BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
NGUYỄN CÔNG THUẬT
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU
KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÔ CẤP PHÂN TẦNG
TRÊN MÁY KÉO NHỎ 4 BÁNH
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ : 62 52 01 03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2014
Công trình hoàn thành tại:
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM


năng suất và giải phóng sức lao động cho nông dân.
Để hoạt động hiệu quả trong điều kiện tải trọng thay đổi phức
tạp trong dải rộng, máy kéo nhỏ cần được trang bị hộp số có nhiều
cấp số truyền đảm bảo máy kéo làm việc tốt trong canh tác cũng như
trong vận chuyển. Một trong những phương án tối ưu là trang bị cho
máy kéo hệ thống truyền lực vô cấp (CVT) đảm bảo cho tỷ số truyền
thay đổi liên tục trên toàn bộ dải tốc độ. Việc nghiên cứu nhằm lựa
chọn ra phương pháp điều khiển tỷ số truyền của truyền động vô cấp
đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật với máy kéo nông nghiệp nhưng có
công nghệ chế tạo phù hợp và chi phí đầu tư ban đầu chấp nhận được
với các hộ nông dân là thực sự cần thiết để ứng dụng trong thực tiễn.
Với những lí do trên, đề tài luận án đặt vấn đề “Nghiên cứu tính chất
truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng
trên máy kéo nhỏ 4 bánh”, nhằm lựa chọn phương pháp điều khiển tự
động tỉ số truyền của CVT phù hợp tạo cơ sở khoa học cho việc chế
tạo máy kéo nhỏ bốn bánh truyền lực vô cấp phân tầng tại Việt Nam.
2. Giả thuyết vấn đề nghiên cứu
Trên cơ sở kết cấu hệ thống truyền lực máy kéo nhỏ, thay thế
truyền động đai thang truyền thống bằng bộ truyền động vô cấp đai
thang bản rộng kết hợp hộp số cơ khí đơn giản với hai cấp số truyền
(vô cấp phân tầng-VCPT) điều khiển bằng tay tương ứng với chế độ

2
canh tác và vận chuyển. Sử dụng phương pháp điều khiển tỷ số
truyền bằng cách thay đổi lực kẹp ở bánh đai chủ động và bánh đai bị
động tự lựa nhờ lực lò xo, hệ thống thủy lực điều chỉnh gián đoạn với
van đóng ngắt điều khiển lực ép bánh đai chủ động để đạt được tỷ số
truyền mong muốn.
3. Phƣơng án kiểm định giả thiết
Xây dựng mô hình toán các phần tử, mô hình hóa, mô phỏng

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

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Khái quát về tình hình máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất
nông nghiệp Việt Nam
Tính đến năm 2012, ở Việt Nam có khoảng 300 nghìn máy kéo
các loại sử dụng trong sản xuất nông nghiệp với tổng công suất lên
tới 3,68 triệu kW, trong đó công suất của máy kéo lớn chỉ chiếm
khoảng 40% (Phạm Văn Lang, 2012), mức độ cơ giới hóa trong khâu
làm đất trồng lúa ở miền Bắc là 76,4%, cả nước là 89,5% (Việt Hà,
2013). Hầu hết các máy kéo nhỏ sản xuất trong nước đang sử dụng ở

4
Việt Nam có hai bánh, kết cấu hệ truyền lực rất đơn giản.
1.2. Tổng quan về chuyển động vô cấp trên máy kéo
1.2.1. Khái quát về các loại hình truyền lực vô cấp
Để kết nối, truyền và biến đổi chuyển động từ động cơ đến bộ
phận di động, hiện nay trên thế giới đã và đang sử dụng rất phổ biến
các dạng truyền động vô cấp trong hệ thống truyền lực của ô tô - máy
kéo. Truyền động vô cấp có thể là truyền động thủy lực, truyền động

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

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

(i=0,34-2,92)
Li hợp
R
I
I
II
1,5
12,75 km/h
22,75
4
1
8,5
R
Phanh
II
Dải tốc độ
Chƣơng 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY
KÉO BỐN BÁNH TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG
3.1. Phác thảo sơ đồ truyền lực VCPT cho máy kéo nhỏ bốn bánh
Do đặc điểm hoạt động, sự thay đổi của lực cản và vận tốc
chuyển động của máy kéo được phân tầng rõ rệt. Hình 3.1 giới thiệu
sơ đồ truyền động vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh đáp
ứng đặc điểm thay đổi tải trọng khi cánh tác và vận chuyển.
Công suất động cơ được truyền tới bánh xe qua CVT, li hợp
ma sát đơn, hộp số bánh răng hai cấp, truyền lực chính và truyền lực
cuối cùng. Với hộp số hai cấp, máy kéo có thể chuyển động với vận
tốc từ 1,5 đến 12,5 km/h khi làm việc trên đồng và 4 đến 22,75 km/h
khi vận chuyển trên đường.
(3-1)
3.2.2. Mô hình truyền động vô cấp phân tầng
Truyền lực vô cấp phân tầng bao gồm: truyền lực vô cấp đai
thang bản rộng điều khiển được tỷ số truyền, li hợp ma sát đơn, hộp
số phân tầng bánh răng ăn khớp ngoài có hai số tiến và một số lùi,
truyền lực chính và truyền lực cuối. Do mục tiêu nghiên cứu, trong
mô hình chỉ mô phỏng phần tử truyền động vô cấp.
* Mô hình truyền động đai vô cấp bản rộng.
Khả năng truyền công suất của bộ truyền động đai biến tốc phụ
thuộc vào lực ma sát giữa dây đai và bánh đai, lực ma sát được tạo ra
nhờ lực ép và hệ số ma sát. Giá trị của các lực ép có ảnh hưởng quyết
định tới sự truyền mô men giữa các trục truyền động. Để bộ truyền
đai không bị trượt trơn, các lực ép được tính toán sao cho mô-men
ma sát lớn hơn mô – men được truyền. Tỷ số truyền được giữ cố định
nhờ một trạng thái ổn định của lực ép trên bánh đai chủ động.

Hình 3.2. Lực dụng lên bánh đai

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

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

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

),,(
*
201
*
1 axax
FiMfF 
(3-10)



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

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


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

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

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

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

j
1

ω
b
M
M
M
d
M
K
s

Loại cày

Loại đất

v
f
2

3

4M
X
5

6

j
1

δ
d
(ω)
ω
d
ω
M
s

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

15 Hình 3.9. Kết quả khảo sát giảm tải trọng dạng bậc
Nhận xét: Thay đổi tải trọng tăng và giảm dạng bậc, tỷ số
truyền của CVT thay đổi phù hợp với sự thay đổi của tải nhưng thời
gian thay đổi là không như nhau.
Thay đổi tải trọng dạng điều hòa: Nhằm đánh giá miền tần số
mà hệ thống có thể đáp ứng trong quá trình điều khiển (hình 3.10). Hình 3.10. Kết quả khảo sát thay đổi tải trọng dạng điều hòa
khi tần số kích thích < 8 (rad/s), hệ thống điều khiển đáp ứng
tốt nhất, sự thay đổi tỷ số truyền theo kịp sự thay đổi tải, mô men
động cơ biến động nhỏ. Khi tần số kích thích 8 ≥ (rad/s), quá trình
điều khiển tỷ số truyền không theo kịp sự thay đổi tải do đó động cơ

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

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

Hình 4.1. Kết quả khảo sát với tải trọng tăng đột ngột Hình 4.2. Kết quả khảo sát với tải trọng giảm đột ngột
1-lực cản; 2- mô men động cơ; 3- tốc độ góc động cơ (trục sơ cấp
CVT); 4- tốc độ góc trục thứ cấp CVT; 5- mô men bánh xe ; 6- tỷ số
truyền CVT; (*)-kết quả khảo sát sử dụng cảm biến mô men lắp trên
đường truyền lực
Thời gian ổn định của hệ thống trong hai phương án bố trí cảm
biến là như nhau. Tuy nhiên sử dụng cảm biến lực giúp cho quá trình
điều khiển tỷ số truyền CVT nhanh, chính xác phù hợp với LHM có

2

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

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

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

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

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

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

1
Nm45

30

15
Rad/s

200

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

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

3

2

1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0(s)
Nm45

30

15
Rad/s 200

100 Kết quả mô phỏng
Kết quả thực nghiệm