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
1


MỞ ðẦU
Nước ta vốn là nước nông nghiệp, sản xuất nông nghiệp luôn chiếm tỷ
trọng cao trong nền kinh tế quốc dân, thu nhập từ nông nghiệp góp phần ổn
ñịnh và nâng cao ñời sống của ña số nhân dân, ñồng thời góp phần ổn ñịnh
kinh tế, chính trị của ñất nước. ðó là nền tảng vững chắc ñể phát triển công
nghiệp cũng như các ngành khác. Sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện ñại hóa
ñất nước ñã và ñang ñược ðảng, Nhà nước ta quan tâm giải quyết.
Với việc trang bị nhiều máy kéo công suất lớn trong sản xuất nông
nghiệp ở nước ta ñã có những bước tiến nhất ñịnh, nhằm giảm hẳn cường ñộ
lao ñộng cho nông dân, nâng cao năng suất lao ñộng, chất lượng cây trồng tốt
hơn bước ñầu thực hiện mục tiêu biến nông nghiệp thành nền sản xuất lớn.
Trong những năm gần ñây thực hiện ñổi mới chính sách phát triển kinh
tế nhiều thành phần nhằm ñẩy mạnh sự phát triển kinh tế xã hội của ñất nước,
nông nghiệp vẫn ñược coi là một ngành kinh tế chiến lược của nước ta. ðể ñạt
ñược yêu cầu phát triển của ñất nước trong thời kỳ mới, nền nông nghiệp

nước ta ñã phát triển không ngừng và ñã ñạt ñược những thành tựu to lớn mà
ðảng và Nhà nước ta ñã công nhận. ðể ñạt ñược những thành tựu to lớn ñó
chúng ta phải kể ñến một yếu tố giúp cho ngành nông nghiệp phát triển ñó là
sự phát triển cơ giới hóa sản xuất nông nghiệp, nó luôn giữ một vai trò hết sức
quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện ñại hoá nước ta hiện nay.
Nguồn ñộng lực chính trong việc cơ giới hóa các khâu sản xuất ñó là
máy kéo. Máy kéo ñược trang bị ở nước ta chủ yếu ñược nhập từ nước ngoài
là do nền công nghiệp chế tạo máy kéo của nước ta còn rất non trẻ. Thực tế
ñòi hỏi chúng ta cần ñược ñầu tư hơn nữa về mặt nghiên cứu, thiết kế, cải tiến
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
2


các máy kéo sản xuất trong nước cũng như các máy kéo nhập ngoại ngày
càng hoàn thiện hơn, phù hợp hơn với ñiều kiện sử dụng của nước ta.
Máy kéo nông nghiệp có rất nhiều tính năng kỹ thuật và tính năng sử
dụng quan trọng. Nghiên cứu nắm vững các tính năng ñó không những giúp
cho việc khai thác sử dụng máy kéo có hiệu quả mà còn góp phần quan trọng
trong công tác thiết kế máy mới, cải tiến máy ñã có, ñồng thời làm cơ sở ñể
lựa chọn máy kéo phù hợp với ñiều kiện làm việc trong nước.
Khi xe chuyển ñộng trên ñường vòng hoặc ñường mấp mô, trong cùng
một khoảng thời gian, quãng ñường dịch chuyển của bánh xe bên trái bên
phải là không như nhau và bán kính lăn của chúng cũng khác nhau. Do vậy,
ñể các bánh xe không bị trượt lê nhằm hạn chế sự mòn của lốp ñồng thời tạo
khả năng cho xe dễ quay vòng, ñòi hỏi các bánh xe phải ñược quay với tốc
ñộ khác nhau. ðể ñảm nhiệm chức năng này, trên ô tô máy kéo thường ñược
sử dụng cơ cấu vi sai nối các bánh chủ ñộng với nhau. Song song với ưu ñiểm
trên, cơ cấu vi sai cũng tồn tại nhược ñiểm là làm tăng lực cản quay vòng và khó
ñiều khiển khi quay vòng máy kéo.
Khi máy kéo chuyển ñộng trên dốc ngang, phản lực pháp tuyến và phản

lực ngang trên các bánh xe là khác nhau dẫn ñến khả năng bám dọc của các
bánh xe cũng khác nhau. Sự khác nhau này càng lớn khi ñộ dốc càng lớn. Do
ñó, một trong những phương pháp tăng khả năng kéo bám của máy kéo khi
làm việc trên dốc ngang là sử dụng khóa vi sai giữa các bánh xe. ðể khóa vi
sai trên ô tô và máy kéo người ta trang bị hai loại khóa: loại khóa cơ học ñược
khóa và mở nhờ sự ñiều khiển của lái xe; còn loại khóa tự ñộng khi xe quay
vòng hoặc là các bánh chủ ñộng làm việc ở các ñiều kiện bám khác nhau.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
3


Như vậy ñể hoàn thiện lý thuyết về ñộng lực học nói chung, ñộng lực
học của hệ thống vi sai nói riêng cũng như khảo sát hệ số khóa vi sai ñến tính
năng kéo bám của máy kéo là cần thiết. Xuất phát từ nhu cầu trên chúng tôi
ñã chọn ñề tài: “Nghiên cứu tính chất ñộng lực học của hệ thống vi sai và
ảnh hưởng của hệ số khoá vi sai ñến tính năng kéo bám của máy kéo".
Nội dung chính của ñề tài ñược chia ra thành 5 phần
1. Tổng quan về các vấn ñề nghiên cứu
2. Cơ sở lý thuyết
3. Xây dựng mô hình khảo sát ñộng lực học của cơ cấu vi sai
4. Nghiên cứu thực nghiệm
5. Kết luận và ñề nghị

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
4



1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Vài nét về vấn ñề nghiên cứu
Máy kéo dùng trong nông nghiệp có những ñặc trưng riêng khác với
những máy dùng trong công nghiệp. Máy kéo ñược chế tạo ñể làm việc trong
các ñiều kiện khó khăn, không cố ñịnh mà phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố
ngoại cảnh như ñiều kiện ñất ñai, ñường xá, lực cản,.v.v.
Hệ thống truyền lực của máy kéo có tác dụng truyền mô men quay từ
ñộng cơ ñến các bánh xe chủ ñộng và ñến cơ cấu làm việc. Do vậy nó ñược
thiết kế chế tạo với ñiều kiện tốc ñộ chuyển ñộng, lực kéo, mô men cản tác
ñộng lên các bánh xe chủ ñộng là luôn thay ñổi theo ñiều kiện làm việc, tính
chất công việc và tình trạng mặt ñường.
Năng suất của máy kéo và lượng nhiên liệu tiêu hao phụ thuộc vào các
chế ñộ sử dụng công suất ñộng cơ, hiệu quả ñạt cao nhất khi sử dụng tải trọng
gần tới công suất cực ñại của ñộng cơ. Tải trọng ñặt lên ñộng cơ phụ thuộc
vào lực cản chuyển ñộng của máy kéo khi thực hiện các công việc khác nhau
và tốc ñộ chuyển ñộng của nó. Vì vậy trong thời gian máy kéo làm việc lực
cản thay ñổi, ñể giữ ở chế ñộ làm việc có lợi nhất của ñộng cơ cần thay ñổi

tương ứng tốc ñộ chuyển ñộng ở những số truyền thích hợp của máy kéo. Với
mức tải trọng sao cho công suất của ñộng cơ luôn bằng 80% ÷ 90% công suất
ñịnh mức N
eh
.
Khi máy kéo quay vòng hoặc di chuyển trên ñường không bằng phẳng
thì bánh xe chủ ñộng bên trái và bên phải quay với vận tốc góc khác nhau do
tác ñộng của mô men cản lên hai bánh xe chủ ñộng khác nhau. Nếu hai bánh
xe chủ ñộng quay với vận tốc như nhau thì sẽ có một bánh xe chủ ñộng nào
ñó bị trượt quay còn bánh kia bị trượt lết, làm cho lốp và hệ thống truyền lực
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
5


hao mòn nhanh. Cho nên ở cầu chủ ñộng của máy kéo bánh có trang bị bộ vi
sai, cho phép truyền mô men quay tới các bánh xe chủ ñộng với vận tốc góc
khác nhau. Trong thực tế có nhiều trường hợp một bánh xe chủ ñộng rơi
xuống hố ñất tơi làm cho bánh ñó bị trượt quay (hệ số bám ϕ
≈
0), còn bánh
kia thì vẫn quay bình thường. ðặc biệt là khi máy kéo làm việc trên ñồi dốc
ngang thì lực kéo tiếp tuyến giữa các bánh xe chủ ñộng luôn khác nhau, làm
ảnh hưởng ñến tính năng kéo bám, tính ổn ñịnh của máy kéo. ðể khắc phục
ñược vấn ñề trên cần phải khoá tức thời bộ vi sai ñể liên kết cứng hai bán trục
lại với nhau nhằm tăng lực kéo tiếp tuyến khắc phục ñược hiện tượng trượt,
nhưng phải tự ñộng mở khoá vi sai khi xoay bánh dẫn hướng một góc khoảng
7÷ 8
0
. Với những vấn ñề nêu trên, việc nghiên cứu tính chất ñộng lực học của
bộ vi sai có khóa tự ñộng ñể cải tiến khoá vi sai cơ học và thiết kế chế tạo mới

các loại khóa tự ñộng của máy kéo là một vấn ñề cần thiết. Từ các kết quả
nghiên cứu giúp ta xây dựng ñược khả năng làm việc của máy kéo có hiệu
quả nhất.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong sản xuất nông nghiệp máy kéo ñược sử dụng ñể thực hiện nhiều
công việc khác nhau, trong các ñiều kiện ñất ñai rất phức tạp và ña dạng. Lịch
sử phát triển khoa học lý thuyết máy kéo gắn liền với việc nghiên cứu các vấn
ñề ñộng học, ñộng lực học của từng cơ cấu hoặc của toàn máy trong ñiều kiện
sử dụng khác nhau.
Theo nhiều chuyên gia khi nghiên cứu lý thuyết tính toán liên hợp máy
nói chung và máy kéo nói riêng ñều ñi ñến kết luận rằng, sau tính năng kéo
bám của máy kéo thì ñộng lực học của vi sai là một tính năng kỹ thuật quan
trọng của máy kéo, cần ñược quan tâm nghiên cứu một cách ñầy ñủ.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
6


Ở nước ta vấn ñề ñộng lực học vi sai chưa thực sự ñược quan tâm và
nghiên cứu ñầy ñủ. Có lẽ do quan niệm chưa ñúng về tương lai phát triển của
máy kéo nông nghiệp Việt Nam, vốn lâu nay vẫn sử dụng máy kéo nhập
ngoại, hoặc chế tạo chép mẫu của nước ngoài. Từ nhiều năm nay các nhà
nghiên cứu chỉ tập trung nghiên cứu tính năng kéo bám của máy kéo chủ ñộng
nghiên cứu cải tiến bộ phận di ñộng (bánh mấu, xích ôm lốp, nửa xích, bánh
lồng). Nhằm nâng cao tính năng kéo bám của bánh xe khi máy kéo làm việc
trên các ñồng ruộng khác nhau. Bên cạnh ñó, nhiều nhà khoa học của Viện Cơ
ñiện và Trường ñại học Nông nghiệp Hà Nội, Trường ñại học Bách khoa và
các trường khác ñã công bố các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn về những vấn ñề trên. Những vấn ñề ñó là hết sức cần thiết mang
tính cấp thiết nhưng chưa ñủ. ðã ñến lúc chúng ta nhìn thẳng vào hậu quả của
việc chưa quan tâm ñúng mức ñến việc nghiên cứu tính năng khác của máy

kéo. Có thể ñưa ra một số thực tế:
Máy kéo ñẩy tay hai bánh (bông sen, Power tiller...) Chép mẫu của
Nhật Bản, Trung Quốc, IRRI, nhưng do trong quá trình tính toán không ñủ
các thông số nên kết quả các loại máy kéo này có tính năng ñiều khiển khó
khăn khả năng kéo bám thấp. Một số loại xe (công nông, xe lam...) do các cơ
sở tư nhân tự thiết kế, chế tạo lấy các bộ phận ví dụ như: cầu chủ ñộng,
khung, hệ thống lái của các loại xe tải của Liên Xô (cũ) lắp ráp lại với nhau
mà bỏ qua công tác tính toán. Nên các loại xe này không ñạt yêu cầu kỹ thuật
nên ñã gây ra rất nhiều tai nạn...
Do nhu cầu của các ngành sản xuất, các nhà khoa học ở trên thế giới ñã
không ngừng tìm tòi nghiên cứu ngày càng hoàn thiện hơn các tính năng của
máy kéo. Bằng nhiều phương pháp khác nhau và mức ñộ khác nhau các nhà
khoa học ñã nghiên cứu xung quanh vấn ñề ñộng lực học vi sai.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
7


Trong những năm 40 – 50 của thế kỷ 20, do ñiều kiện nghiên cứu còn
nhiều hạn chế, nên khi nghiên cứu tính năng kỹ thuật của máy kéo, các nhà
khoa học chưa có ñiều kiện ñi sâu vào nghiên cứu ñộng lực học máy, hoặc
phải ñưa ra các giả thiết. Thí dụ như cho các bánh xe là cứng tuyệt ñối và
không bị biến dạng, ñiều này không ñúng với thực tế.
ðến những năm gần ñây, với sự phát triển của khoa học công nghệ, kỹ
thuật ño hiện ñại kết hợp với các phần mềm máy tính hiện ñại, thì việc nghiên
cứu ñộng lực học xe nói chung và ñộng lực học vi sai khá sâu sắc. ðã xây
dựng ñược các phương trình vi phân mô tả quá trình ñộng lực học của vi sai,
mô tả khá ñầy ñủ quá trình chuyển ñộng của máy kéo. Sau ñó ứng dụng các
kết quả nghiên cứu tính năng kéo bám của máy kéo là cơ sở cho việc tính toán
hệ thống truyền ñộng của máy kéo.
1.3. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số khóa vi sai ñến khả năng kéo bám của
máy kéo, trước tiên cần xây dựng mô hình tính toán và sử dụng các phương
pháp phù hợp ñể nghiên cứu. Mô hình phải phản ánh ñược những ñặc ñiểm cơ
bản của hệ thống, thích hợp với việc giải và mô phỏng bằng các phương pháp
hiện ñại. Từ ñó thiết lập phương trình vi phân diễn tả các mối quan hệ giữa
các thông số ñầu vào và các thông số ñặc trưng của mô hình. Hệ phương trình
vi phân này và các ñiều kiện giới hạn ñược coi là mô hình toán của hệ thống.
ðể giải hệ phương trình vi phân, cần sử dụng phương pháp phù hợp tuỳ
thuộc vào ñặc ñiểm của mô hình nghiên cứu, các thông số ñầu vào và mục
ñích nghiên cứu. Dưới ñây trình bày một số phương pháp nghiên cứu ñược sử
dụng trong luận văn.
a) Phương pháp giải tích
Theo phương pháp giải tích, sau khi lựa chọn mô hình hoá bộ truyền
ñộng vi sai và mô hình tính toán ñộng lực học cho cơ hệ, dựa vào các ñịnh
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
8


luật cơ học ta mô tả các chuyển ñộng của các cơ hệ cơ học bằng phương trình
vi phân biểu diễn quá trình làm việc của bộ vi sai. ðối với mô hình tuyến tính,
việc giải các phương trình vi phân này có thể tiến hành theo nhiều cách khác
nhau tuỳ thuộc vào từng phương pháp giải.
b) Phương pháp số
Do ñặc tính phi tuyến của cơ cấu khoá vi sai tự ñộng bằng thuỷ lực nên
phương trình vi phân biểu diễn ñộng lực học của hộp vi sai dưới tác ñộng của
hệ số bám không ñều và luôn thay ñổi ở các bánh xe chủ ñộng, ñây là phương
trình vi phân phi tuyến chỉ có lời giải theo phương pháp gần ñúng. Một
phương pháp giải ñược sử dụng phổ biến là phương pháp số.
Ưu ñiểm của phương pháp này là có thể dùng cho nhiều lớp bài toán
khác nhau với các ñiều kiện sử dụng khác nhau.

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính ñiện tử, việc giải các
bài toán dưới dạng hệ phương trình vi phân phi tuyến theo phương pháp số
ngày càng ñược sử dụng rộng rãi. Các kết quả xử lý trên máy tính có ñộ chính
xác và ñộ tin cậy cao. Tuy nhiên kết quả tính toán phụ thuộc hoàn toàn vào
việc xây dựng các thuật toán và lập trình giải bài toán trên máy tính.
c) Phương pháp mô hình hóa
Sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng ñể khảo sát ñộng lực
học của hệ thống vi sai có kể ñến các yếu tố của cơ hệ và yếu tố quan hệ ñất
bánh. Các mô hình khảo sát ñược xây dựng bằng các phần mềm hiện ñại
Simulink và Simdriveline có khả năng ñưa yếu tố ñiều khiển vào mô hình,
giao diện dễ sử dụng, ñộ chính xác cao.
d) Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
Phương pháp này cho kết quả rất cụ thể bởi vì không cần thay thế máy
kéo bằng mô hình vật lý nào ñó mà khi thay thế như vậy hầu hết phải ñưa ra
một số giả thiết hoặc ñiều kiện nhất ñịnh. Vì vậy kết quả thí nghiệm có thể
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
9


xem là chính xác cho chiếc máy cụ thể ñem thí nghiệm. Tuy nhiên việc thử
nghiệm máy thường gặp những khó khăn trong việc thử nghiệm trong việc lựa
chọn ñiều kiện thí nghiệm, lựa chọn thiết bị ño lường và xử lý số liệu thí
nghiệm. Mặt khác số liệu thí nghiệm thường phải ñủ lớn, trong các kết quả
thường chỉ phản ánh từng chế ñộ làm việc nhất ñịnh và khó thấy ảnh hưởng
riêng rẽ của từng yếu tố ñiều ñó làm tăng chi phí về thời gian và kinh phí
ñồng thời khó có thể giải quyết ñược các bài toán tối ưu. Chính vì vậy,
phương pháp thử nghiệm máy thường chỉ ñược áp dụng ñể khảo sát ñộng lực
học của vi sai ñã có trong ñiều kiện sử dụng hoặc ñể kiểm chứng cho nghiên
cứu lý thuyết dưới dạng mô hình toán hoặc cơ tức là chỉ hợp lý ở giai ñoạn
kiểm tra ñánh giá mức ñộ chính xác của kết quả nghiên cứu.

Tóm lại khi nghiên cứu ñộng lực học ô tô – máy kéo nói chung và
nghiên cứu ñộng lực học vi sai nói riêng có thể sử dụng phương pháp thử
nghiệm máy thực hoặc phương pháp nghiên cứu mô hình toán học. trong
phương pháp nghiên cứu mô hình lại phân chia ra thành nhiều dạng mô hình
thường cho kết quả mang tính chất ñịnh tính nhưng khá hiệu quả trong nghiên
cứu. Mô hình lý thuyết có thể giải quyết bài toán có tính tổng quát cao và kết
quả giải quyết các phương trình vi phân chuyển ñộng mang tính ñịnh lượng.
Như vậy mỗi một phương pháp ñều có những ưu ñiểm và nhược ñiểm
nhất ñịnh và ñược ứng dụng trong các bài toán cụ thể và trong những ñiều
kiện cụ thể nếu kết hợp ñược những phương pháp trên thì công tác nghiên cứu
sẽ có hiệu quả cao hơn vì cho lời giải chính xác, nhanh chóng hơn.
Qua quá trình phân tích ưu nhược ñiểm của các phương pháp trên, ñể
thực hiện ñược nhiệm vụ của ñề tài và trên cơ sở lý thuyết ñộng lực học vi sai
của máy kéo, cùng với sự phù hợp của thiết bị ño, xử lý số liệu thí nghiệm lên
chúng tôi lựa chọn phương pháp xây dựng mô hình toán học và sử dụng các
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
10


phần mềm mô phỏng quá trình ñộng lực học của vi sai và tiến hành xác ñịnh
một số thông số ñộng lực học của bộ vi sai trên máy kéo MTZ - 80.
1.4. ðối tượng nghiên cứu

Trên cơ sở thực tế sản xuất hiện nay, máy kéo MTZ - 80 trang bị khá
phổ biến ở Việt Nam. Máy kéo MTZ - 80 là máy kéo vạn năng, có cầu sau
chủ ñộng do nhà máy cơ khí Minckher- Bêlarút chế tạo. Máy kéo MTZ - 80
có trang bị cơ cấu khóa vi sai tự ñộng việc ñóng mở khóa vi sai bởi dầu thủy
lực. Mặt khác do loại máy kéo này ñã ñược kiểm chứng tại ñiều kiện ñồng
ruộng Việt Nam.
ðể có cơ sở khoa học cho việc cải tiến các loại máy kéo có khóa cơ

học và thiết kế chế tạo mới các loại máy kéo có trang bị khóa vi sai tự ñộng,
chúng tôi chọn máy kéo MTZ - 80 làm ñối tượng nghiên cứu. Thông số kỹ
thuật của máy kéo MTZ - 80 ñược trình bày ở bảng 1.1.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
11



Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của máy kéo MTZ-80

STT Các thông số kỹ thuật ðơn vị ðộ lớn
1. Trọng lượng G kg 3380
2. Chiều dài cơ sở L m 2,37
3. Tọa ñộ trọng tâm dọc b m 0,69
4. Chiều rộng vết bánh trước B
1
m 1,40
5. Chiều rộng vết bánh trước B
2
m 1,60
6. ðường kính bánh trước m 0,8
7. ðường kính bánh sau m 1,57
8. Bề rộng bánh trước m 0,19
9. Bề rộng bánh sau m 0,32
10. Áp suất hơi bánh trước KG/cm
2
1,70
11. Áp suất hơi bánh sau KG/cm
2
1,00

12. Hệ số lực kéo tiếp tuyến cầu sau - 1,00
13. Hệ số khóa vi sai - 0,5
14. Tỷ số truyền lực cuối cùng - 5,31
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
12


1.5. Mục ñích và nhiệm vụ của ñề tài
1.5.1. Mục ñích
Nghiên cứu tính chất ñộng lực học của vi sai và ảnh hưởng của hệ số
khoá vi sai ñến tính năng kéo bám của máy kéo. Kết quả nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm của ñề tài sẽ là các cơ sở khoa học góp phần hoàn thiện công
việc tính toán, thiết kế, chế tạo máy kéo dùng trong Nông – Lâm nghiệp ở
Việt Nam.
- Phân tích một số chỉ tiêu kỹ thuật gây ảnh hưởng ñến tính năng làm
việc của máy kéo.
- Xây dựng mô hình nghiên cứu ñộng lực học của bộ vi sai
- Xác ñịnh mô men khoá vi sai
- Mô phỏng sự làm việc của bộ vi sai, khi máy kéo chạy thẳng với ñiều
kiện làm việc của các bánh chủ ñộng khác nhau.
1.5.2. Nhiệm vụ của ñề tài
- Tổng quan
+ Các vấn ñề liên quan ñã ñược nghiên cứu ở trong nước và thế giới.
- Nghiên cứu lý thuyết:
+ Nghiên cứu về vi sai trên ô tô - máy kéo
+ Xây dựng mô hình toán về ñộng lực học của vi sai
+ Giải và mô phỏng mô hình toán trên máy tính
- Nghiên cứu thực nghiệm trên máy kéo MTZ-80:
+ Xác ñịnh tính năng kéo bám của máy kéo khi khoá và không khoá vi sai.
+ Xác ñịnh ảnh hưởng của hệ số khoá vi sai ñến tính năng kéo bám, khi

ñiều kiện làm việc của hai bánh xe chủ ñộng khác nhau.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
13


2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.
Lực và mô men tác dụng lên ôtô - máy kéo khi chuyển ñộng
[14]
2.1.1. Mô men chủ ñộng
Khi ôtô – máy kéo làm việc công suất và mô men quay của ñộng cơ
ñược truyền qua hệ thống truyền lực rồi ñến các bánh xe chủ ñộng ñể tạo ra
sự chuyển ñộng của ôtô – máy kéo.
Trên hình 2.1 ñược trình bày sơ ñồ ñơn giản của hệ thống truyền lực
máy kéo 4x2 bao gồm: ñộng cơ 1, ly hợp chính 2, hộp số 3, truyền lực trung
ương 4 và truyền lực cuối cùng 5.
Mô men quay do ñộng cơ truyền ñến các bánh chủ ñộng ñược gọi là mô
men chủ ñộng, thường ký hiệu là M
K
.








Hình 2.1. Sơ ñồ hệ thống truyền lực của máy kéo bánh
1- ðộng cơ, 2- Ly hợp, 3- Hộp số, 4- Truyền lực chính, 5- Truyền lực cuối cùng.

Giá trị mô men quay M
K
phụ thuộc vào mô men quay của ñộng cơ M
e
,
tỷ số truyền i và hiệu suất η
m
của hệ thống truyền lực. Ngoài ra nó còn phụ
thuộc rất nhiều vào chế ñộ chuyển ñộng của máy kéo.
Khi máy kéo chuyển ñộng ổn ñịnh:

N
k
M
k
n
k
i
c
i
T
i
h
Ne, Me, n
5
43
2
1
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
14

M
K
= M
e
.i. η
m
(2.1)
với i = i
h
i
T
+ i
c

Trong ñó: Me: Mô men quay của ñộng cơ.
i, η
m
: Tỉ số truyền và hiệu suất của hệ thống truyền lực
i
h
; : Tỉ số truyền của hộp số và truyền lực trung ương
i
c
: Tỉ số truyền của truyền lực cuối cùng
Khi máy kéo chuyển ñộng không ổn ñịnh:

dt
d

J.i
dt
d
J.i
dt
d
JMM
k
kxx
x
xmdCk
ω
±η
ω
±η






ω
±=
′
∑
(2.2)
Trong ñó:
d
d
J ;

dt
ω
: Mô men quán tính của các chi tiết chuyển ñộng không
ñều trong ñộng cơ quy ñổi ñến trục khuỷu và gia tốc ñộng cơ

x
x
d
J ;
dt
ω
: Mô men quán tính và gia tốc của chi tiết thứ x trong hệ
thống truyền lực.
k
k
d
J ;
dt
ω
: Mô men quán tính và gia tốc của bánh xe chủ ñộng
Trong công thức (2.2), dấu (+) ñược sử dụng trong trường hợp chuyển ñộng
chậm dần và dấu (-) ñược sử dụng trong trường hợp chuyển ñộng nhanh dần.
Mối liên hệ giữa gia tốc của máy kéo và gia tốc góc của bánh xe chủ
ñộng có thể ñược biểu diễn bằng biểu thức:

k k
k
d r
d
a r .

dt dt i
ω
ω
= =

Trong ñó: a: Gia tốc tịnh tiến của máy kéo
r
k
: Bán kính bánh xe chủ ñộng
i: Tỉ số truyền chung của hệ thống truyền lực
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
15


Từ ñó suy ra hệ thức sau:

i.
r
a
dt
d
k
=
ω

x
k
x
i.
r

a
dt
d
=
ω

k
k
r
a
dt
d
=
ω

Sau khi thay các giá trị vào công thức (2.2) và bằng phép biến ñổi ñơn
giản ta nhận ñược:

akkk
MMM ±=
′
(2.3)
Trong ñó: M
k
: Mô men chủ ñộng của máy kéo khi chuyển ñộng ổn ñịnh
M
ak
: Mô men của các lực quán tính của các khối lượng quay
không ñều quy ñổi ñến bánh xe chủ ñộng.
2 2

d m x x m k
ak
k
J i J i J
M a.
r
η + η +
=
∑
(2.4)
Trong công thức (2.3), dấu (+) ñược sử dụng trong trường hợp chuyển ñộng
chậm dần và dấu (-) ñược sử dụng trong trường hợp chuyển ñộng nhanh dần.
Như vậy khi chuyển ñộng không ổn ñịnh mô men chủ ñộng của máy
kéo
k
M
′
không chỉ phụ thuộc vào mô men quay của ñộng cơ M
e
, tỷ số truyền i
và hiệu suất η
m
của hệ thống truyền lực mà còn phụ thuộc vào mô men quá
tính của các khối lượng chuyển ñộng quay không ñều và bán kính của bánh xe
chủ ñộng.
Khi máy kéo chuyển ñộng nhanh dần, thành phần mô men quay M
k

ñóng vai trò là mô men cản và mô men chủ ñộng của máy kéo nhỏ hơn so với
trường hợp chuyển ñộng ñều (

k
M
′
< M
k
). Ngược lại khi máy kéo chuyển ñộng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
16


P
k
Z
k
R
k
G
k
M
k
r
k
chậm dần, thành phần mô men quay M
k
sẽ bổ xung thêm cho mô men chủ
ñộng (
k
M
′
> M

k
).
2.1.2. Khái niệm về lực kéo, lực bám và hệ số bám của bánh xe chủ ñộng.
1. Lực kéo.
Trong quá trình tác ñộng tương hỗ giữa bánh xe với mặt ñường hoặc
ñất xảy ra rất phức tạp, song về nguyên lý làm việc của bánh xe chủ ñộng có
thể biểu diễn như hình vẽ sau:







Hình 2.2. Sơ ñồ nguyên lý làm việc của bánh xe chủ ñộng
Dưới tác dụng của mô men chủ ñộng bánh xe tác ñộng lên mặt ñường
một lực tiếp tuyến P, ngược lại mặt ñường tác dụng lên bánh xe một phản lực
tiếp tuyến P
k
cùng chiều chuyển ñộng với máy kéo có giá trị bằng lực P (P
k
=
P). Phản lực P
k
có tác dụng làm cho máy chuyển ñộng.
Do vậy phản lực tiếp tuyến P
k
ñược gọi là lực kéo tiếp tuyến, ñôi khi
còn ñược gọi là lực chủ ñộng.
Về bản chất, lực kéo tiếp tuyến P

k
là phản lực của ñất tác dụng lên bánh
xe do mô men chủ ñộng gây ra, có chiều cùng chiều với chiều chuyển ñộng
của máy kéo.