nghiên cứu ứng dụng hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực cho xe tự hành đa năng

Từ những lý do trên và với nhu cầu thực tiễn, đề tài luận văn đặt vấn đề “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực cho xe tự hành đa năng” để xây dựng các cơ sở kh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào khác

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

Đặng Đức Thuận

LỜI CẢM ƠN

Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn: TS Bùi Việt Đức – Bộ môn Động lực, khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, đã tận tình động viên, chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo trong Bộ môn Động lực, Khoa Cơ điện, Ban Quản lý đào tạo, Ban lãnh đạo Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã giúp đỡ về chuyên môn cũng như tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu và tập thể cán bộ Khoa Cơ khí Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp trong và ngoài cơ quan và người thân đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên, góp ý kiến để tôi hoàn thành bản luận văn này

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả luận án

Đặng Đức Thuận

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG x

MỞ ĐẦU .1

A Đặt vấn đề 1

B Nội dung vấn đề nghiên cứu 2

C Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Khái quát về các dạng truyền động hiện nay 3

1.1.1 Truyền động cơ khí 3

1.1.2 Truyền động điện 4

1.1.3 Truyền động thủy lực 5

1.1.3.1 Truyền động thủy tĩnh (TĐTT) 5

1.1.3.2 Truyền động thủy động (TĐTĐ) 7

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan đến đề lài luận văn 8

1.2.1 Các nghiên cứu về truyền động thủy lực 8

1.2.2 Một số dạng truyền động và điều khiển thủy lực cho bộ phận di chuyển được ứng dụng phổ biến hiện nay 11

1.2.2.1 Truyền động cho hai bánh chủ động từ một bơm 11

1.2.2.2 Truyền động độc lập cho hai bánh chủ động 13

1.2.2.3 Kết hợp song song giữa truyền động cơ khí và thủy lực 14

1.2.2.4 Truyền động cho hai cầu chủ động từ một động cơ thủy lực 16

1.2.2.5 Truyền động thủy lực cho bốn bánh xe 17

1.2.3 Một số sơ đồ mạch truyền động thủy lực được sử dụng trên xe tự hành 19 1.2.3.1 Mạch truyền động thủy lực cho bộ công tác xe nâng hàng 19

1.2.3.2 Sơ đồ mạch truyền động thủy lực máy xúc 20

1.2.3.3 Sơ đồ mạch truyền động thủy lực trên máy kéo 21

1.2.3.4 Sơ đồ mạch thủy lực cho các đầu chờ trên xe đa năng Multicar 21

Kết luận chương 1 23

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Mô hình và sơ đồ mạch truyền động và điều khiển cho xe tự hành đa năng 24

2.1.1 Mô hình truyền động 24

2.1.2 Sơ đồ mạch truyền động và điều khiển thủy lực 25

2.2 Xây dựng lựa chọn các hệ thống thành phần 27

2.2.1 Mô hình động cơ Diesel 27

2.2.2 Các phần tử của hệ thống truyền động thủy lực 29

2.2.2.1 Bơm thủy lực 29

2.2.2.2 Động cơ thủy lực 30

2.2.2.3 Đường ống dẫn dầu 31

2.2.2.4 Thùng dầu 32

2.2.2.5 Bộ lọc dầu 33

2.2.2.6 Van phân phối 33

2.2.3 Các thành phần lực chuyển động của xe 34

2.2.3.1 Lực kéo tiếp tuyến 34

2.2.3.2 Lực cản lăn 35

2.2.3.3 Lực cản dốc 36

2.2.3.4 Lực cản không khí và lực cản quán tính 36

2.2.4 Tính toán lựa chọn các phần tử mạch truyền động thủy lực cho hệ thống di chuyển 37

2.2.4.1 Tính toán chọn động cơ thủy lực 37

2.2.4.2 Tính toán chọn hộp số cơ khí, bộ cầu sau 40

2.2.4.3 Tính toán chọn đường ống dẫn dầu và hao tổn áp suất 41

2.2.4.4 Tính toán chọn bơm 42

2.2.4.5 Tính toán lựa chọn các van an toàn giới hạn áp suất và van chặn dòng 43 2.2.5 Tính toán lựa chọn các phần tử mạch truyền động thủy lực trên mạch trích công suất 45

2.2.5.1 Tính toán chọn bơm 45

2.2.5.2 Tính toán chọn van phân phối 45

2.2.5.3 Tính toán chọn loại van tiết lưu 45

Kết luận chương 2 47

Chương 3 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ KHẢO SÁT 48

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực cho xe tự hành đa năng 48

3.1.1 Mô hình truyền động thủy lực dạng mạch kín và mạch hở 48

3.1.2 Mô hình truyền động từ động cơ diesel đến bơm 51

3.1.3 Mô hình truyền động từ bơm qua ống dẫn đến động cơ và phụ tải 52

3.1.4 Mô hình kết nối động cơ thủy lực và hộp số cơ học 53

3.1.5 Mối quan hệ toán học của các phần tử trong mô hình 54

3.2 Mô hình mô phỏng hệ thống trên Matlab SimHydraulic và kết quả khảo nghiệm 55

3.2.1 Sơ đồ mô hình 55

3.2.2 Các phương án khảo sát và phân tích kết quả 58

3.2.2.1 Khảo sát khi xe chuyển động 58

3.2.2.2 Khi xe di chuyển hoặc không di chuyển và có các phụ tải 66

Kết luận chương 3 69

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 70

A Kết luận 70

B Đề nghị 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC HÌNH

Các modun có thể lắp vào xe tự hành 1

Hình 1.1 Truyền động cơ khí 3

Hình 1.2 Hệ thống truyền động cơ khí cho xe Ôtô 3

Hình 1.3 Hệ thống Hybrid 4

Hình 1.4 Truyền động thủy tĩnh cho bộ phận di động 5

Hình 1.5 Sơ đồ truyền động mạch hở và mạch kín 6

Hình 1.6 Hộp số tự động 7 cấp 7

Hình 1.7 Xe đạp chạy bằng năng lượng thủy lực 8

Hình 1.8 Máy ép thủy lực 9

Hình 1.9 Máy xúc xây dựng cảng Hull 9

Hình 1.10 Máy kéo Fordson 10

Hình 1.11 Dạng truyền động cho hai bánh chủ động từ một bơm 11

Hình 1.12 Sơ đồ truyền động thủy lực máy kéo 12

Hình 1.13 Dạng truyền động độc lập cho hai bánh chủ động 13

Hình 1.14 Bộ truyền lực di động máy ủi D39-EX 13

Hình 1.15 Sơ đồ truyền động kết hợp 14

Hình 1.16 Hệ thống truyền động của máy kéo Fendt 700 Vario 15

Hình 1.17 Sơ đồ truyền động cho xe hai cầu chủ động 16

Hình 1.18 Truyền động hệ thống di chuyển 17

Hình 1.19 Mô hình truyền động cho cả bốn bánh xe 18

Hình 1.20 Sơ đồ truyền động lu rung 18

Hình 1.21 Sơ đồ thủy lực xe nâng Kubota 19

Hình 1.22 Sơ đồ thủy lực máy xúc đào EO-4121A 20

Hình 1.23 Sơ đồ mạch thủy lực máy kéo 21

Hình 1.24 Sơ đồ mạch truyền động thủy lực trên xe đa năng Multicar 22

Hình 2.1 Mô hình hệ thống truyền động cho xe tự hành đa năng 24

Hình 2.2 Sơ đồ mạch truyền động và điều khiển thủy lực 26

Hình 2.3 Đường đặc tính động cơ D240 28

Hình 2.4 Bơm thủy lực piston hướng trục 30

Hình 2.5 Kết cấu thùng chứa dầu thủy lực 32

Hình 2.6 Sơ đồ lực tác dụng lên xe 34

Hình 2.7 Đặc tính về các mối quan hệ của động cơ A4FM - 125 40

Hình 2.8 Đường đặc tính van chặn dòng 44

Hình 2.9 Đường đặc tính van phân phối 46

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng sơ đồ truyền động kiểu mạch kín 48

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng sơ đồ truyền động kiểu mạch hở 49

Hình 3.3 Đặc tính mô men cản tác động lên động cơ thủy lực 49

Hình 3.4 Đặc tính tốc độ quay của động cơ thủy lực 49

Hình 3.5 Đặc tính công suất đầu ra của động cơ thủy lực 50

Hình 3.6 Mô hình kết nối động cơ và bơm dầu 51

Hình 3.7 Mô hình kết nối động cơ, phụ tải 52

Hình 3.8 Mô hình kết nối động cơ thủy lực và hộp số 54

Hình 3.9 Mô hình chung của hệ thống truyền động thủy lực xe tự hành đa năng 55 Hình 3.10 Mối quan hệ toán học của các phần tử trong hệ thống truyền động thủy lực cho xe tự hành đa năng 56

Hình 3.11 Sơ đồ mô hình mô phỏng trên Matlab 57

Hình 3.12 Đường đặc tính vận tốc và mô men trên bán trục bánh xe chủ động của xe khi di chuyển với tải trọng tĩnh 58

Hình 3.13 Đường đặc tính tốc độ và mô men quay của động cơ Diesel 59

Hình 3.14 Đường đặc tính áp suất và lưu lượng dầu dịch chuyển trong hệ thống truyền động di chuyển 59

Hình 3.15 Đường đặc tính áp suất và lưu lượng dầu trong trường hợp điều khiển bơm thủy lực 60

Hình 3.16 Đường đặc tính vận tốc di chuyển của xe trong trường hợp điều khiển bơm thủy lực 61

Hình 3.17 Đường đặc tính vận tốc di chuyển của xe trong trường hợp xe gặp lực tác động đột ngột 61

Hình 3.18 Đường đặc tính mô men tại bán trục bánh xe chủ động và của động cơ Diesel trong trường hợp xe gặp lực tác động đột ngột 62

Hình 3.19 Đường đặc tính tốc độ quay của động cơ Diesel trong trường hợp xe

gặp lực tác động đột ngột 62Hình 3.20 Đường đặc tính áp suất và lưu lượng dầu trong trường hợp xe gặp lực

tác động đột ngột 63Hình 3.21 Đường đặc tính mô men của bán trục chủ động và động cơ Diesel tại

thời điểm tác dụng lực đột ngột 64Hình 3.22 Đường đặc tính mô men của bán trục chủ động khi xe chịu lực tác

động theo chu kỳ 64Hình 3.23 Đường đặc tính mô men và tốc độ quay của động cơ Diesel khi xe chịu

lực tác động theo chu kỳ 65Hình 3.24 Đường đặc tính áp suất và lưu lượng của dầu trong hệ thống khi xe

chịu lực tác động theo chu kỳ 65Hình 3.25 Đường đặc tính của vận tốc khi xe di chuyển và chịu lực tác động theo

chu kỳ 66Hình 3.26 Đường đặc tính vận tốc di chuyển của xe và mô men trên bán trục chủ

động khi xe vừa di chuyển và công tác 67Hình 3.27 Đường đặc tính lưu lượng dầu di chuyển trong mạch trích công suất

cho phụ tải 67Hình 3.28 Đường đặc tính lưu lượng dầu di chuyển trong mạch khi xe vừa di

chuyển và công tác với phụ tải 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Quan hệ áp suất và vận tốc dòng chảy trong ống 31

Bảng 2.2 Hệ số cản lăn f theo một số loại đường 38

Bảng 2.3 Giá trị một số thông số liên quan đến lực cản không khí 38

Bảng 2.4 Thông số động cơ A4FM – 125 39

Bảng 2.5 Tỷ số truyền hộp số và bộ truyền lực cuối 41

Bảng 2.6 Thông số bơm AA4VG - 125 43

Bảng 2.7 Áp suất cho phép để mở cửa van 44

Bảng 2.8 Thông số bơm AA10VG - 45 45

Bảng 2.9 Thông số van tiết lưu 46

MỞ ĐẦU

A Đặt vấn đề

Hiện nay nền kinh tế của Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh, do vậy nhu cầu sử dụng các loại xe, máy chuyên dụng phục vụ cho các lĩnh vực sản xuất của xã hội ngày càng cao như: phục vụ công trình giao thông, xây dựng, nông – lâm nghiệp, cộng tác vệ sinh đường bộ, chăm sóc cây xanh trên đường phố… Nếu với mỗi một công việc ta cần một loại máy cụ thể để phục vụ thì chi phí đầu tư rất lớn, kể cả các chi phí về bến bãi, dịch vụ bảo trì sửa chữa Hơn nữa con người phải đối mặt với sự gia tăng ô nhiễm môi trường toàn cầu và phải hạn chế tối đa lượng chất thải của xe để làm giảm ô nhiễm Từ những yếu tố này đã buộc các nhà sản xuất ôtô – máy không ngừng nỗ lực nghiên cứu, cải tiến và đưa ra một chiếc xe tự hành đa năng phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau

Các modun có thể lắp vào xe tự hành

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật công nghệ hiện đại và sự phát triển của ngành kỹ thuật thủy lực, các nhà thiết kế đã có rất nhiều lựa chọn và các giải pháp hữu hiệu cho một chiếc xe đa năng Do có những ưu điểm vượt trội và tiềm năng công nghệ đầy hứa hẹn, truyền động thủy lực sẽ thay thế dần các truyền động cơ khí thông thường trước đây Các ứng dụng này đã được

áp dụng trên một số máy phục vụ các công việc của sản xuất Nông nghiệp, Lâm nghiệp, Giao thông, Xây dựng…

Truyền động thủy lực cho xe tự hành đa năng là một trong các giải pháp hợp lý có hiệu quả cao do hệ thống có cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt kết nối đặc biệt

là có khả năng thiết lập một hệ thống truyền động linh động trong không gian và điều khiển bất kỳ với các phần tử cấu trúc tiêu chuẩn Các phần tử thủy lực gần đây phát triển đáp ứng nhu cầu tăng hiệu quả cao trong các lĩnh vực phục vụ sản xuất, và khả năng mới cho đường truyền thủy tĩnh Hơn nữa với giá cả hợp lý, độ tin cậy và tuổi thọ cao, truyền động thủy lực đủ tốt và cần thiết cho mục đích này

Từ những lý do trên và với nhu cầu thực tiễn, đề tài luận văn đặt vấn đề

“Nghiên cứu ứng dụng hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực cho xe tự hành đa năng” để xây dựng các cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế và lựa

chọn hợp lý thiết bị, máy móc cho mạch truyền động và điều khiển thủy lực, đáp ứng các yêu cầu kinh tế, kỹ thuật

B Nội dung vấn đề nghiên cứu

Đề tài này chủ yếu đề cập đến tiềm năng của truyền động thủy lực cho xe tự hành đa năng phục vụ cho các lĩnh vực khác nhau trong xã hội

C Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Truyền động thủy lực với nhiều ưu điểm, đã và đang được ứng dụng phổ biến trong nhiều loại máy móc thiết bị phục vụ các công việc đa dạng của xã hội Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu cho tính toán, thiết kế hệ thống truyền động và điều khiển là công việc cần thiết nhằm tạo ra một loại máy tự hành đa chức năng, hoạt động ổn định, đáp ứng tốt các yêu cầu công việc với chi phí chế tạo hợp lý

Đề tài xây dựng cơ sở cho việc ứng dụng truyền động thủy lực cho xe tự hành đa năng phục vụ cho các lĩnh vực xã hội khác nhau phù hợp với điều kiện thực tiễn của Việt Nam

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát về các dạng truyền động hiện nay

1.1.1 Truyền động cơ khí

Đây là dạng truyền động mang tính truyền thống, chúng có mặt trong hầu hết các loại máy từ đơn giản đến phức tạp như: truyền động bánh răng, truyền động trục vít – bánh vít, truyền động đai, truyền động xích … (Hình 1.1)

Hình 1.2 Hệ thống truyền động cơ khí cho xe Ôtô

1.1.2 Truyền động điện

Truyền động điện được ứng dụng phổ biến trên các loại xe lai (Hybrid) hoặc xe nâng hàng, một số loại máy xây dựng Kiểu truyền động này không gây tiếng ồn, tiết kiệm nhiên liệu Trên hình 1.3 giới thiệu các phương án kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện trên các dòng xe Hybrid hiện nay

Khi sử dụng hệ thống Hybird, cả hai chế độ nối tiếp và song song cho phép tận dụng năng lượng quán tính của xe khi phanh hoặc khi xe dừng lại nhưng động

cơ vẫn chạy để tạo ra năng lượng điện tích lũy trong thiết bị lưu trữ nhằm giảm chi phí nhiên liệu

Tuy nhiên do một số hạn chế như hiệu suất truyền động thấp, giá thành chế tạo các phần tử cao, thể tích riêng lớn, nên truyền động điện ít được sử dụng trên

xe tự hành đa năng

1.1.3 Truyền động thủy lực

Truyền động thủy lực là phương pháp truyền động đang được sử dụng phổ biến và ngày càng có khuynh hướng phát triển mạnh Hiện nay, truyền động thủy lực thường được sử dụng với hai loại truyền động, truyền động thủy tĩnh và truyền động thủy động

1.1.3.1 Truyền động thủy tĩnh (TĐTT)

Dựa vào tính chất không nén được của chất lỏng, TĐTT có thể biến đổi

mô men và tốc độ từ động cơ đến cơ cấu chấp hành một cách êm dịu và vô cấp từ 0 đến cực đại TĐTT được sử dụng rất phổ biến trên các loại máy kéo nông nghiệp, máy xây dựng và máy công trình có công suất lớn Ngoài ra chúng còn được sử dụng trên một số loại máy có công suất nhỏ sử dụng trong các công việc cắt cỏ, chăm sóc cây trồng

Hình 1.4 giới thiệu một số phương án truyền động thủy tĩnh từ động cơ đốt trong đến các bánh xe của phận di động Từ một bơm thủy lực tổng, ta có thể truyền cho hai động cơ cho hai cầu chủ động (hình 1.4a), cho một động cơ thủy lực cầu sau và hai động cơ thủy lực cho cầu trước (hình 1.4b) hay tất cả các động

cơ thủy lực độc lập cho các bánh xe (hình 1.4c)

Hình 1.4 Truyền động thủy tĩnh cho bộ phận di động

Ngoài ra, trong các mạch TĐTT ta có thể truyền động theo nguyên lý mạch

phân phối Bơm thủy lực có đường hút nối với thùng dầu và đường đẩy phân biệt

So với mạch hở, hiệu suất truyền thủy lực của toàn mạch kín cao hơn hẳn,

áp suất làm việc cũng cao hơn và kích thước thùng dầu, lượng dầu sử dụng giảm đi rất nhiều Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của mạch kín so với mạch hở là bơm không thể sử dụng cho nhiều chức năng, cơ cấu khác nhau trong cùng một hệ thống Ngoài ra, do lượng dầu truyền động bị đóng kín trong mạch với số lượng rất

nhỏ nên nhanh chóng bị nóng dầu và sẽ là nguy cơ gây ra các hư hỏng nghiêm trọng khi thiết bị làm việc ở tốc độ cao, tải trọng lớn trong thời gian dài nếu dầu thủy lực không được làm mát một cách hợp lý Truyền động thủy lực mạch kín thường được sử dụng cho các hệ thống di chuyển, tời hàng, quay tháp nhờ khả năng thay đổi chính xác lực và tốc độ làm việc một cách dễ dàng khi so sánh với các phương án truyền động khác như truyền động điện, cơ khí …

1.1.3.2 Truyền động thủy động (TĐTĐ)

Truyền động thủy động là dạng truyền động mà công suất được truyền chủ yếu là động năng của dòng chất lỏng trong truyền động Một ứng dụng khá phổ biến của dạng truyền động này trong hệ thống truyền lực của ô tô – máy kéo là biến mô thủy lực

Biến mô được sử dụng để đóng ngắt truyền động (li hợp) và thay đổi mô men (biến mô) Trong hệ thống truyền lực của các loại xe ô tô tốc độ cao hoặc máy tự hành công suất lớn, biến mô thường kết hợp với hộp số cơ học (truyền động hành tinh) điều khiển tự động hoặc bán tự động (Hình 1.6)

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan đến đề lài luận văn

Trong khi hệ thống truyền động đã trải qua nhiều thay đổi và cải tiến trong suốt quá trình phát triển của ngành công nghiệp sản xuất Ôtô - Máy kéo, các hệ thống khí gas, điện, xe lai điện (Hybird) đã xâm nhập vào thị trường Ôtô - Máy kéo tại các thời điểm khác nhau trong thế kỷ qua nhưng các hộp số với tỷ số truyền rời rạc vẫn được sử dụng Các thiết kế truyền động cơ bản xuất hiện từ thế kỷ trước vẫn đang được tiếp tục sàng lọc và nghiên cứu cải thiện cho tới khi có một giải pháp hợp lý nhất thay thế

Ngày nay, vấn đề truyền động cho Ôtô - Máy kéo đã trở thành một trong những vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế xe, chủ yếu là do chi phí nhiên liệu tăng, các vấn đề về môi trường, cùng với nhu cầu sử dụng một chiếc xe đa dụng có thể phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau

Với các ưu điểm nổi trội của truyền động thủy lực như truyền động với tỷ

số truyền có thể thay đổi liên tục và hệ số truyền cao, dễ dàng bố trí và điều khiển

đã mở ra lĩnh vực rộng lớn cho các ứng dụng sử dụng chúng

1.2.1 Các nghiên cứu về truyền động thủy lực

Năm 1648, nhà Bác học người pháp, Blaise Pascal đã cho thấy áp lực của

một chất lỏng ở phần còn lại được truyền như nhau trong tất cả các hướng Và sau

đó vào năm 1769 chiếc xe đạp đầu tiên bằng gỗ sử dụng năng lượng thủy lực để di chuyển đã được chế tạo ra bởi Nicolas-Joseph Cugnot (Hình 1.7), mặc dù chất lỏng sử dụng ở đây là nước

Hình 1.7 Xe đạp chạy bằng năng lượng thủy lực

Năm 1795, một người Anh, Joseph Bramah đã được cấp bằng sáng chế cho một máy ép thủy lực nhằm khuếch đại lực bằng sử dụng một máy bơm tay để ép một cột chất lỏng (Hình 1.8)

Vào những năm 40 của thế kỷ 19, sau gần 150 năm Joseph Bramah đã thiết

kế ra chiếc máy ép thủy lực đầu tiên, Harry Ferguson và Henry Ford đã thiết kế hệ thống điều khiển xy lanh thủy lực trên máy kéo Fordson đây là cơ cấu treo 3 điểm đầu tiên sử dụng trên máy kéo (hình 1.10)

Hình 1.10 Máy kéo Fordson

1 Thanh treo dưới

2 Thanh treo trên

Sau này, khi bơm thủy lực piston hướng trục được thiết kế để tạo ra một chuyển động quay đã đánh dấu bước phát triển vượt bậc của truyền động thủy lực Hiện nay chúng được ứng dụng phổ biến và đa dạng trên nhiều hệ thống của Ôtô - Máy kéo và xe chuyên dụng như phanh, lái, di động…

1.2.2 Một số dạng truyền động và điều khiển thủy lực cho bộ phận di chuyển được ứng dụng phổ biến hiện nay

Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ thủy lực, truyền động thủy lực đã được ứng dụng phổ biến và đa dạng trên rất nhiều hệ thống của Ôtô - Máy kéo và xe chuyên dụng như hệ thống phanh, trợ lực lái, di động, cơ cấu công tác… Một số mô hình dưới đây chỉ tập trung giới thiệu dạng truyền động thủy tĩnh trong truyền lực bộ phận di động của một số loại máy thông dụng sử dụng trong giao thông, xây dựng, Nông - Lâm nghiệp…

1.2.2.1 Truyền động cho hai bánh chủ động từ một bơm

Hình 1.11 Dạng truyền động cho hai bánh chủ động từ một bơm

Ứng dụng của kiểu truyền động này là mô hình truyền động cho máy kéo vẫn đang được các nhà thiết kế nghiên cứu (hình 1.12)

Hình 1.12 Sơ đồ truyền động thủy lực máy kéo

1.2.2.2 Truyền động độc lập cho hai bánh chủ động

Hình 1.13 Dạng truyền động độc lập cho hai bánh chủ động

cơ thay đổi được lưu lượng làm việc giúp cho việc điều khiển tốc độ từng bánh sẽ

dễ dàng hơn

Ứng dụng của loại truyền động này thường được dùng cho bộ phận di động xích như trên hình 1.14, mô tả bộ truyền động cho hệ thống di động trên máy ủi Komatsu D39-EX

Hình 1.14 Bộ truyền lực di động máy ủi D39-EX

7.Bơm cho nhánh L.H 8.Bơm cho nhánh R.H

9 Động cơ thủy lực R.H 10.Bộ truyền cuối R.H 11.Bánh sao chủ động Parking brakes - Phanh

Đây là kiểu truyền động thủy lực mạch kín đơn giản, có sử dụng thêm một bơm thủy lực (3) để khi áp suất trong đường dầu nạp xuống thấp do hao tổn trong quá trình truyền, bơm (3) cung cấp thêm lượng bị hao tổn Trong bộ truyền, mỗi bánh sao chủ động trái và phải sẽ nhận động lực từ hai động cơ thủy lực riêng biệt Mỗi động cơ được cung cấp từ một nguồn bơm khác nhau Như vậy hai động cơ sẽ làm việc độc lập, tốc độ từng động cơ sẽ được điều chỉnh khi thay đổi góc đĩa nghiêng của bơm cung cấp Như vậy máy dễ dàng quay vòng mà không cần đến

bộ vi sai để thay đổi tốc độ mỗi bánh sao

1.2.2.3 Kết hợp song song giữa truyền động cơ khí và thủy lực

Đôi khi tùy theo mục đích sử dụng, có thể bố trí bộ truyền lực kết hợp (hình 1.15), ngoài bộ truyền cơ khí cho cầu chủ động di chuyển còn sử dụng bộ truyền thủy lực thủy tĩnh coi như là hộp số thứ hai đa cấp cho bộ truyền động Sự kết hợp truyền động song song của hai bộ truyền sẽ làm giảm bớt áp lực lên bộ truyền cơ khí trong những yêu cầu về các công việc đòi hỏi bộ phận di động phải có lực kéo lớn Và mục tiêu trong sự phát triển của truyền động song song là sự kết hợp và điều chỉnh các lực thủy tĩnh liên tục phối hợp với hiệu quả tốt với bộ truyền cơ khí

Hình 1.15 Sơ đồ truyền động kết hợp

Mô hình truyền động này đã được phát triển và coi là một sự thành công lớn đối với áp dụng trên một số loại máy kéo hiện nay như hệ thống truyền động của máy kéo Fendt 700 Vario (hình 1.16)

Hình 1.16 Hệ thống truyền động của máy kéo Fendt 700 Vario

Đường truyền cơ khí;

Trục thu công suất;

Đường truyền lực chính (di động);

Sau một quãng thời gian phát triển, hệ thống truyền động của máy kéo Fendt 700 Vario đã được cải thiện rất nhiều Hệ thống truyền thủy lực bao gồm một bơm và một động cơ piston hướng trục do đó có thể thay đổi lưu lượng trong phạm vi lớn Hộp số cơ khí 3 cấp cho phép trục thu công suất có thể thay đổi tỷ số truyền Điểm nổi bật nhất của máy kéo Fendt 700 Vario là có sử dụng bộ biến mô

và sự kết hợp hài hòa giữa truyền động thủy lực và truyền động cơ khí cho bộ phận

di động

1.2.2.4 Truyền động cho hai cầu chủ động từ một động cơ thủy lực

Hình 1.17 Sơ đồ truyền động cho xe hai cầu chủ động

Một trong những ứng dụng của bộ truyền động kiểu này là truyền động cho hệ thống di động trên máy xúc đào cỡ nhỏ di chuyển bằng bánh hơi (hình 1.18) Do đặc điểm làm việc của máy xúc đào cỡ nhỏ là có thể di chuyển trong khu đô thị để thực hiện các công việc như dọn các loại rác nặng trên đường phố, đục phá bê tông, đắp lề đường…Vậy yêu cầu đối với bộ phận di động phải tương đối cơ động mà không yêu cầu sức kéo lớn

1.2.2.5 Truyền động thủy lực cho bốn bánh xe

Đối với môi trường làm việc đòi hỏi máy phải di chuyển phức tạp và làm việc được trong mọi địa hình, ta sử dụng mô hình truyền động cho cả bốn bánh xe như hình 1.19

Theo sơ đồ, bơm thủy lực nhận công suất cơ học từ động cơ đốt trong và truyền năng lượng thủy lực cho cả bốn động cơ thủy lực ở bộ truyền cuối cùng tại các bánh xe Bơm và động cơ sử dụng kiểu thay đổi được lưu lượng nên có thể điều chỉnh được tốc độ ở từng bánh dễ dàng

Hình 1.19 Mô hình truyền động cho cả bốn bánh xe

Ứng dụng của kiểu truyền động này thường được sử dụng trên một số xe, máy chuyên dụng như Unimog, máy san dải đất (máy xây dựng), máy công trình… Hình 1.20 mô tả mô hình truyền động thủy lực cho xe lu rung

Hình 1.20 Sơ đồ truyền động lu rung

Trên máy lu rung, bơm thủy lực sẽ cung cấp dầu cho hai động cơ của bánh

di chuyển và hai động cơ thủy lực ở cầu trước, trong đó có một động cơ gây rung bánh sắt (hình 1.20) Thông qua hệ thống cảm biến, ta có thể điều chỉnh tốc độ quay của từng động cơ cho phù hợp Để duy trì áp suất cho phần mạch nạp, sử dụng bơm nhồi 2 cung cấp thêm một lượng dầu đã hao tổn trong quá trình truyền động

1.2.3 Một số sơ đồ mạch truyền động thủy lực được sử dụng trên xe tự hành

Ngày nay, với sự phát triển của ngành công nghiệp Ôtô và ngành kỹ thuật thủy lực, Trên các xe, máy tự hành dùng truyền động bằng thủy lực càng được ứng dụng rộng rãi Các cơ cấu công tác của máy có thể sử dụng chung nguồn năng lượng thủy lực cùng với bộ phận di chuyển hoặc riêng lẻ

1.2.3.1 Mạch truyền động thủy lực cho bộ công tác xe nâng hàng

Hình 1.21 mô tả mạch truyền động thủy lực cho hệ thống nâng của xe nâng hàng Kubota Hệ thống có một bơm dầu riêng cung cấp cho các phần tử thủy lực khác, độc lập với bộ phận di chuyển

Hình 1.21 Sơ đồ thủy lực xe nâng Kubota

1,2,3,4,5 Van điều khiển

20 Cụm van (điều khiển giữ hàng)

Ưu điểm của việc truyền động độc lập này là từng bộ phận vẫn có thể làm việc độc lập trong khi một nhánh xảy ra sự cố hay quá tải

1.2.3.2 Sơ đồ mạch truyền động thủy lực máy xúc

Máy xúc là một loại máy đa năng, được sử dụng rất phổ biến ở nước ta Chúng có thể thực hiện được rất nhiều chức năng khác nhau như đào đất, vận chuyển vật liệu, khoan phá bê tông… Hình 1.22 mô tả sơ đồ mạch thủy lực tổng thể của loại máy đào EO-4121A

46

43 44

31 33

13

12

42 45

Hình 1.22 Sơ đồ thủy lực máy xúc đào EO-4121A

Theo sơ đồ mạch, thông qua các cụm van phân phối hai bơm kép thủy lực cung cấp dầu cho các bộ phận như động cơ cho bộ phận di chuyển, các xi lanh làm việc điều khiển cơ cấu xúc đất

Để điều khiển phanh của cơ cấu di chuyển máy xúc và cơ cấu quay bàn quay, cũng như để xả chất lỏng công tác trong hệ thống thủy lực khi sửa chữa và

bảo dưỡng kỹ thuật máy xúc, người ta dùng hệ thống thủy lực phụ bơm bánh răng (6) lắp trên động cơ được sử dung để cung cấp chất lỏng cho hệ thống thủy lực phụ

đó, thiết bị thủy lực khóa (15) dùng để điều khiển bộ phận đóng mạch thủy lực (17) của các phanh ở cơ cấu di động và cơ cấu quay bàn quay, van áp lực (7) dùng

để bảo vệ bơm (6) khỏi bị quá tải

Bơm bánh răng (45) lắp trên động cơ dùng để bổ xung lượng dầu có thể bị hao tổn trong quá trình truyền động

1.2.3.3 Sơ đồ mạch truyền động thủy lực trên máy kéo

Hình 1.23 Sơ đồ mạch thủy lực máy kéo

Hình 1.23 mô tả sơ đồ mạch truyền thủy lực trên máy kéo loại 175Hp Máy kéo chỉ cần một bơm thủy lực cung cấp cho tất cả các hoạt động cần thiết cho xe như trợ lực lái, xi lanh nâng hạ điều khiển cơ cấu treo phụ, các khớp nối chờ có thể lắp đặt các cơ cấu công tác phụ cả đằng trước và đằng sau… Tuy vậy hệ thống di động vẫn dùng loại truyền động kiểu cơ khí

1.2.3.4 Sơ đồ mạch thủy lực cho các đầu chờ trên xe đa năng Multicar

Trên hình 1.24 mô tả mạch truyền động và điều khiển thủy lực trên xe đa năng Multicar Tremo Theo sơ đồ mạch, có hệ thống đầu nối chờ, các phụ tải lắp

thêm, để sẵn Khi lắp thêm một phụ tải nào đó, ví dụ như hệ thống cắt cỏ, các van điều khiển sẽ đóng mở mạch và truyền động cho cơ cấu đó

Hình 1.24 Sơ đồ mạch truyền động thủy lực trên xe đa năng Multicar

Kết luận chương 1

Từ nghiên cứu các công trình đã công bố trong và ngoài nước, từ điều kiện thực tế các máy động lực làm việc trong ngành Nông – Lâm, Xây dựng, Môi trường … Thấy rằng:

• Hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực đã tỏ rõ ưu điểm và thế mạnh,

về kết cấu và về cách bố trí hợp lý một mạch truyền động từ các phần tử tiêu chuẩn

• Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, truyền động thủy lực ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực

• Đối với các ngành như Nông – Lâm, Xây dựng, Môi trường … cần thiết phải có một chiếc xe máy tự hành đa năng có thể phục vụ được nhiều lĩnh vực khác nhau trong sản xuất

Vậy ta phải cần thiết nghiên cứu về truyền động và điều khiển thủy lực cho dòng xe này với mục đích đa dạng về kết cấu và phù hợp với nhiều công việc khác nhau ở Việt Nam

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mô hình và sơ đồ mạch truyền động và điều khiển cho xe tự hành đa năng

2.1.1 Mô hình truyền động

Trên cơ sở tiếp cận phân tích tổng hợp thông tin liên quan về hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực cho xe tự hành đa năng, từ các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, tài liệu kỹ thuật, hệ thống máy thực và yêu cầu sản xuất thực tế cũng như điều kiện của môi trường làm việc nước ta, tác giả đề xuất mô hình truyền động (hình 2.1)

Hình 2.1 Mô hình hệ thống truyền động cho xe tự hành đa năng

Mô hình truyền động như trên hình 2.1 sẽ là sơ đồ truyền động thủy lực dạng mạch kín, có kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt vận hành và phù hợp với điều kiện của nước ta

Với mô hình trên, động cơ đốt trong sẽ truyền toàn bộ công suất cho các bơm thủy lực và bơm nhồi (bổ xung lượng dầu hao tổn trong hệ thống) Qua các phần tử thủy lực thủy tĩnh, năng lượng thủy lực truyền đến động cơ thủy lực Tại đây năng lượng thủy tĩnh được chuyển đổi thành mô men quay và truyền động cho hộp số cơ khí, bộ truyền cuối tới các bánh xe làm xe di chuyển

Bánh xe

Bơm

Bơm nhồi Bơm nhồi

• Bơm sử dụng trong mạch truyền động cho hệ thống di động là loại bơm có thể điều chỉnh được lưu lượng cung cấp Bơm và động cơ thủy lực đều sử dụng loại piston rô to hướng trục

• Bơm nhồi dùng kiểu bơm bánh răng, bơm piston hay có thể sử dụng nột số loại bơm mạch kín hiện nay (tích hợp cả bơm và bơm nhồi trong cùng một khối)

• Ngoài việc truyền động chính của hệ thống di chuyển, trong mô hình có sử dụng thêm một mạch truyền động mạch kín để cung cấp năng lượng cho các phụ tải khác dưới dạng các đầu nối chờ

Trong mô hình truyền động có bố trí hộp số cơ học sau động cơ thủy lực để

mở rộng thêm dải thay đổi tỷ số truyền của bộ truyền di chuyển của xe Như vậy khi làm việc với tải nhỏ hay di chuyển chạy không trên đường, xe có vận tốc lớn hơn

2.1.2 Sơ đồ mạch truyền động và điều khiển thủy lực

Do đặc thù của loại xe tự hành đa năng là phải di chuyển và làm việc ở nhiều chế độ khác nhau nên đối với bộ truyền động phải thỏa mãn các yêu cầu cần thiết sau:

• Đảm bảo truyền được công suất do xe có thể vừa di chuyển và thực hiện các công tác khác

• Kết cấu của hệ thống phải đơn giản, dễ tháo lắp kết nối khi thay thế các phụ tải khác nhau

• Bộ truyền động phải có độ tin cậy cao, an toàn khi quá tải

Sơ đồ mạch truyền động và điều khiển thủy lực như trên hình 2.2 được thiết

kế cho mô hình xe tự hành đa năng và đảm bảo được các yêu cầu trên Sơ đồ được xây dựng trên cơ sở tiếp cận và phát triển sơ đồ truyền động thủy lực thủy tĩnh loại mạch kín và thường được ứng dụng cho các loại xe có vận tốc chuyển động tương đối thấp

Hình 2.2 Sơ đồ mạch truyền động và điều khiển thủy lực

20,21 Van phân phối 4/3 22,23 Đầu nối chờ

Kết cấu của hệ thống mạch truyền động (hình 2.2) bao gồm các phần tử chính sau:

Hệ thống truyền động bằng thủy lực sẽ nhận toàn bộ công suất của động cơ diesel dưới dạng mô men quay Me và vận tốc góc ωe

Trong nhánh mạch truyền động cho bộ phận di chuyển, bơm thủy lực 3, loại bơm piston hướng trục có thể thay đổi được lưu lượng cung cấp, nhận công suất

của động cơ diesel và chuyển chúng thành năng lượng thủy lực thể tích Thông qua các đường ống dẫn, dầu thủy lực được đưa tới động cơ thủy lực 9 (loại động cơ piston hướng trục) Tại đây, động cơ sẽ chuyển đổi năng lượng từ dạng thủy tĩnh thành năng lượng cơ học dưới dạng mô men quay để truyền động cho hộp số cơ khí

Trong quá trình truyền động, có hao tổn do các phần tử thủy lực của hệ thống bị rò rỉ dầu, bơm 4 sẽ cung cấp thêm lượng dầu hao tổn đó cho hệ thống thông qua các van chặn một chiều 7, 11

Để đảm bảo áp suất làm việc của hệ thống không bị quá tải trong quá trình truyền động thủy lực, trong sơ đồ mạch còn bố trí thêm một số van áp suất an toàn, van 8 và van 10

Ngoài mục đích truyền động cho bộ phận di chuyển, trong mô hình xe tự hành đa năng có sử dụng thêm một sơ đồ mạch thủy lực để truyền công suất cho các phụ tải có thể liên kết lắp thêm lên xe Công suất ở đây sẽ tồn tại dưới dạng áp lực thủy tĩnh, thông qua van điều khiển hành trình (20 và 21) loại 4/3, bơm dầu 2 (loại bơm piston hướng trục) cung cấp dầu cho các phụ tải lắp thêm vào hệ thống thông qua các khớp nối nhanh 22 và 23

Trên nhánh mạch truyền động có bố trí các van áp suất an toàn 16 và 17 Để thay đổi lưu lượng cung cấp cho phụ tải, trong đường truyền có lắp các van tiết lưu điều chỉnh được

Như vậy, với sơ đồ mạch truyền động và điều khiển thủy lực kiểu mạch kín như trên sẽ có áp suất làm việc cao hơn và hiệu quả hơn, đặc biệt là vấn đề truyền động cho hệ thống di động, thùng chứa dầu thủy lực nhỏ gọn và thích hợp với các phương tiện di chuyển

2.2 Xây dựng lựa chọn các hệ thống thành phần

2.2.1 Mô hình động cơ Diesel

Động cơ tạo ra nguồn năng lượng cơ học, đặc trưng bởi mô men quay Me

và tốc độ góc ωe Năng lượng đó được tạo ra từ quá trình cháy hỗn hợp nhiện liệu

và có thể thay đổi khi điều khiển bằng tay thước nhiên liệu (tay ga)

Đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng truyền động và điều khiển thủy lực cho xe tự hành đa năng, do đó động cơ được nhìn theo ý nghĩa là một nguồn động lực đáp ứng yêu cầu năng lượng khi hoạt động với các tải trọng khác nhau Trong nhiều nghiên cứu về động lực học và điều khiển máy, mô hình phần tử động cơ được xây dựng trên cơ sở đặc tính thực nghiệm Đặc tính động cơ mô tả quan hệ giữa mô men quay, công xuất và chi phí nhiên liệu với số vòng quay, còn gọi là đặc tính ngoài Khi xe di chuyển hay làm việc, đảm bảo tính kinh tế thì động cơ làm việc theo đường đặc tính ngoài Hình 2.3 giới thiệu đường đặc tính tốc độ ngoài của một động cơ diesel (loại D 240), bao gồm các mối quan hệ giữa công suất, mô men, chi phí nhiên liệu theo tốc độ quay của động cơ

Hình 2.3 Đường đặc tính động cơ D240

Với mục đích nghiên cứu ứng dụng truyền động và điều khiển thủy lực cho

xe tự hành, trong mô hình nghiên cứu chỉ xem xét động cơ làm việc trên nhánh tự điều chỉnh Việc mô tả quan hệ giữa mô men và tốc độ trong nhánh này thể hiện qua công thức [2.1] và [2.2]

M : Mô men động cơ ứng với tốc độ quay n;

Mn : Mô men quay danh nghĩa;

nN : Tốc độ quay danh nghĩa của động cơ;

nMax : Tốc độ quay cực đại của động cơ;

2.2.2 Các phần tử của hệ thống truyền động thủy lực

Mô hình truyền động thủy lực bao gồm: Bơm thủy lực piston hướng trục có thể thay đổi được lưu lượng; động cơ thủy lực hai chiều; dường ống dẫn dầu và các van thủy lực

2.2.2.1 Bơm thủy lực

Bơm thủy lực có nhiệm vụ chuyển đổi từ năng lượng cơ học (mô men quay của động cơ diesel) thành năng lượng thủy lực (dòng chất lỏng) Cấu trúc cơ bản của bơm thủy lực piston hướng trục (hình 2.4) bao gồm các piston chuyển động tịnh tiến trong block xy lanh, đĩa điều chỉnh có thể thay đổi được góc nghiêng α Trong quá trình hoạt động, khi thay đổi góc α thì hành trình của piston thay đổi do

đó mà lưu lượng bơm cung cấp cũng sẽ thay đổi

Lưu lượng bơm cung cấp được tính theo công thức sau:

V n