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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2019


Công trình được thực hiện tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
-------------------------------

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Ngô Sỹ Lộc
2. TS. Trần Khánh Dương

Phản biện 1: ……………………………………..…….
Phản biện 2: ………………………………………..….
Phản biện 3: ……………………………………………

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án

Some
Modeling
and
ExperimentalResults. Journal of Science & Technology technical
universities, No 127B, 2018, page 57-62.
6. Luyen Van Hieu, Ngo Sy Loc, Tran Khanh Duong (2018). Studying
hydraulic regenerative braking system on the dump truck. The first
International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems
2018, page 68-73;
7. Luyen Van Hieu, Ngo Sy Loc, Tran Khanh Duong, Pham Van Hai and
Dong Minh Tuan (2018). Modeling and simulating specialized vehicle
regenerative braking system. The first International Conference on
Fluid Machinery and Automation Systems 2018, page 347-352.

3


1. MỞ ĐẦU
1.1. 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

thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm vật lý có tham khảo các kết quả
nghiên cứu ở trong nước và quốc tế.
+ Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình lý thuyết phù hợp với môi trường
Matlab-Simulink được xây dựng, các đặc tính công tác được nghiên cứu và
đánh giá.
+ Nghiên cứu thực nghiệm: Hệ thống được thiết kế, lựa chọn, chế tạo,
lắp đặt, thử nghiệm, tỉ lệ thu năng đã được đánh giá và so sánh với kết quả
nghiên cứu lý thuyết.
1.4. 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 thu năng lượng động năng trong quá trình phanh
xe chuyên dùng thu gom rác bằng hệ thống truyền động thủy lực sử dụng
bình áp năng thủy lực để tích trữ, năng lượng thu được 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.
1.5. 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

11

Phanh thu n¨ng l­îng
2

Phanh th­êng cña xe
ÐT4 (chÕ ®é off)
Hép
PTO

1

CLPTO

Ly hîp
Hép sè sµn

§éng c¬
CL

V1

Bé ®iÒu khiÓn
Arduino Uno R3

CLPTO
pacc
Br

12

Z1 Pp1
a

Z2 B

O

Pp2 Ppp

L

Hình 2. 2 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh trên đường nằm ngang

Phương trình cân bằng lực khi phanh xe trên đường nằm ngang (Hình
2.2) như sau:
Pj = Pp1 + Pp2+Ppp+ Pr1 + Pr2 + Pw+ Pη
(2.5)
6


Trong đó:
Pj - lực quán tính sinh ra trong khi phanh;
Pp1, Pp2 - lực phanh sinh ra ở bánh trước và bánh sau xe do hệ
thống phanh ma sát (Hệ thống phanh nguyên bản của xe);
Ppp - lực phanh sinh ra ở bánh xe chủ động (bánh sau xe) do hệ
thống phanh thu năng thủy lực;
Pr1, Pr2 - lực cản lăn ở các bánh trước và bánh sau;
Pη - lực cản do ma sát trong hệ thống truyền động;
Pw - lực cản không khí;
Z1, Z2 - phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe trước

E
(2.49)
  a 100%
E v
Trong đó:  - tỉ lệ thu năng.
1 k
p go Vgo  Vg 


Ea =

k -1  Vgo 

7


 1



(2.50)


pgo – áp suất làm việc ban đầu của khí [N/m2]
Vgo - thể tích làm việc ban đầu của khí tương ứng với pgo [m3]
pg - áp suất của khí nén [N/m2]
Vg - thể tích của khí khi bị nén tương ứng với pg [m3]
Ev – Độ biến thiên động năng của xe ở vận tốc phanh ban đầu vo đến
vt
Hệ thống phanh thu năng hoạt động trong trường hợp ngắt ly hợp, do đó

vo- vận tốc xe phanh ban đầu [1/s];
vt- vận tốc xe ở thời điểm ngừng phanh t [1/s];
Jbxi -mô men quán tính bánh xe thứ i [kgm2];
bxo-vận tốc góc bánh xe ở vận tốc phanh ban đầu[rad/s];
bxt-vận tốc góc bánh xe ở thời điểm dừng phanh t[rad/s];
n – số bánh xe
2.1.3. Một số phương án tái sử dụng năng lượng động năng
Năng lượng tích trữ được trong quá trình phanh thu năng có thể được tái
sử dụng hỗ trợ di chuyển hoặc phục vụ cơ cấu nâng hạ như cấu hình thể
hiện phương án hình 2.16 và Hình 2.22; Cấu hình này có thể được ứng dụng
trên dòng xe chuyên dùng tự đổ sử dụng thu gom rác và các xe chuyên dùng
có tính năng tương đương.

8


13

12

1
pacc
6
7

5

11

10


CL
CLPTO
pacc
Br
CL

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)
14

13

15

1

V2
12
S¬ ®å bµn ®¹p phanh
9

pacc
6

7

8


Hép sè sµn

§éng c¬
CL

V1
V2

Bé ®iÒu khiÓn
Arduino Uno R3

CLPTO
pacc
Br

M¹ch ®iÖn ®iÒu khiÓn

CL

Hình 2. 22 Sơ đồ hệ thống phanh thu năng thủy lực phương án thay cụm bơm
thủy lực

9


2.2 Khảo sát khả năng thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy
lực bằng chương Matlab - Simulink trên xe chuyên dùng 2,5 tấn.
2.2.1. Kết quả trường hợp phanh khẩn cấp và phanh bằng hệ thống phanh
thu năng thủy lực


- Trong trường hợp nếu xe hoạt động được trong điều kiện đảm bảo, ta
có thể phanh hãm xe hoàn toàn bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực khi
đó năng lượng thu được lên đến Ea = 18429 (J) tỉ lệ thu năng tăng cao đạt
đến mức  = 27,25%.
2.2.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của áp suất làm việc ban đầu khác nhau
pgo

Hình 3. 8 Biểu đồ vận tốc xe trong
quá trình phanh trường hợp pgo khác
nhau

Hình 3. 15 Biểu đồ áp suất bình áp
năng trong quá trình phanh trường
hợp pgo khác nhau

Với áp suất làm việc ban đầu của bình áp năng, với áp suất càng tăng thì
thời gian dừng xe tph cành nhanh (tph = 16,78; 13,8; 11,7; 10,2 s), tỉ lệ thu
năng α càng tăng lên (.
2.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của vận tốc phanh ban đầu khác nhau

Hình 3. 3 Biểu đồ vận tốc xe trong
quá trình phanh thu năng ở các
trường hợp vận tốc phanh ban đầu
khác nhau theo các tay số

Hình 3. 4 Biểu đồ áp suất bình áp
năng trong quá trình phanh thu ở các
trường hợp vận tốc phanh ban đầu
khác nhau theo các tay số


năng trong quá trình phanh thu năng
lượng lưu lượng riêng dp khác nhau

Hình 3. 7 Biểu đồ vận tốc xe trong
quá trình phanh thu năng lượng xe
lưu lượng riêng dp khác nhau

12


Từ kết quả nghiên cứu quá trình phanh thu năng lượng động năng từ vận
tốc ban đầu phanh vo=30km/h, Ev =91937(J) trên xe mô hình để ở tay số
3, cùng áp suất bình áp năng thủy khí đặt ở 85(bar), nghiên cứu quá trình
phanh ở 3 trường hợp: dp=8.4cc/rev; 14cc/rev; 25cc/rev; ta nhận thấy, lưu
lượng riêng của bơm thủy lực càng lớn năng lượng thu được càng tăng (Ea
= 20059; 25066; 33265(J), tỉ lệ thu năng α = 21,8%; 27,3%; 36,2%).
2.3 Khảo sát quá trình tái sử dụng năng lượng từ bình áp năng
2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng mô tơ thủy lực dm
Trong nghiên cứu này, ta sử dụng kết quả thu năng trong một lần phanh
ở tốc độ 30km/h, ở tay số 3, áp suất làm việc ban đầu pgo =85bar, kết quả
thu được áp suất pmax = 101,05 bar, với số liệu này ta sẽ đánh giá khả năng
tăng tốc xe khi hoạt động tái sử dụng năng lượng từ mức áp suất pmax =
101,05 bar giảm về đến áp suất dừng hoạt động hệ thống pstop= pgo =85bar.

Hình 3. 91 Biểu đồ quãng đường di
chuyển xe trường hợp dm khác nhau

Hình 3. 89 Biểu đồ vận tốc xe
trường hợp dm khác nhau


2.4 Nghiên cứu thực nghiệm
2.4.1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu
 Mục đích thực nghiệm
Trong nghiên cứu của luận án, chương 4 cần đạt được mục tiêu sau:
Đánh giá tính khả thi của mô hình đề xuất, đồng thời kiểm chứng mô hình
lý thuyết đã được nghiên cứu ở chương 2, 3 của luận án.
 Phạm vi thực nghiệm

14


Thí nghiệm đo các thông số cơ bản là áp suất bình áp năng thủy lực và
vận tốc xe trong quá trình phanh từ vận tốc phanh ban đầu vo đến khi dừng
xe theo các trường hợp:
- Thay đổi áp suất làm việc ban đầu của bình áp năng thủy lực;
- Thay đổi vận tốc xe theo các tay số tương ứng;
- Thay đổi khối lượng xe khác nhau.
2.4.2 Đối tượng thực nghiệm và phương pháp đo
2.4.2.1 Đối tượng thực nghiệm
Đối tượng xe ô tô chuyên dụng thu gom rác loại 2,5 tấn
Từ kết quả khảo sát ở chương 3, các thiết bị trên hệ thống phanh thu
năng lượng đã được lựa chọn phù hợp với mô hình xe thực nghiệm.

Hình 4. 2 Ảnh bơm bánh
răng thủy lực trên xe

Hình 4. 3 Ảnh van thủy lực điều
khiển

Hình 4. 4 Ảnh thiết bị đồ hồ đo áp suất, cảm biến thủy lực và công tắc áp suất


§óng

Sai
Pacc < Pmax?

§óng
Göi tÝn hiÖu ®Õn V1

KÕt thóc

Hình 4. 6 Ảnh bộ điều khiển sử dụng mạch
Arduino Uno R3 gắn trên ca bin xe

Hình 4. 7 Lưu đồ thuật toán
điều khiển mô hình hệ thống
thu năng thủy lực

2.4.2.2 Phương pháp đo
Thông số cơ bản trong quá trình đo là áp suất bình áp năng thủy lực
và vận tốc xe được đã được xây dựng.
 Đo vận tốc xe
16


Để đo vận tốc xe trong quá trình phanh xe, luận án đã xây dựng hệ thống
đo có dạng như sơ đồ như Hình 4.8;

Hình 4. 8 Sơ đồ cấu trúc đo vận tốc xe trên mô hình thí nghiệm xe chuyên
dùng

nghiệm xe chuyên dùng

2.5 Kết quả thực nghiệm
Kết quả giá trị đo được là giá trị áp suất bình áp năng thủy khí (giá trị
tín hiệu đo) là bar, giá trị tín hiệu đo vận tốc xe trong quá trình phanh thu
năng lượng động năng là km/h và trục thời gian là giây, trên cơ sở quy
hoạch thực nghiệm ta có được kết quả thí nghiệm:
2.5.1 Kết quả thực nghiệm 1: Thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất làm
việc ban đầu đến quá trình phanh thu năng lượng động năng
40

Vận tốc (km/h)

35
30

Test, pgo=75bar

25

Test, pgo=85bar

20

Test, pgo=95bar

15
10
5
1

phanh trung bình 0,56 (m/s2);
Trường hợp 3: ở mức áp suất pgo= 95 bar, thời gian phanh là 14s, gia tốc
phanh trung bình là 0,60 (m/s2);
120

100

Áp suất (bar)

80

60
Thực nghiệm, pgo=95bar
Thực nghiệm, pgo=85bar

40

Thực nghiệm, pgo=75bar
20
Thời gian (s)
0

1

2

3

4


lượng với mức pgo khác nhau.

19


Năng lượng(J)

100000
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0

Thực nghiệm,
pgo=75bar
91,937

Thực nghiệm,
pgo=85bar
91,937

Thực nghiệm,
pgo=95bar
91,937

22809(J) đạt tỉ lệ 24.81%;
Trường hợp 3: ở áp suất pgo=95 bar, áp suất thu được lớn nhất là
111.26(bar), thể tích dầu thủy lực thu được 2,14(lít), năng lượng thu được
23408(J) đạt tỉ lệ 25.46%;
2.5.2 Kết quả thực nghiệm 2: Thực nghiệm phanh thu năng lượng xe
theo vận tốc ban đầu phanh khác nhau theo tay số tương ứng.

20


Áp suất bình áp năng (bar)

140
120
100
80

Test, No 1 (Vo = 7.5 km/h, pgo = 85bar)
Test, No 2 (Vo = 15 km/h, pgo = 85bar)

60
40
20

Test, No 3 (Vo = 30 km/h, pgo = 85bar)
Test, No 4 (Vo = 50 km/h, pgo = 85bar)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

Thời gian(s)


6.00

5.17

5.00
4.00

2.33

3.00
2.00

0.23

1.00

0.83

Test, No 1 (Vo = 7.5 Test, No 2 (Vo = 15 Test, No 3 (Vo = 30 Test, No 4 (Vo = 50
km/h, pgo = 85bar) km/h, pgo = 85bar) km/h, pgo = 85bar) km/h, pgo = 85bar)

Hình 4. 1 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.
300000

Năng lượng (J)

250000
200000

22809
24.81

Test, No 4
(Vo = 50
km/h, pgo =
85bar)
255380
62957
24.65

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.

Từ một số kết quả tổng hợp ở thí nghiệm 2 được thể hiện thông qua biểu
đồ Hình 4.15; 4.16; 4.17 và 4.18 đã chỉ ra được khả năng thu hồi năng lượng
của mô hình hệ thống phanh thu năng lượng động năng ở các tay số theo
tốc độ tương ứng:
Trường hợp xe đi với tay số 1, vận tốc phanh ban đầu vo=7.5km/h, năng
lượng động năng Ev=5746(J), thời gian phanh khoảng tph= 2(s), gia tốc
phanh trung bình avtb=1.04(m/s2), dầu thủy lực thu được được Vf=0.00023
m3(0,23 lit), áp suất tăng lên đến pg =86,3 (bar), năng lượng thu được Eamax
= 1982(J), đạt tỉ lệ thu α = 34.5%;
22


Trường hợp xe đi với tay số 2 và vo=15km/h, năng lượng động năng
Ev=22984(J) thời gian phanh khoảng tph= 6(s), gia tốc phanh trung bình
avtb=0.64(m/s2), dầu thủy lực tích được Vf=0.00083 m3(0,83 lít), áp suất
tăng lên đến pg =89.75 (bar), năng lượng thu được Eamax = 7298(J), đạt tỉ lệ

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16
Thời gian (s)

Hình 4. 18 Biểu vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng ở
trường hợp khối lượng khác nhau
23


Áp suất (bar)

115
105
95
85


Thời gian (s)
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.
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
-

Test, No 3, pgo=85bar, Vo = 30 Test, No 3, pgo=85bar, Vo = 30
km/h, m = 1800 kg
km/h, m = 2400 kg
Thể tích dầu thủy lực Vf (lit)
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
Năng lượng (J)

100,000
90,000
80,000
70,000
60,000
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
-


Đối với khối lượng xe m = 1800 kg, thời gian phanh từ vận tốc
vo=30km/h xe có năng lượng động năng 71103(J) đến khi xe dừng lại
khoảng tph=13(s), gia tốc trung bình avtb=0.64(m/s2), bình tích năng thu được
Vf = 2,0 lit; áp suất tăng từ 85bar lên đến 97.3bar, năng lượng thu được
19120(J), đạt tỉ lệ α=26.89%.
Đối với khối lượng xe m = 2400 kg, thời gian phanh từ vận tốc
vo=30km/h có năng lượng động năng 91937(J) đến khi xe dừng lại khoảng
tph=15(s), gia tốc trung bình avtb=0.56(m/s2), bình tích năng thu được Vf =
2,33 lit; áp suất tăng từ 85bar lên đến 99.63bar, năng lượng thu được
22809(J), đạt tỉ lệ α=24.81%.
2.6 So sánh kết quả thử nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng
Để kiểm chứng mô hình nghiên cứu, luận án đã kiểm chứng sử dụng kết
quả nghiên cứu từ mô hình mô phỏng ở chương 3 tính toán theo điều kiện
thực nghiệm với kết quả từ nghiên cứu thực nghiệm, thông số so sánh là tỉ
lệ thu năng ở các tay số 1, 2, 3 và 4
Bảng 4. 4 Bảng so sánh kết quả giá trị tỉ lệ thu năng giữa mô phỏng với
thực nghiệm
Tỉ lệ thu năng α (%)
(sai lệch
Các trường hợp
Mô hình
%)
Thực nghiệm
lý thuyết
Tay số 1, pgo =85bar,
33
34.5
4.35
vo =7.5km/h