BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

Luyện Văn Hiếu

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
THỦY LỰC KHI PHANH XE CƠ GIỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

Luyện Văn Hiếu

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
THỦY LỰC KHI PHANH XE CƠ GIỚI

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số:

9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân, Tôi đã
nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy cô giáo và tập thể nghiên cứu khoa
học.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Ngô Sỹ Lộc và TS. Trần Khánh
Dương - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, là những người đã tận tình hướng dẫn, định
hướng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em nghiên cứu sinh, cao học và sinh viên các khóa
thuộc bộ môn Máy và Tự động thủy khí - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã hết lòng hỗ trợ, động viên tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí Động lực, lãnh
đạo trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên, Công ty Cổ phần Công nghệ ô tô Việt
Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian và vật chất để tôi hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn tới đại gia đình, bạn bè đã
thực sự động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội.

Hà Nội, ngày

tháng

Nghiên cứu sinh

Luyện Văn Hiếu

năm



2.3.1
Phương án phanh tái sử dụng trên hệ thống chuyên dùng cơ cấu nâng hạ. ...... 40
2.3.2
Phương án lắp thêm mô tơ thủy lực .................................................................. 42
2.3.3
Phương án thay đổi bơm thủy lực thành cụm bơm/mô tơ kết hợp .................... 44
2.3.4
Mô hình hóa quá trình tái sử dụng năng lượng trường hợp hỗ trợ di chuyển ... 48
Kết luận chương 2 ............................................................................................................... 55
Chương 3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC ........................ 56
3.1
Khảo sát quá trình phanh thu năng thủy lực ......................................................... 56
3.1.1
Mô phỏng quá trình phanh thu năng thủy lực xe chuyên dùng bằng chương
trình Matlab - Simulink.................................................................................................... 56
3.1.2
Một số kết quả khảo sát quá trình phanh thu năng lượng động năng bằng mô
hình mô phỏng ................................................................................................................. 57
3.1.2.1 Khảo sát trường hợp phanh khẩn cấp và trường hợp phanh bằng hệ thống
phanh thu năng thủy lực .................................................................................................. 57
i


3.1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của mức áp suất làm việc ban đầu bình tích áp năng pgo
khác nhau. ........................................................................................................................ 60
3.1.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc phanh ban đầu khác nhau ............................ 65
3.1.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xe............................................................. 71
3.1.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng bơm đến phanh thu hồi năng lượng
động năng ........................................................................................................................ 76
3.2

4.5
Đánh giá kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng........................... 104
4.6
Chu kỳ phanh dừng cho mô hình thực nghiệm ................................................... 104
Kết luận chương 4 .......................................................................................................... 106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 113
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 114
Phụ lục 1. Thông số kỹ thuật ô tô khảo sát ............................................................... 114
Phụ lục 2. Mô hình mô phỏng bằng chương trình Simulink..................................... 118
Phụ lục 3. Dữ liệu nhập từ chương trình Matlab ...................................................... 121
Phụ lục 4. Mạch điều khiển hệ thống phanh thu năng thủy lực. ............................... 131
Phụ lục 5. Chương trình chạy trên phần mềm Arduino ............................................ 131
Phụ lục 6. Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm ...................................................... 134

ii


DANH MỤC KÍ HIỆU
STT

Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

1


Tỷ số truyền chung của cơ cấu phanh

6

d

Đường kính ống dẫn dầu

7

dp

Lưu lượng riêng của bơm thủy lực

m3/vòng

8

dm

Lưu lượng riêng mô tơ thủy lực

m3/vòng

9

E

Động năng của vật


Động năng của khối rắn chuyển động tịnh tiến

J

14

Ev

Động năng của xe ở vận tốc v

J

15

Evan

Năng lượng điện cung cấp van

J

16

Fbam

Lực bám của bánh xe

N

17


H

Khoảng cách từ trọng tâm xe đến mặt đường

22

hw

23

itrp

Tỷ số truyền từ trục bơm đến trục bánh xe

24

ih

Tỷ số truyền của hộp số sàn

25

io

Tỷ số truyền bộ truyền lực chính

26

iptc


mặt đường

Khoảng cách từ điểm đặt lực véc tơ phản lực Z1 đến
Z2
Chu kỳ phanh

m
m

m
m

iii


31

Lphmax

Chu kỳ phanh lớn nhất giữa 2 lần liên tiếp

m

32

lm

Chiều dài đường ống dẫn dầu nhánh tái sử dụng

m


Nm

37

Mm

Mô men của mô tơ thủy lực

Nm

38

Mtchs

Mô men vị trí trục thứ cấp hộp số

Nm

39

m

Khối lượng vật, Khối lượng xe

kg

40

mht


Pr1

Lực cản lăn ở các bánh trước xe

N

45

Pr2

Lực cản lăn ở các bánh sau xe

N

46

Pp

Lực phanh tổng cộng tại các bánh xe chủ động

N

47

Pp1

Lực phanh cơ khí đặt ở bánh trước

N

Công suất van điện từ

W

52

pao

Áp suất nạp ban đầu của khí

N/m2

53

pcr

Áp suất dầu thủy lực buồng cửa ra của bơm thủy lực

N/m2

54

pcv

55

pcrm

Áp suất dầu thủy lực buồng cửa ra mô tơ thủy lực


Áp suất dầu thủy lực cửa vào bình tích áp thủy lực

N/m2

60

Qp

Lưu lượng của bơm thủy lực

m3/s

61

Z1

62

Z2

Áp suất dầu thủy lực buồng cửa vào của bơm thủy
lực

Phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe
trước
Phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe sau.
iv

N/m2


Vf

Thể tích dầu thủy lực được đẩy vào bình tích áp

m3

67

v

Vận tốc vật

m/s

68

vo

Vận tốc xe phanh ban đầu

m/s

69

vt

Vận tốc xe ở thời điểm ngừng phanh t

m/s


1/s

74

ti

75

Jqt

Mô men quán tính của vật đối với trục quay của nó

kgm2

76

Jbx

Mô men quán tính bánh xe

kgm2

77

Ji

78

Jd



ct

Tỉ lệ thu năng chu trình

%

82

Re

Hệ số rây nôn

83

rbx

Bán kính làm việc của bánh xe

m

84

rt

Bán kính tang trống phanh

m

85




Hiệu suất truyền động của hệ thống ruyền lực.

91

mp

Hiệu suất cơ khí của bơm thủy lực

92

mm

Hiệu suất cơ khí của mô tơ thủy lực

m2/s
s

v


hiệu suất truyền động từ trục thứ cấp hộp số đến bơm

93

ηtcp

94


100

Evo

Động năng của xe ở vận tốc vo

101

plp

Tổn thất đường ống nhánh từ bơm đến bình tích năng

N/m2

102

pp

N/m2

103

pm

Chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy với buồng vào của
bơm thủy lực
Chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy với buồng vào của
mô tơ thủy lực



FC

Full scale

4

HDA

Hydraulic Drive Assist

5

HLA

Hydraulic Launch Assist

6

HPA

Hydraulic Power Assist

7

HRB

Hydrostatic Regenerative Braking

8


J

N/m2


13

USB

Universal Serial Bus

14

FTP75

Federal Test Procedure 75

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3. 1 Bảng tổng hợp kết quả trường hợp phanh xe khẩn cấp và phanh bằng 100% hệ
thống thu năng ..................................................................................................................... 59
Bảng 3. 2 Bảng tổng hợp kết quả trong trường thay đổi áp suất bình áp năng pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 64
Bảng 3. 3. Bảng thông số dải vận tốc và tay số xe phù hợp trên xe tham khảo .................. 65
Bảng 3. 4 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản kết quả thu năng ở vận tốc khác nhau ................ 69
Bảng 3. 5 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản trong 3 trường hợp khối lượng khác nhau .......... 75
Bảng 3. 6 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản các trường hợp lưu lượng riêng dp thay đổi ....... 80
Bảng 3. 7 Bảng tổng hợp các kết quả chính trong trường hợp tái sử dụng năng lượng ..... 85
Bảng 3. 8 Bảng tổng hợp trường hợp áp suất pga khác nhau .............................................. 88
Bảng 4. 1 Các thông số cơ bản của Card Arduino Uno R3 [65]......................................... 93

Hình 2. 5 Ảnh xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn do Công ty cổ phần công nghệ ô tô
Việt Nam sản xuất lắp ráp. .................................................................................................. 20
Hình 2. 6 Sơ đồ điển hình hộp số sàn loại 5 cấp số tiến cùng với hộp PTO trên xe chuyên
dùng ..................................................................................................................................... 21
Hình 2. 7 – Sơ đồ chi tiết hộp số sàn MT (5 số tiến+1 số lùi) cùng hộp PTO và dòng truyền
công suất từ động cơ đến trục thứ cấp theo vị trí các số khác nhau (1,2,3,4,5, R) ............. 22
Hình 2. 8 Sơ đồ đường truyền năng lượng từ động cơ đến trục PTO ................................. 22
Hình 2. 9 Sơ đồ dòng truyền công suất từ trục thứ cấp đến trục PTO theo vị trí tay số 1, 2,
3, 4, 5 và số lùi R ................................................................................................................. 23
Hình 2. 10 Sơ đồ hệ thống phanh trường hợp không hoạt động, ĐT4 ở vị trí off ............... 24
Hình 2. 11 Sơ đồ hệ thống hoạt động ở chế độ không tải, ĐT4 ở vị trí on ......................... 25
Hình 2. 12 Sơ đồ hệ thống hoạt động ở chế độ phanh thu động năng ................................ 26
Hình 2. 13 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh trên đường nằm ngang................................... 27
Hình 2. 14 Sơ đồ quá trình phanh bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực ....................... 28
Hình 2. 15 Sơ đồ bình tích áp năng thủy khí theo các trạng thái làm việc ......................... 35
Hình 2. 16 Sơ đồ phương án hệ thống thu năng thủy lực và tái sử dụng lại năng lượng vào
hệ thống công tác chuyên dùng nâng hạ ben thủy lực (chế độ phanh thu năng) ................ 40
Hình 2. 17 Sơ đồ phương án hệ thống trường hợp tái sử dụng năng lượng vào cơ cấu công
tác nâng ben thủy lực........................................................................................................... 41
Hình 2. 18 Sơ đồ hoạt động bổ sung áp năng thủy lực từ bơm để công tác nâng ben thủy
lực ........................................................................................................................................ 41
Hình 2. 19 Sơ đồ hoạt động trong trường hợp hạ ben xả dầu về thùng chứa ..................... 42
Hình 2. 20 Sơ đồ hệ thống thu và tái sử dụng năng lượng động năng trên xe chuyên dùng
tác giả đã đề xuất trên Hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc năm 2016 ............................... 43
viii


Hình 2. 21 Sơ đồ hệ thống phanh thu năng thủy lực phương án thay cụm bơm thủy lực ... 45
Hình 2. 22 Sơ đồ hệ thống hoạt động trong trường hợp phanh thu năng thủy lực ............. 46
Hình 2. 23 Trường hợp tái sử dụng hỗ trợ di chuyển .......................................................... 46

Hình 3. 13 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 62
ix


Hình 3. 14 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 63
Hình 3. 15 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 63
Hình 3. 16 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp pgo
khác nhau............................................................................................................................. 63
Hình 3. 17 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh trường hợp pgo khác
nhau ..................................................................................................................................... 64
Hình 3. 18 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác
nhau tương ứng các tay số................................................................................................... 66
Hình 3. 19 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác
nhau tương ứng các tay số................................................................................................... 66
Hình 3. 20 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh
ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 67
Hình 3. 21 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu ở vận tốc phanh ban đầu
khác nhau tương ứng các tay số .......................................................................................... 67
Hình 3. 22 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh
ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 67
Hình 3. 23 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh
ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 68
Hình 3. 24 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc
phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ................................................................. 68
Hình 3. 25 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh thu năng ở vận
tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ........................................................... 68
Hình 3. 26 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh

Hình 3. 40 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng
riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 77
Hình 3. 41 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng lượng xe
lưu lượng riêng dp khác nhau. ............................................................................................. 77
Hình 3. 42 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng
riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 78
Hình 3. 43 Biểu đồ năng lượng thu được Ea trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu
lượng riêng dp khác nhau .................................................................................................... 78
Hình 3. 44 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp
khác nhau............................................................................................................................. 78
Hình 3. 45 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp
khác nhau............................................................................................................................. 79
Hình 3. 46 Biểu đồ quãng đường phanh trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng
riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 79
Hình 3. 47 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng lượng lưu
lượng riêng dp khác nhau .................................................................................................... 79
Hình 3. 48 Lưu đồ qui trình tính toán quá trình tái sử dụng năng lượng .......................... 81
Hình 3. 49 Biểu đồ vận tốc xe trường hợp dm khác nhau .................................................... 82
Hình 3. 50 Biểu đồ gia tốc xe trường hợp dm khác nhau ..................................................... 82
Hình 3. 51 Biểu đồ quãng đường di chuyển xe trường hợp dm khác nhau .......................... 83
xi


Hình 3. 52 Biểu đồ áp suất bình áp năng trường hợp dm khác nhau .................................. 83
Hình 3. 53 Biểu đồ mô men mô tơ thủy lực trường hợp dm khác nhau................................ 83
Hình 3. 54 Biểu đồ tốc độ mô tơ thủy lực trường hợp dm khác nhau .................................. 84
Hình 3. 55 Biểu đồ tốc lực kéo trường hợp dm khác nhau ................................................... 84
Hình 3. 56 Biểu đồ thể tích dầu cung cấp cho mô tơ thủy lực trường hợp dm khác nhau ... 84
Hình 3. 57 Biểu đồ vận tốc xe trường hợp pga khác nhau ................................................... 86
Hình 3. 58 Biểu đồ gia tốc xe trường hợp pga khác nhau .................................................... 86


Hình 4. 15 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng theo tay số và vận tốc
phanh ban đầu vo tương ứng, áp suất pgo = 85(bar). ........................................................ 100
Hình 4. 16 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng thủy khí theo các
tay số và vận tốc phanh ban đầu vo tương ứng.................................................................. 100
Hình 4. 17 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) theo động năng Ev(J)
ở vo ban đầu tương ứng. .................................................................................................... 101
Hình 4. 18 Biểu vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng ở 2 trường hợp khối lượng
khác nhau........................................................................................................................... 102
Hình 4. 19 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) theo động năng Ev(J)
ở vo ban đầu tương ứng. .................................................................................................... 102
Hình 4. 20 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng thủy khí theo
trường hợp khối lượng xe thay đổi .................................................................................... 103
Hình 4. 21 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) ở các trường hợp thay
đổi khối lượng xe. .............................................................................................................. 103

xiii


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện nay, năng lượng hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt [1], để phát triển bền
vững kinh tế, cũng như bảo vệ môi trường là yêu cầu cấp bách đối với mọi quốc gia.
Ngày 25 tháng 11 năm 2015 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định phê duyệt
Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm
2050. Do vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng, cũng như khai thác các nguồn năng lượng tái tạo
đang được ưu tiên phát triển ở nước ta hiện nay [2].
Hiện nay xe chuyên dùng sử dụng thu gom chở rác ở nước ta với số lượng lớn [3], hệ
thống phanh của dòng xe này đang sử dụng thường là hệ thống phanh dạng ma sát, trong quá
trình phanh hãm xe, hệ thống phanh kiểu này thực hiện biến đổi động năng của xe sang nhiệt

+ Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình lý thuyết phù hợp với môi trường Matlab-Simulink
được xây dựng để khảo sát, nghiên cứu các đặc tính của xe và hệ thống, tính toán và lựa chọn
phần tử hệ thống phanh thu năng thủy lực.
+ Nghiên cứu thực nghiệm: Hệ thống được thiết kế, lựa chọn, chế tạo, lắp đặt và thử
nghiệm. Các đặc tính được đánh giá và so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án đã vận dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để chỉ rõ cụ thể
phương pháp phanh thu năng lượng động năng trong quá trình phanh xe chuyên dùng thu gom
rác bằng hệ thống truyền động thủy lực, năng lượng thu được tích trữ vào bình áp năng thủy
lực, năng lượng thu sẽ được tái sử dụng trên chính phương tiện xe đó.
Công nghệ phanh thu năng lượng động năng xe cơ giới ngày càng được sử dụng rộng
rãi ở nhiều nước, tuy nhiên ở nước ta nghiên cứu về công nghệ này còn hạn chế, do đó nội
dung nghiên cứu của luận án góp phần vào kho nguồn tài liệu bổ trợ cho các nhà sản xuất xe
chuyên dùng ở nước ta, thúc đẩy sự phát triển hệ thống phanh thu động năng bằng hệ thống
truyền động thủy lực sử dụng bình áp năng thủy lực lắp trên dòng xe chuyên dùng thu gom
rác.

5. Các điểm mới của luận án đạt được
 Đề xuất được cấu hình hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng hệ thống truyền
động thủy lực lắp đặt trên xe chuyên dùng thu gom chở rác tải trọng 2,5 tấn;
 Thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống phanh thu năng lượng động
năng bằng hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác
2,5 tấn;
 Đánh giá tỉ lệ thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu
gom rác loại 2,5 tấn theo chế độ vận hành xe như: thay đổi tay số truyền - vận tốc xe, áp suất
bình áp năng thủy lực và khối lượng xe.
 Có thể vận dụng khai thác động năng bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực kết nối với
hộp chia công suất trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn và dòng xe chuyên
dùng có tính năng tương đương.

m.v2
Ekt 
2

(1.1)

Trong đó:
Ekt – động năng của vật chuyển động tịnh tiến (J)
m – khối lượng của vật (kg)
v – vận tốc của vật (m/s)
Đối với vật chuyển động quay động năng được xác định:

Ekq 

Jqt .2
2

(1.2)

Trong đó:
Jqt – mô men quán tính của vật chuyển động quay (kgm2)
 - vận tốc góc của vật đang chuyển động quay (rad/s)
Nếu vật chuyển động cả tịnh tiến và quay thì động năng được xác định:

E  E kt  E kq
3

(1.3)



70

80

Xe tải 5000 (kg)
Xe chở rác 14000 (kg)

Hình 1. 1 Đồ thị quan hệ động năng (E) với khối lượng (m) và vận tốc (v) của một số xe cơ giới

Nếu coi mỗi phương tiện xe cơ giới là một vật chuyển động tịnh tiến, ta có thể xây dựng
được biểu đồ động năng ở một số loại xe với khối lượng khác nhau và vận tốc khác nhau theo
như Hình 1.1. Nhận thấy với mỗi dòng xe trong quá trình di chuyển đều có được một nguồn
năng lượng ở một vận tốc nhất định: Động năng của xe thu gom rác với khối lượng 14000kg
có nguồn năng lượng lớn Ekt  1350kJ khi di chuyển ở vận tốc 50km/h, loại xe buýt với khối
lượng 8500 kg có nguồn năng lượng Ekt1180kJ ở vận tốc 60km/h, loại xe tải khối lượng
5000kg có năng lượng động năng Ekt  694kJ ở vận tốc 60km/h, loại xe con khối lượng 1600kg
có năng lượng động năng Ekt  395kJ ở vận tốc 80km/h và loại xe mô tô khối 300kg có nguồn
E  41kJ ở vận tốc 60km/h. Với số lượng phương tiện xe cơ giới hiện đang lưu hành ở nước
ta là hơn 2,5 triệu [3], cùng hàng triệu xe máy [5] thì đây là nguồn năng lượng lớn.
Chính vì nguồn năng lượng tiềm năng này mà nghiên cứu thu hồi năng lượng động năng
để tái sử dụng đã và đang là đề tài thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và các nhà sản
xuất phương tiện xe cơ giới hiện nay.
4


1.2.

Hệ thống phanh trên xe cơ giới
Như đã biết muốn giảm vận tốc xe ta phải giảm động năng của xe, bộ phận có nhiệm vụ


1.2.2. Hệ thống phanh thu năng lượng động năng
Hệ thống phanh thu năng lượng động năng, còn gọi là hệ thống phanh tái sinh Regenerative Braking System (BRS) [9] [10] được hiểu là hệ thống phanh thay vì biến đổi
động năng thành nhiệt năng thì hệ thống phanh này có khả năng thu và tích trữ năng lượng.
Theo phương pháp chuyển đổi và tích trữ năng lượng thu được chúng ta có thể có các
hệ thống phanh tái sinh như sau:
- Hệ thống phanh biến đổi động năng sang điện năng;
- Hệ thống phanh biến đổi động năng xe sang động năng dạng chuyển động quay bánh
đà;
- Hệ thống phanh biến đổi động năng sang thế năng đàn hồi của lò xo;
- Hệ thống phanh biến đổi động năng sang áp năng thủy lực.
Với phương tiện xe cơ giới nếu được sử dụng hệ thống phanh loại này, có một số ưu và
nhược điểm như sau:
 Ưu điểm của hệ thống phanh tái sinh
- Tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu trên phương tiện [11] [10] [12]. Vì năng lượng động
năng của xe được thu lại, sau đó có thể tái sử dụng lại cho xe, do đó nó góp phần làm giảm
phụ thuộc vào năng lượng từ nhiên liệu trên xe, giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng hiệu quả sử
dụng nhiên liệu.
- Giảm sự hao mòn ở động cơ [10] [11]. Vì xe sử dụng thêm năng lượng từ nguồn tích
trữ thu được trong quá trình phanh thu năng, do đó xe giảm sự phụ thuộc vào năng lượng nhận
từ động cơ, làm giảm sự làm việc của động cơ qua đó góp phần làm giảm sự hao mòn ở động
cơ, góp phần tăng tuổi thọ động cơ.
- Trong trường hợp trên xe lắp đặt cả hệ thống phanh thường và phanh tái sinh, nó giúp
giảm được sự hao mòn trên hệ thống phanh thường [11] [10], giảm chi phí sửa chữa thay thế
chi tiết má phanh, tăng tuổi thọ của hệ thống phanh thường trên ô tô. Vì sử dụng hệ thống
phanh tái sinh trong quá trình phanh, do đó hệ thống phanh thường trên xe sẽ được giảm tần
suất sử dụng, qua đó làm kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh thường, giảm chi phí thay thế
sửa chữa má phanh.
- Giảm phát thải từ động cơ, do giảm hoạt động tăng tốc của động cơ và giảm tổng thời
gian làm việc của động cơ [11]. Do trên xe sử dụng thêm nguồn năng lượng thu được từ quá
trình phanh tái sinh do đó nguồn năng lượng cung cấp từ động cơ sẽ được giảm, mặt khác

mặc dù công suất riêng có tăng lên, tuy nhiên giá thành loại này đắt hơn nhiều loại khác.
1.2.2.2. Hệ thống phanh chuyển động năng sang động năng chuyển động quay
Hệ thống phanh tái sinh sử dụng bánh đà, trong phương pháp này khi phanh hãm động
năng của xe cơ giới, động năng được chuyển sang tích trữ ở dạng động năng chuyển động
quay của bánh đà, khi tái sử dụng thì động năng chuyển động quay của bánh đà lại được
chuyển sang động năng hỗ trợ di chuyển xe. Hệ thống phanh loại này, điển hình có công nghệ
hệ thống thu năng lượng động năng bằng bánh đà của hãng Volvo (Thụy Điển) – Flywheel
kinetic energy recovery system (Flywheel-KERS) [18] [19] [20]. Hệ thống phanh dạng này
đã được ứng dụng trên xe đua công thức 1 [18] [19] .
7


Ưu điểm của hệ thống phanh dạng này, thuộc nhóm có năng lượng riêng và công suất
riêng cao [21].
Nhược điểm của hệ thống phanh loại này, yêu cầu cao về công nghệ chế tạo, mặt khác
để điều chỉnh quan hệ vận tốc góc của bánh đà và tốc độ trong quá trình phanh cho phù hợp
thì hệ thống đã sử dụng cụm biến tốc cũng đòi hỏi yêu cầu cao về công nghệ chế tạo.
1.2.2.3. Hệ thống phanh biến động năng sang thế năng đàn hồi của lò xo
Hệ thống phanh tái sinh sử dụng lò xo [10] [22] trong phương pháp này khi phanh hãm
sử dụng lò xo dạng lá, động năng của xe được chuyển sang thế năng đàn hồi của lò xo, để tái
sử dụng thì thế năng của lò xo được giải phóng và chuyển sang động năng cho xe di chuyển,
nhược điểm của hệ thống loại này là khả năng tích trữ năng lượng thấp [10], công nghệ này
đến nay chưa được áp dụng trên xe ô tô.
1.2.2.4. Hệ thống phanh biến động năng thành áp năng thủy lực
Hệ thống phanh tái sinh sử dụng bình tích áp thủy lực, theo phương pháp tích áp năng
thủy lực có các loại như (Hình 1.4): Loại bình tích áp sử dụng bóng khí (chủ yếu là khí ni tơ
[23]), loại bình tích áp năng sử dụng piston - lò xo và loại bình tích áp sử dụng tải đối trọng.
Do đặc điểm của phân tử khí ni tơ trong điều kiện áp suất khí quyển là khí trơ [24], do vậy
trong điều kiện sử dụng này, bình tích áp năng thủy lực bóng khí ni tơ thường được sử dụng
hơn.