1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

HÀN TRUNG DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ SỬ DỤNG
VÀ KẾT CẤU ĐẾN TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG VÒNG
CỦA MÁY KÉO BÁNH DÙNG TRONG NÔNG NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 62.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI – 2014

3

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tính chất chuyển động vòng là một trong những tính chất làm việc
quan trọng của máy kéo (MK) dùng trong nông nghiệp. Quỹ đạo và sự ổn
định chuyển động của máy kéo nông nghiệp (MKNN) có ảnh hưởng lớn đến
năng suất và chất lượng làm việc của liên hợp máy, đến mức độ an toàn, chí
phí nhiên liệu và sự mệt nhọc của người điều khiển.
Để thiết kế tốt và sử dụng có hiệu quả các liên hợp máy, trước hết cần
nghiên cứu phân tích rõ ảnh hưởng của các thông số kết cấu và yếu tố sử
dụng đến các đặc trưng chuyển động vòng của máy kéo. Đây là lĩnh vực còn
ít được quan tâm và rất ít kết quả nghiên cứu được công bố ở Việt Nam.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên, tác giả luận án đã chọn đề tài
“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng và kết cấu đến tính
chất chuyển động vòng của máy kéo bánh dùng trong nông nghiệp” làm
đề tài nghiên cứu của mình với mong muốn góp phần lấp đầy khoảng trống
tri thức nói trên.
2. Mục tiêu của đề tài luận án
Mục tiêu của đề tài luận án là xây dựng được một chương trình mô
phỏng động lực học quay vòng MK, cho phép khảo sát ảnh hưởng của một
số yếu tố sử dụng và kết cấu đến tính chất chuyển động vòng của máy kéo
bánh trong điều kiện sản xuất nông nghiệp (SXNN).
3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
Từ 2011 đến 2013, tại Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Góp phần xây dựng một phương pháp xác định các thông số tối ưu

liệu khoa học và những quy định pháp lý trong lựa chọn.
Công nghệ chế tạo MK, đặc biệt là MK 4 bánh của nước ta còn rất
non kém, chủ yếu là chép mẫu các máy nhỏ, đơn giản và chưa đáp ứng được
nhu cầu phát triển cơ giới hoá trước mắt và lâu dài. Vì vậy nhất thiết phải
đầu tư nghiên cứu từ thiết kế sơ bộ đến thiết kế hoàn thiện MK. 5

1.2. Khái quát về tính chất chuyển động vòng của máy kéo bánh
Tính chất chuyển động được định nghĩa là tính chất tổng quát của hệ
thống “Người lái - Xe - Môi trường” (hình 1.1). Theo Mischke (1990), để
đánh giá được hệ thống kín này trước hết cần phải đánh giá hệ thống hở (tức
không có mạch liên hệ ngược). Qua hệ thống hở, có thể xác định được các
phản ứng của MK khi có các yếu tố điều khiển hoặc kích động bên ngoài
khác. Mặt khác các số liệu về tính chất chuyển động nhận được từ các mô
phỏng chuyển động không có tác động của người lái (thực ra là các tác động
này đã được thay thế bằng hàm góc quay vành lái, thậm chí cả hàm ga) sẽ
mô tả một cách khách quan tính chất chuyển động của MK.
Hình 1.1. Mô
hình hệ thống
điều khiển
mạch kín của
ô tô máy kéo

Nghiên cứu động lực học hướng chuyển động, trước hết và chủ yếu là
nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô máy kéo (Nguyễn Khắc Trai,

điều khiển)
Liên h
ệ ng
ư
ợc

Nhiễu ngoài 6

canh tác lúa nước ở Việt Nam luôn là thách thức to lớn cho việc giải quyết
vấn đề di động của các loại MK và MNN tự hành.
Từ nhiều năm nay, các nhà khoa học trong nước chủ yếu tập trung
nghiên cứu cải thiện tính chất kéo bám cho MKNN, nghiên cứu dao động
thẳng đứng cho MK vận chuyển hoặc ổn định lật đổ cho các MK đồi dốc.
Theo những thông tin có được, có thể nói rằng những kết quả nghiên
cứu lý thuyết và thực nghiệm về tính chất chuyển động của MK ở nước ta
còn rất hạn chế và, hầu như chưa có công bố kết quả nghiên cứu động lực
học theo hướng ngang của MK, nhất là MKNN.
Trong phần Tổng quan còn phân tích ưu nhược điểm của nhiều mô
hình nghiên cứu đặc tính bánh xe cũng như mô hình khảo sát tính chất
chuyển động của toàn xe, nhằm lựa chọn mô hình nghiên cứu phù hợp nhất.
Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
- Lựa chọn và xây dựng mô hình ĐLH chuyển động của MK bánh.
- Thiết kế, chế tạo các thiết bị thí nghiệm xác định các tham số vào
của mô hình và đặc tính của một số phần tử chính của mô hình.
- Mô phỏng tính chất chuyển động vòng của MK trên máy tính số.
- Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố kết cấu và sử dụng đến tính

Trong nghiên cứu động lực học ô tô máy kéo bằng kỹ thuật mô hình
hóa, vấn đề quan trọng là mô hình xây dựng phải phản ánh được những đặc
trưng cơ bản nhất của cơ hệ, có thể xây dựng được chương trình giải và
khảo sát linh hoạt. Ngoài ra, phải kiểm chứng được bằng thực nghiệm.
Cần lựa chọn một mô hình sao cho có số bậc tự do ít nhất có thể được
mà vẫn cho kết quả phù hợp về các mối quan hệ động lực học của hệ trong
một miền đủ rộng. Theo quan điểm đó, chọn mô hình phẳng một vết.
3.2. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động vòng của máy kéo
Để nghiên cứu tính năng quay vòng của máy kéo bánh một cách khái
quát nhất, cần lập sơ đồ tính toán quay vòng máy kéo bánh có hai cầu chủ
động, với các bánh xe trước là các bánh xe dẫn hướng (hình 3.1). 8

0
X

0
Y

yF
F
F
LF
F
xR
F

yR

R
v
v
v

R


F








R
L
F

xF
F



M
F

M
3.2.1. Các giả thiết chính đặt ra khi xây dựng mô hình nghiên cứu
- Máy kéo chuyển động trên mặt đồng bằng phẳng, bỏ qua dao động
thẳng đứng, bỏ qua chuyển động vặn và chuyển động lật.
- Các lực tác dụng trong mặt phẳng ngang song song với mặt đường không dốc.
- Trọng tâm của MK nằm trên mặt phẳng chuyển động. Coi sự phân bố
lại trọng lượng trên các cầu và trên các bánh xe trái phải khi chuyển động
vòng là không đáng kể.
- Hai bánh xe trên mỗi cầu được quy đổi thành một bánh xe tương
đương đặt tại điểm giữa cầu. Qui ước góc quay trung bình của các bánh dẫn
hướng trước là =(t), trong tính toán đặt tại điểm giữa của cầu trước.
- Bỏ qua các góc đặt bánh xe dẫn hướng. 9

cos
os



R
R
v
v
c
. .
. .
cos cos cos sin ( )sin cos

J F F F l F l F
R
sin ( )









   

M R C z zF
l l M M M
3.2.2. Hệ thống phương trình vi phân trong chuyển động vòng
Từ mô hình động lực học chuyển động hình 3.1 có thể xây dựng hệ
phương trình vi phân chuyển động của MK hai cầu chủ động trong mặt
phẳng ngang như dưới đây. Kí hiệu chỉ số “F” cho cầu trước, chỉ số “R” cho
cầu sau.
(3-1) Hai phương trình đầu mô tả tính chất truyền lực từ động cơ đến các
cầu chủ động còn ba phương trình sau mô tả chuyển động của thân xe trong
mặt phẳng ngang. Để giải được hệ phương trình (3-1) cần thiết phải xác
định các quan hệ động học bổ sung và xây dựng mô hình động lực học của
các phần tử chính trong hệ thống.
3.2.3. Các quan hệ động học bổ sung

F
F
v
v
c

 


sin sin
; ( )
cos cos
R F
R F
l v l v
tg tg
v v
   
  
 
 
  
 10
Đối với động cơ YM-3T84:
- Với mức ga 100%:
7,01 2029,1
E E

Bánh xe - phần tử kết nối giữa máy kéo và mặt đồng - là phần tử quan
trọng đặc biệt của mô hình mô phỏng. Mô hình bánh xe MKNN đã được
xây dựng trên cơ sở phát triển mô hình Burckhardt, theo đó kết hợp giữa lý
thuyết Kamm với các kết quả thực nghiệm theo phương dọc của bánh xe
trên đất. Các thí nghiệm xác định tham số cũng như thực nghiệm kiểm
chứng mô hình đều được thực hiện trên thiết bị thí nghiệm bánh xe máy kéo
WTD-2 do chính nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo.
Quan hệ giữa hệ số bám tổng hợp 
R
và độ trượt tổng hợp S
R
: 11
2
1 3
(1 )
R
C S
R R
C e C S


  
(3-8)
với:
2 2
R x y
S S S

)1],
do đó các hệ số C
1
, C
2
, C
3
có thể được xác định dễ dàng trong trường hợp
S
y
=0. Có nghĩa là chỉ cần tổ chức thí nghiệm kéo bám để xác định độ trượt
của bánh xe theo phương dọc. (Trong thực tế, việc xác định độ trượt theo
phương ngang khá phức tạp và khó nhận được kết quả chính xác).
Khi đó =0 nên S
y
=0 và 
y
=0, do đó S
R
=S
x
và 
R
=
x
.
Đồng thời, cũng trên cơ sở số liệu thực nghiệm, có thể xác định được
các mối quan hệ giữa lực dọc, lực ngang phụ thuộc vào hệ số bám; lực cản
lăn phụ thuộc độ trượt và mô men đàn hồi trên bánh xe thí nghiệm:
0 4

đặt tại
à
y
x
x R y R
R R
S
S
v
S S
   
 12
điểm móc, có phương lệch với trục dọc của MK góc  tính theo công thức
(3-14), phụ thuộc bán kính vòng: (3-14) Trong đó: 
M
được tính như sau:
2 2 2
M M
l d
 
   (3-15)

, F
LR
, F
LF
và các mô men M
ZR
, M
ZF
. Tiếp tục đưa
chúng trở lại hệ phương trình (3-16) để tính ra các thông số đặc trưng cho
chuyển động vòng của máy kéo như
, , , , ,
   

 

v
Mô hình đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm (mục 5.3.3). Căn cứ
mục đích mô phỏng có thể kết luận mô hình mô phỏng khá tương thích và
đủ tin cậy để có thể ứng dụng khảo sát các loại máy kéo khác.


R
( ) os
.
cos cos sin ( )sin cos
cos sin cos cos sin sin
( sin cos ) sin ( )
F F XR LR XF F
R R E R XR R









(ar ar )
2
M
M
ctg ctg
l d

 

  13
Hình 4.1. Các ph
ương
án
thay đ
ổi góc lái cuối

Chương 4. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CHUYỂN ĐỘNG VÒNG
CỦA MÁY KÉO TRÊN ĐẤT NÔNG NGHIỆP
Đối với khảo sát mô phỏng, cần ưu tiên trước hết dùng phương pháp

nhau chỉ khác nhau ở giai đoạn vòng ổn định, thể hiện ở chỗ khi tăng góc
lái cuối thì gia tốc ngang của trọng tâm lớn hơn và bán kính quay vòng
giảm đi đáng kể. 14
Hình 4.2
. Các phương án thay đ
ổi
tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng
4.2.2. Phương án thay đổi tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng
Tốc độ xoay bánh xe dẫn hướng trước được thay đổi theo ba phương
án lần lượt là 0,1rad/s, 0,13rad/s và 0,18rad/s. Giá trị góc lái cuối 
max
trong
3 phương án khảo sát đều là 0,5rad. Kết quả quỹ đạo và gia tốc ngang của
trọng tâm được thể hiện trên hình 4.2.

Với tốc độ đánh lái khác nhau nhưng giống nhau ở góc lái cuối thì chỉ
có ở giai đoạn quá độ, gia tốc ngang và bán kính cong quỹ đạo mới có sự
khác nhau, còn đến giai đoạn vòng ổn định thì bán kính quay vòng và gia

0,006
0,008
0,010
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
a
y
a
F
,
a
R
,
Da
a
R
D
a

a
F
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
a
y
d

0,6
0,7
0,8
0,0 0,5 1,0 1,5
a
y
dsi/dt
ST2
ST3
ST4
ST2
ST4
ST3
a)
tăng, kéo theo sự tăng góc chuyển động lệch bên của cả cầu trước, trọng tâm
và cầu sau máy kéo. Càng tăng a
y
thì =(
F
-
R
) càng tăng, tức là máy kéo
càng có tính quay vòng “thiếu”.
Hình 4.3. Các thông số đặc trưng thay đổi theo góc lái cuối
4.3.2. Trường hợp thay đổi tỉ số truyền
Trong khảo sát này, tiến hành thay đổi số truyền từ số II đến số IV.
Khi quay vòng MK, nếu gài số truyền càng cao thì vận tốc dọc càng lớn, lực
quán tính li tâm càng lớn gây ra các thành phần lực ngang lớn hơn, làm cho
góc chuyển động lệch của các cầu đều tăng nhanh, đồng thời gia tốc ngang
khi quay vòng ổn định a

Không MNN MNN sau MNN trước
a) b)
Hiệu số góc lệch bên của các cầu  không khác nhau nhiều giữa số
II và số III, song nếu gài sang số IV thì tính quay vòng thiếu của máy kéo
tăng lên đáng kể. Như vậy khi quay vòng máy kéo không nên gài số IV.
4.3.3. Trường hợp thay đổi phân bố trọng lượng
Hình 4.5. Góc lệch của các cầu phụ thuộc sự phân bố trọng lượng
Ảnh hưởng của trọng lượng bám đến chuyển động lệch của các cầu ở
các phương án treo MNN được thấy rất rõ qua các đồ thị trên hình 4.5.
4.4. Ảnh hưởng của đặc tính bánh xe khi làm việc trên các loại nền
Ảnh hưởng của đặc tính làm việc của bánh xe trên các loại nền đường
khác nhau đến quỹ đạo chuyển động và gia tốc ngang của trọng tâm máy kéo
được thể hiện trên hình 4.6.
Hình
4.6
.
Ảnh h
ư
ởng của đặc tính bánh xe đến quỹ
đ
ạo chuyển động v

- Xác định tọa độ trọng tâm và mô men quán tính J
z
của các MK và
MNN nghiên cứu trong điều kiện sử dụng.
- Khảo nghiệm xây dựng các đường đặc tính đặc tính ngoài và đặc
tính riêng phần của hai động cơ lắp trên hai MK.
- Thí nghiệm tính chất chuyển động lệch của bánh xe chủ động và
bánh xe bị động của hai MK, trên một số loại nền đường. Đây là khâu đột
phá của luận án khi nghiên cứu tính chất chuyển động của MKNN.
Quỹ đạo yêu cầu

QĐ trên đường asphalt
QĐ trên đ
ấ
t g
ố
c r
ạ

Hình 4.7. Sai l
ệch quỹ
đạo khi MK quay vòng
180
0
hình qu
ả l
ê

vấn đề là phải xác định chính xác chu kỳ dao động T
0
. Hệ thống thiết bị đo,
tự ghi dao động lắc của MK đã được thiết kế, chế tạo và nhận được kết quả
như trên hình 5.2. Số chu kỳ dao động > 50 chứng tỏ giảm chấn khá nhỏ.
Hình
5
.1. S
ơ

đ
ồ
treo máy kéo
theo m
ặ
t ph
ẳ
ng t
h
ẳ
ng
đ
ứ
ng

G
l


2
2
1 2
z 0
2
1 2
( )
J
8 l l
Ga l l
T


19
Hình 5.3. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm chuyển động lệch của bánh xe máy kéo



10

2

4

7


= 3851,91 kgm
2
. Mô men quán tính của máy kéo
YM-3000 đối với trục z là: J
z
= 816,1 kgm
2
.
5.3.2. Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm bánh xe máy kéo
Thiết bị được thiết kế để liên kết với hệ thống treo của máy kéo MTZ-
80, thông qua khung đo lực kéo chuyên dụng. Bố trí chung về lắp đặt bánh xe,
hệ thống truyền động và gây tải, hệ thống cảm biến, đầu đo được thể hiện trên
hình 5.3. Truyền lực các-đăng bố trí giữa hộp giảm tốc và hộp bánh răng côn
cho phép đặt lệch bánh xe một góc đến 20
o
so với hướng tiến.
Các hệ thống được tính toán đảm bảo về tương ứng động học, khả năng
truyền mô men, truyền lực, đảm bảo độ bền, cân bằng và ổn định khi thí nghiệm.
1-sensor áp suất; 2-khung; 3-sensor đo lực dọc; 3-động cơ thủy lực; 5-sensor tốc độ
quay môtơ; 6-hộp giảm tốc; 7-trục các đăng; 8-hộp bánh răng nón; 9-sensor tốc độ
quay bánh xe ; 10-bánh xe thí nghiệm; 11-sensor góc lệch khung do MK đi không

ế
t v
ớ
i máy kéo nh
ờ
h
ệ
th
ố
ng

khung tre
o
đ
ặ
c bi
ệ
t Ưu điểm nổi bật của thiết bị này là liên kết với máy kéo MTZ, trong đó

S
n

S
F

S
v

S
α

DATA
ACQUISITION
UNIT
DASYLAB

software
PC/LAPTOP
F
A/D

CONVERTER
21
0,0
0,2
0,4

S
x
j
x
alpha=0 alpha=5 alpha=10
Hình 5.7.
Đ
ặ
c tính c
ủ
a bánh xe
máy kéo

YM
-
3000

lực cản dọc, cản lại chuyển động của khung thiết bị thí nghiệm do mô men
chủ động của bánh xe thí nghiệm tạo ra.
Sử dụng một số công thức tính toán dưới đây để xây dựng đặc tính
kéo bám và đặc tính chuyển động lệch của bánh xe thí nghiệm.
Mô men xoắn trên bánh xe chủ động: (5-2)
Độ trượt bánh xe chủ động: (5-3)
Hệ số bám dọc: Hệ số kéo: Hệ số lăn:

Thiết bị này đã được sử dụng để thí nghiệm xác định các hệ số của
mô hình bánh xe (mục 3.2.6) và cũng được dùng để thí nghiệm kiểm chứng
mô hình Buckhardt phát triển cho bánh xe MKNN.
Z
F
k
F

L
Z
F
f k
F

  22
5.3.3. Thí nghiệm quay vòng để kiểm chứng kết quả mô phỏng
Trong luận án này, một phương pháp lí thuyết – thực nghiệm đã được
đề xuất để xác định quỹ đạo chuyển động thực tế của máy kéo bánh, trên cơ
sở sử dụng các thiết bị đo hiện đại nhất. Thiết bị đo gồm:
- Sensor vận tốc quang học V1-Datron cho phép đo vận tốc hai phương
và tốc độ đổi hướng của vectơ vận tốc tuyệt đối (sai số 0,05%).
- Các cảm biến đo góc xoay đặt tại trụ đứng của các bánh xe dẫn hướng.
- Phần mềm đo lường và xử lý kết quả đo DasyLab11.0.
Thí nghiệm được thực hiện khi cho máy kéo MTZ-80 chuyển động
vòng trên đất ruộng gốc rạ có độ ẩm tương đối 75%. Worksheet đo lường và
xử lý số liệu thí nghiệm được thể hiện trên hình 5.8.
Hình 5.8. Sơ đồ kết nối các module trong worksheet thí nghiệm quay vòng
Kết quả thu được quỹ đạo chuyển động của máy kéo trong một số thí
nghiệm tiêu biểu được minh họa trên hình 5.9. Qua so sánh cho thấy, sai
khác giữa các thông số đặc trưng của quỹ đạo vẽ được với quỹ đạo thực của


24
Hình 5.11: Điều kiện chuyển động: v=7,45km/h;
0,13 /
rad s



;
δ
max
=34,4
o
.
Qua so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cùng trên đất
gốc rạ (độ ẩm tương đối W=75%), cho thấy quỹ đạo chuyển động vòng và
theo đó là gia tốc ngang của trọng tâm MK khá giống nhau cả về định tính
và định lượng. Sự sai khác không lớn (<5%) ở đây được hiểu là do chính
ảnh hưởng của các giả thiết đặt ra khi xây dựng mô hình.
Căn cứ mục đích mô phỏng có thể kết luận mô hình mô phỏng khá
tương thích và tin cậy để có thể ứng dụng khảo sát các loại máy kéo khác.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Kết luận
1- Khi làm việc trên đồng ruộng, thời gian chuyển động quay vòng để
thực hiện các khâu canh tác khác nhau trong sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ
trọng tương đối lớn, 15 - 25% tổng thời gian làm việc. Việc nghiên cứu cải
Hàm góc lái thực nghiệm d=d(t)
0
0,1
0,2

nông nghiệp khi thực hiện các khâu canh tác khác nhau. Trên cơ sở một
máy kéo 4 bánh có hộp số phân cấp, trong mô hình đã tích hợp tương tác
giữa động cơ, hệ thống truyền lực, bánh xe và máy nông nghiệp. Sử dụng
phần mềm Matlab/Simulink cho phép mô phỏng và khảo sát linh hoạt các
phương án kết cấu, sử dụng máy kéo. Các thông số vào của mô hình được
xác định bằng thực nghiệm. Độ tin cậy và chính xác của mô hình đã được
đánh giá thông qua các thí nghiệm đối chứng.
4- Đề tài luận án đã thiết kế và chế tạo được thiết bị thí nghiệm bánh xe
có tính cơ động cao, phù hợp để thực hiện thí nghiệm trên đồng ruộng đối với
cả bánh xe chủ động và bị động cỡ đường kính từ 700-1400mm. Với hệ thống
đo và xử lý số liệu hiện đại có thể xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tính
chất chuyển động của bánh xe trên mặt đường biến dạng như: mô men chủ
động, lực kéo, lực ngang, lực cản lăn, tải trọng pháp tuyến, mô men đàn hồi,