BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

ĐẶNG ĐỨC THUẬN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÀ
ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC CHO XE TỰ HÀNH ĐA NĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

ĐẶNG ĐỨC THUẬN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÀ
ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC CHO XE TỰ HÀNH ĐA NĂNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 60 52 01 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

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

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... iii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG ...........................................................................................x
MỞ ĐẦU ...........................................................................................................1

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
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page iv


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

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật



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.


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
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page vii


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 năng55
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

động khi xe vừa di chuyển và công tác.................................................. 67
Hình 3.27 Đường đặc tính lưu lượng dầu di chuyển trong mạch trích công suất
cho phụ tải ............................................................................................ 67
Hình 3.28 Đường đặc tính lưu lượng dầu di chuyển trong mạch khi xe vừa di
chuyển và công tác với phụ tải .............................................................. 68

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page ix


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

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page x


MỞ ĐẦU
A. Đặt vấn đề
Hiện nay nền kinh tế của Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh, do vậy

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.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 2


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


3. Hộp số cơ khí

5. Bộ vi sai

2. Ly hợp

4. Bán trục

6. Truyền lực các đăng

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 3


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.

Hình 1.3 Hệ thống Hybrid
G - máy phát điện

G/M - máy điện thuận nghịch

M - Động cơ điện

Storage device - Thiết bị lưu trữ

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).

a)
b)
c)
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
hở hay mạch kín (hình 1.5).
Ở hình 1.5a mô tả nguyên lý hoạt động của mạch hở, dầu được bơm thủy
lực hút thùng dầu, chuyển qua van phân phối tới cửa vào động cơ thủy lực và trở
về hoàn toàn thùng dầu. Chiều quay của động cơ, sẽ được điều khiển bằng van
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 5


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

1.

Bơm thủy lực

2.

động cơ khí và để duy trì một áp suất cần thiết ở phía thấp áp của mạch, cần có
một bơm nhồi cung cấp một lượng dầu thủy lực bổ sung từ thùng dầu bên ngoài.
Đường dầu cao áp có thể cấp tới động cơ từ hai phía cửa dầu nhờ thay đổi góc
nghiêng điều chỉnh của bơm vì vậy trong mạch kín không cần có cụm van phân
phối để thực hiện yêu cầu đổi chiều quay động cơ.
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

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 6


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

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 7


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.



8. Bộ ly hợp

2. Thanh treo trên

9. Hộp số

3. Thanh kéo

10. Động cơ thủy lực

4. Chốt quay

11. Chốt hãm

5. Cần gạt điều khiển

12. Cần xi lanh thủy lực

6. Xy lanh thủy lực

13. Trục quay

7. Trục khuỷu động cơ

14. Vành răng

Theo nhà sử học Robert C. Williams “hệ thống Ferguson, hoặc tương tự
như điều khiển bằng thủy lực, treo 3 điểm, đã trở thành gần như bắt buộc đối với
hầu như tất cả các máy kéo”.

trực tiếp mô men quay cho bơm thủy lực hoặc thông qua hộp số để thay đổi tỷ số
truyền. Tại bơm, năng lượng cơ học của động cơ đốt trong sẽ được chuyển đổi
thành dạng năng lượng thủy lực và thông qua các đường ống dẫn, năng lượng này
cho động cơ thủy lực. Động cơ thủy lực sẽ chuyển đổi năng lượng thủy lực thành
dạng năng lượng cơ học, mỗi động cơ thủy lực truyền động cho một bánh xe. Để
thay đổi tốc độ quay của các động cơ thủy lực, hệ thống phải có các van thay đổi
lưu lượng bố trí một cách hợp lý.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page 11


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
Nguồn: , 2014
1. Bơm thủy lực

6. Van áp suất

2. Van phân phối

7. Van tiết lưu

3. Xi lanh lái LH

8. Thùng chứa dầu


bơm thủy lực hoặc thông qua hộp số để thay đổi tỷ số truyền, mỗi cụm bơm và
động cơ thủy lực truyền động cho một bánh xe. Ta có thể sử dụng bơm hoặc 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
1. Bộ truyền cuối L.H

5.Động cơ đốt trong

9. Động cơ thủy lực R.H

2.Động cơ thủy lực L.H

6.Bánh xích

10.Bộ truyền cuối R.H

3.Bơm nhồi

7.Bơm cho nhánh L.H

11.Bánh sao chủ động

4.Ly hợp

8.Bơm cho nhánh R.H