Luận án nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh - Nguyễn Công Thuật

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chƣa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã đƣợc cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận án Nguyễn Công Thuật i LỜI CẢM ƠN Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy hƣớng dẫn: PGS. Bùi Hải Triều, TS.

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

Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án Nguyễn Công Thuật ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vi Danh mục bảng x Danh mục hình xi MỞ ĐẦU 1 1 Tính cấp thiết của đề tài 1 2 Giả thuyết vấn đề nghiên cứu 2 3 Phƣơng án kiểm định giả thiết 3 4 Mục tiêu của luận án 3 5 Đối tƣợng nghiên cứu 3 6 Giới hạn nghiên cứu 3 7 Đóng góp mới của luận án 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5 1.1 Khái quát về tình hình máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp Việt Nam 5 1.2 Tổng quan về truyền động vô cấp trên máy kéo 9 1.1 Khái quát về các loại hình truyền lực vô cấp 9 1.2 So sánh các loại CVT 15 1.3 Công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến đề tài luận án 18 1.1 Các nghiên cứu về máy kéo với truyền lực vô cấp 18 1.2 Các nghiên cứu về điều khiển truyền động vô cấp 24 1.4 Ứng dụng truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ sản xuất tại Việt Nam 28 Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.1 Phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng 31 iii 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 36 2.1 Phƣơng pháp đo các đại lƣợng không điện 37 2.2 Phƣơng pháp điều khiển tỷ số truyền 39 2.3 Phƣơng pháp tạo tải 46 2.4 Phƣơng pháp xử lý và gia công số liệu thực nghiệm 47 Chƣơng 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY KÉO BỐN BÁNH VỚI HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 48 3.1 Phác thảo sơ đồ truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh 48 3.2 Xây dựng mô hình các hệ thống thành phần 49 3.1 Mô hình động cơ máy kéo 49 3.2 Mô hình truyền lực vô cấp phân tầng 50 3.3 Mô hình hộp số- truyền lực chính và cuối 80 3.4 Mô hình bánh xe máy kéo nông nghiệp 81 3.5 Mô hình máy nông nghiệp 82 3.6 Phần tử điều khiển (ECU) và cảm biến 83 3.7 Kết nối mô hình mô phỏng và thử nghiệm mô hình 84 Chƣơng 4 PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA MÁY KÉO TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 92 4.1 Lựa chọn máy nông nghiệp đi kèm 92 4.2 Ảnh hƣởng của vị trí lắp cảm biến tải trọng đến tính chất điều khiển tỷ số truyền của CVT 94 4.3 Ảnh hƣởng của hệ thống tự động điều khiển tỷ số truyền đến tính chất hoạt động của máy kéo 98 4.1 Liên hợp với cày trụ 99 4.2 Liên hợp với cày chảo 103 4.3 Phân tích sự biến thiên của lực cản cày và tỷ số truyền CVT 106 Chƣơng 5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 110 5.1 Mục đích nghiên cứu 110 5.2 Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm 110 5.1 Mô tả chung 110 iv 5.2 Tính toán, thiết kế các phần tử thiết bị thí nghiệm 111 5.3 Hoàn thiện thiết bị thí nghiệm 115 5.3 Tổ chức thí nghiệm 115 5.1 Thí nghiệm hệ thống điều khiển tỷ số truyền vô cấp bằng tay 116 5.2 Thí nghiệm điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp 118 5.3 Thí nghiệm đối chứng đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng 119 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 122 1 Kết luận 122 2 Đề nghị 122 Danh mục công trình đã công bố có liên quan đến luận án 124 Tài liệu tham khảo 125 Phụ lục 129 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên gọi Đơn vị A Diện tích tác động của xi lanh tác động một chiều [mm2] A1 Diện tích tác động khoang 1của xi lanh hai chiều [mm2] A2 Diện tích tác động khoang 2của xi lanh hai chiều [mm2] b Bề rộng vành đai CVT [mm] bx Hệ số giảm chấn Shafai [mm/N] Clx Độ cứng của lò xo [N/mm] d Đƣờng kính con trƣợt điều khiển van thủy lực [mm] E Mô đun đàn hồi dầu thủy lực [mm-2] e Khoảng cách trục của CVT [mm] f Hệ số cản lăn [-] fn Thành phần lực pháp tuyến tác dụng lên phân tố đai [N] fR Lực ma sat giữa phân tố dai và bánh đai [N] ft Thành phần lực tiếp tuyến tác dụng lên phân tố đai [N] F Lực căng đai [N] F1 Lực căng của nhánh đai chủ động CVT [N] F2 Lực căng của nhánh đai bị động CVT [N] Fax1 Lực ép bánh đai chủ động [N] Fax2 Lực ép bánh đai bị động [N] Fc Lực cản máy nông nghiệp [N] Fl Lực cản lăn [N] Flx Lực ép của lò xo [N] Flx0 Lực ép ban đầu của lò xo [N] Flx1 Giá trị thay đổi của lực ép lò xo [N] Fn Lực pháp tuyến tác dụng lên dây đai [N] Ft Lực tiếp tuyến tác dụng lên dây đai [N] Fx Lực kéo [N] Fxl Lực tác động xi lanh thủy lực [N] vi G Trọng lƣợng máy kéo [kG] h Chiều cao vành đai CVT [mm] iCVT Tỷ số truyền của CVT [-] it Tỷ số truyền hệ thống truyền lực [-] J Mô-men quán tính máy kéo quy dẫn bánh xe chủ động [kgm2] J1 Mô-men quán tính CVT chủ động [kgm2] J2 Mô-men quán tính CVT bị động [kgm2] k Hệ số hồi quy [-] kDR Hệ số lƣu lƣợng qua van [ mm 2 /(s N ) ] KPR Hệ số điều chỉnh [V/V] KVS Hệ số khếch đại trƣớc [mm/mA] L Chiều dài dây đai [mm] M Khối lƣợng của CVT [kg] Mc Mô-men cảm của máy nông nghiệp [Nm] MCVT Mô-men trục thứ cấp CVT [Nm] Me Mô-men động cơ [Nm] Mk Mô-men kéo của máy kéo [Nm] ne Số vòng quay động cơ [min-1] p Áp suất dầu thủy lực trong xi lanh một chiều [N/m2] p1 Áp suất dầu thủy lực khoang 1 xi lanh hai chiều [N/m2] p1 Áp suất dầu thủy lực khoang 2 xi lanh hai chiều [N/m2] PDQ Áp suất dầu thủy lực [N/m2] Q Lƣu lƣợng dầu thủy lực [mm3/s] Q1 Lƣu lƣợng dầu thủy lực ra van điều khiển [mm3/s] Q2 Lƣu lƣợng dầu thủy lực về van điều khiển [mm3/s] Q1z Lƣu lƣợng từ nguồn vào van qua mép điều khiển 1 [mm3/s] Q2z Lƣu lƣợng từ nguồn vào van qua mép điều khiển 2 [mm3/s] Q1a Lƣu lƣợng từ van về thùng qua mép điều khiển 1 [mm3/s] Q2a Lƣu lƣợng từ van về thùng qua mép điều khiển 2 [mm3/s] vii r Bán kính bánh đai [mm] R Bán kính bánh xe máy kéo [mm] t Thời gian khảo sát [s] U Điện áp điều khiển [V] Uist Điện áp chuyển đổi [V] Usoll Điện áp so sánh [V] v Vận tốc máy kéo [m/s] V0 Thể tích ban đầu xi lanh tác động một chiều [mm3] V10 Thể tích ban đầu khoang 1 xi lanh tác động hai chiều [mm3] V20 Thể tích ban đầu khoang 2 xi lanh tác động hai chiều [mm3] x Quãng đƣờng di chuyển của máy kéo [m] xK Hành trình điều khiển piston [mm] α Góc nghiêng bánh đai [°] β Góc nghiêng dây đai [°] γ Góc giữa đƣờng tâm của dây đai và hƣớng lực ma sát [°] δd Độ trƣợt đai [%] δm Độ trƣợt bánh xe máy kéo [%] ξ Hệ số Shafai [-] υ Modun đàn hồi của chất lỏng [mm2/N] φ Góc ôm của dây đai trên bánh đai [°] φ1 Góc ôm của dây đai trên bánh đai chủ động [°] φ2 Góc ôm của dây đai trên bánh đai bị động [°] ω Vận tốc góc bánh xe [rad/s] ωd1 Vận tốc góc bánh đai chủ động CVT [rad/s] ωd2 Vận tốc góc bánh đai bị động CVT [rad/s] µ Hệ số ma sát Coulomb [-] Φ Hệ số Guebeli [-] viii Chữ viết tắt Diễn giải MNN Máy nông nghiệp LHM Liên hợp máy CVT Truyền động vô cấp PIV Thay đổi vô cấp chủ động PID Thuật toán vi tích phân tỷ lệ (Proportional Integral Derivative) LQG / LTR Thuật toán điều khiển bền vững (Linear Quadratic Gaussian/ loop transfer recovery) TĐĐ Truyền động điện TĐTT Truyền động thủy tĩnh TĐTĐ Truyền động thủy động ix DANH MỤC BẢNG TT Tên bảng Trang 1.1 Đánh giá các loại truyền động 16 1.2 So sánh các loại truyền động bao vòng vô cấp 17 3.1 Thông số mô phỏng mô hình điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay 64 3.2 Thông số của mô hình điều khiển tự động bằng van tùy động 75 3.3 Các đặc trƣng thống kê của lực cản cày chảo, trụ cỡ nhỏ 83 4.1 Thông số mô phỏng mô hình khảo sát ảnh hƣởng vị trí lắp cảm biến tải đến tính chất điều khiển tỷ số truyền CVT máy kéo truyền lực vô cấp phân tầng 94 x DANH MỤC HÌNH TT Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS12 6 1.2 Sơ đồ truyền lực của máy kéo BS16,5 7 1.3 Máy kéo nhỏ bốn bánh do VEAM sản xuất 8 1.4 Phân loại truyền động vô cấp 9 1.5 Hộp số tự động 7G-Tronic 10 1.6 Truyền động thủy tĩnh trên máy kéo 11 1.7 Hệ thống Hybrid 12 1.8 Truyền động đĩa ma sát vô cấp 13 1.9 Truyền động bao vòng vô cấp 13 1.10 Truyền động xích vô cấp 14 1.11 Truyền động dây đai kim loại vô cấp 14 1.12 Truyền động đai bản rộng vô cấp 15 1.13 Đánh giá các dạng truyền động vô cấp 16 1.14 Bộ truyền động loại ZF / P.15 Bộ truyền loại ZF / P.