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


MỤC LỤC
DANH MỤC KÍ HIỆU......................................................................................................... iii

2.1
2.2

Lựa chọn phương án xây dựng mô hình hệ thống phanh thu năng thủy lực ........ 17
Xây dựng mô hình hệ thống thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom chở

rác loại 2,5 tấn..................................................................................................................
23
2.2.1

Cấu hình hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom rác

2,5 tấn 23
2.2.2
Mô hình hóa quá trình phanh thu năng thủy lực ............................................... 27
2.2.2.1 Động lực học trong quá trình phanh xe trên đường nằm ngang........................
27
2.2.2.2 Các phần từ thủy lực trên hệ thống phanh thu năng thủy lực ...........................
31
2.3 Một số phương án tái sử dụng năng lượng động năng.......................................... 40
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
44
2.3.4

76
3.2

Khảo sát quá trình tái sử dụng năng lượng từ bình áp năng ................................. 80

3.2.1

Mô hình mô phỏng quá trình tăng tốc xe bằng chương trình Matlab - Simulink

3.2.2

81
Khảo sát quá trình tái sử dụng hỗ trợ tăng tốc xe.............................................. 81

Kết luận chương 3 ............................................................................................................... 89
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................................................... 90
4.1
4.2
90

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu........................................................................... 90
Phương pháp nghiên cứu, đối tượng thực nghiệm và phương pháp đo ................

4.2.1

Phương pháp nghiên cứu................................................................................... 90

4.2.2

Đối tượng thực nghiệm ..................................................................................... 90

PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 114
Phụ lục 1.
Phụ lục 2.

Thông số kỹ thuật ô tô khảo sát ............................................................... 114
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.
Phụ lục 6.

Chương trình chạy trên phần mềm Arduino ............................................ 131
Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm ...................................................... 134


ii


DANH MỤC KÍ HIỆU
STT

Ký hiệu


Khoảng cách từ trọng tâm xe đến véc tơ phản lực Z2

5

C

Tỷ số truyền chung của cơ cấu phanh

6

d

Đường kính ống dẫn dầu

m

m
m
3

7

dp

Lưu lượng riêng của bơm thủy lực

m /vòng

8


12

Ekq

Động năng của khối rắn chuyển động quay

J

13

Ekt

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


20

g

Gia tốc trọng trường

21

H

22

hw

Khoảng cách từ trọng tâm xe đến mặt đường
Khoảng cách từ điểm đặt lực cản không khí Pw đến

23
24

itrp
ih

Tỷ số truyền từ trục bơm đến trục bánh xe
Tỷ số truyền của hộp số sàn

25

io



mặt đường

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


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
41

mht
Pw

Khối lượng tăng thêm do hệ thống phanh

46

Pr2
Pp

Lực cản lăn ở các bánh sau xe
Lực phanh tổng cộng tại các bánh xe chủ động

N
N

47

Pp1

Lực phanh cơ khí đặt ở bánh trước

N

48

Pp2

Lực phanh cơ khí đặt ở bánh sau

N

49

Ppp


54

pcv

55

pcrm

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

N/m2

56

pcvm

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

N/m2

57

pg

Áp suất khí trong quá trình làm việc

N/m2

58


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
N/m2
N/m2

N
N


63

Vao

Thể tích khí nạp

m3

64

Vgo

Thể tích làm việc ban đầu của khí


m/s

69

vt

Vận tốc xe ở thời điểm ngừng phanh t

m/s

70

bx

Tốc độ của bánh xe

1/s

71

bxoi

Tốc độ của bánh xe thứ i tương ứng vận tốc xe vo

1/s

72

m


kgm2

77

Ji

78

Jd

79



80

Vận tốc góc tại thời điểm t của chi tiết thứ i quay
quanh trục đi qua khối tâm của nó

Mô men quán tính của chi tiết thứ i quay quanh trục
đi qua khối tâm của nó
Mô men quán tính của bánh đà và các chi tiết chuyển
động quay của động cơ

1/s

kgm2
kgm2



rt

Bán kính tang trống phanh

m

85



Hệ số cản phụ thuộc vào hệ số Re

86



Độ nhớt động học của dầu

87

tph

Thời gian phanh

88



89


93

ηtcp

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

94

vp

thủy lực
Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực

95

vm

Hiệu suất thể tích của mô tơ thủy lực

96



Khối lượng riêng của dầu

97




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

kg/m3

hệ số cản phụ thuộc vào ống, phụ thuộc vào độ đồng
đều của tiết diện chảy
Vận tốc trung bình của dầu

m/s
J

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Tên gọi

1

CBED


Hydraulic Power Assist

7

HRB

Hydrostatic Regenerative Braking

8

NCS

Nghiên cứu sinh

9

MT

Manual transmission

10

PHHV

Parallel hydraulic hybrid vehicle

11

PTO


............................................................................................................................................. 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
Bảng 4. 2 Bảng các thông số cơ bản cảm biến tiệm cận ..................................................... 95
Bảng 4. 3 Quy hoạch thí nghiệm ......................................................................................... 96
Bảng 4. 4 Bảng so sánh kết quả giá trị tỉ lệ thu năng giữa mô phỏng với thực nghiệm ... 104

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Đồ thị quan hệ động năng (E) với khối lượng (m) và vận tốc (v) của một số xe cơ
giới .........................................................................................................................................
4
Hình 1. 2 Sơ đồ cơ cấu phanh ma sát loại tang trống (nguồn - [7]) ..................................... 5
Hình 1. 3 Cơ cấu phanh ma sát loại đĩa (nguồn - [8]) .......................................................... 5
Hình 1. 4 Bình tích áp năng thủy lực................................................................................... 8
Hình 1. 5 Biều đồ quan hệ năng lượng riêng và công suất riêng của các phương tiện tích
trữ năng lượng (nguồn: [21]) ................................................................................................
9
vii


Hình 1. 6 Quan hệ Công suất phanh và tần suất phanh ở một số xe cơ giới (nguồn: [27]) . 9
Hình 1. 7 Hệ thống CBED - Cumulo Brake Energy Drive (nguồn: [28]) ........................... 10
Hình 1. 8 Hệ thống CHD - Cumulo Hydrostatic Drive (nguồn [16]).................................. 11
Hình 1. 9 Parker advanced series hydraulic hybrid (nguồn: [30]) ..................................... 11


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
viii


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 2. 24 Sơ đồ trường hợp hỗ trợ cơ cấu nâng ben thủy lực........................................... 47

Hình 3. 7 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp
bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn
cấp.............................................................. 59
Hình 3. 8 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ................. 61
Hình 3. 9 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau.................. 61
Hình 3. 10 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 61
Hình 3. 11 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 62
Hình 3. 12 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 62
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

................................................................. 69
Hình 3. 28 Biểu đồ giá trị tốc độ bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng
trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg
........................................................................ 72
Hình 3. 29 Biểu đồ giá trị mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng
lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg
............................................................ 72
Hình 3. 30 Biểu đồ giá trị lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng
trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................ 73
Hình 3. 31 Biểu đồ giá trị thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng
lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg.................................................. 73

x


Hình 3. 32 Biểu đồ giá trị áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu năng trường hợp
khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................................... 73
Hình 3. 33 Biểu đồ giá trị năng lượng thu được Ea trong quá trình phanh thu năng lượng
trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................ 74
Hình 3. 34 Biểu đồ miền giá vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe vo
=30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg
........................................................... 74
Hình 3. 35 Biểu đồ giá trị gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở vo
=30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg
........................................................... 74
Hình 3. 36 Biểu đồ giá trị mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng
lượng xe ở vo =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg
............................... 75
Hình 3. 37 Biểu đồ giá trị quãng đường phanh trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở
vo =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ...................................... 75

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 3. 59 Biểu đồ quãng đường di chuyển xe trường hợp pga khác nhau ......................... 86
Hình 3. 60 Biểu đồ áp suất bình áp năng trường hợp pga khác nhau.................................. 87
Hình 3. 61 Biểu đồ mô men mô tơ trường hợp pga khác nhau .............................................
87
Hình 3. 62 Biểu đồ tốc độ mô tơ trường hợp pga khác nhau................................................ 87
Hình 3. 63 Biểu đồ lực kéo trường hợp pga khác nhau ........................................................ 88
Hình 3. 64 Biểu đồ thể tích dầu cung cấp cho mô tơ thủy lực trường hợp pga khác nhau .. 88
Hình 4. 1 Xe chuyên dùng thu gom chở rác 2,5 tấn làm sử dụng mô hình nghiên cứu....... 91
Hình 4. 2 Ảnh bơm bánh răng thủy lực trên xe ................................................................... 92
Hình 4. 3 Ảnh van thủy lực điều khiển ................................................................................ 92
Hình 4. 4 Ảnh thiết bị đồ hồ đo áp suất, cảm biến thủy lực và công tắc áp suất trên hệ thống
............................................................................................................................................. 92
Hình 4. 5 Ảnh thùng chứa dầu thủy lực và nguồn điện ắc quy ........................................... 92
Hình 4. 6 Ảnh bộ điều khiển sử dụng mạch Arduino Uno R3 gắn trên ca bin xe ............... 93
Hình 4. 7 Lưu đồ thuật toán điều khiển mô hình hệ thống thu năng thủy lực ..................... 94

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