Luận án Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh

+ Phƣơng pháp mô hình hóa toán học kết hợp với mô phỏng số là phƣơng pháp nghiên cứu hiện đại, phù hợp với các hệ thống động lực phức tạp và phi tuyến. Mô tả toán học trên cơ sở phân tích lý thuyết và thực nghiệm cùng với việc mô phỏng số trên phần mên Matlab-simulink là phƣơng pháp chủ đạo của luận án. Phƣơng pháp này đảm bảo độ tin cậy, mặt khác giảm thời gian, chi phí nghiên cứu và cho phép khảo sát các phƣơng án đa dạng. + Các phƣơng pháp đo, thu nhận, xử lý và điều khiển.. sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm hiện đại, đảm bảo chính xác và phù hợp với mục tiêu thí nghiệm trong luận án. + Dựa vào các phƣơng pháp đo và xử lý gia công số liệu thí nghiệm để xác định các thông số, quan hệ của mô tả toán học là cần thiết giúp cho mô hình đơn giản và sát với hệ thống thực. 5 10 15 21Mpa N.m 35 25 15 5 2 0 n=2200 vòng/phút 48 Chƣơng 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY KÉO BỐN BÁNH VỚI HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC VÔ CẤP PHÂN TẦNG 3.1. Phác thảo sơ đồ truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh Máy kéo nhỏ trong sản xuất nông nghiệp là nguồn động lực liên hợp với máy nông nghiệp để thực hiện canh tác. Nếu liên hợp máy (LHM) kéo chỉ tạo ra lực kéo ở móc thì hệ thống truyền lực là không phân nhánh (hình 3.1a). Ngƣợc lại dòng công suất một phần tạo ra lực kéo ở móc và một phần truyền cho các bộ phận làm việc của máy nông nghiệp (MNN) thì hệ thống truyền lực của máy kéo là phân nhánh (hình 3.1b). a. b. Hình 3.1. Sơ đồ truyền công suất của LHM kéo nhỏ a. truyền lực không phân nhánh. b. truyền lực có phân nhánh. Dòng năng lƣợng từ động cơ (ĐC- Me,ωe) đƣợc biến đổi qua truyền động đai thành Mđ và ωđ, qua li hợp (LH) thành Mlh và ωlh, sau đó qua hộp số (HS – Mhs, ωhs) đến các bánh xe chủ động (DĐ). Tại đây có sự biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của máy kéo, đồng thời tạo ra lực kéo PK. Máy nông nghiệp nhận lực kéo PK thực hiện các công việc nông nghiệp, tác động trở lại của MNN vào hệ thống đƣợc đặc trƣng bởi lực cản kéo PC. Do đặc điểm hoạt động canh tác và vận chuyển khác nhau, sự thay đổi của lực cản và vận tốc chuyển động của máy kéo đƣợc phân tầng rõ rệt. Hình 1.20 ĐC CVT LH HS DĐ MK Me ωe Mđ ωđ Mlh ωlh ωhs Mhs v PK MNN MC MX ωX ωC ĐC CVT LH HS DĐ MNN MK Me ωe Mđ ωđ Mlh ωlh ωhs Mhs PK v PC 49 giới thiệu sơ đồ truyền lực vô cấp phân tầng cho máy kéo nhỏ bốn bánh đáp ứng đặc điểm thay đổi tải trọng khi cánh tác và vận chuyển. Hệ thống truyền lực trên hình 1.20 có thể sử dụng cho các máy kéo có công suất động cơ từ 9 kW đến 20 kW ( Bui, 2007). Công suất động cơ đƣợc truyền qua bộ biến tốc đai thang bản rộng điều khiển đƣợc tỷ số truyền (từ 0,4 đến 2,5), qua li hợp ma sát đơn đến hộp số bánh răng hai cấp. Hộp số có hai số tiến và một số lùi. Với hai tầng số máy kéo có thể chuyển động với vận tốc từ 1,5 đến 12,5 km/h khi làm việc trên đồng và 4 đến 22,75 km/h khi vận chuyển trên đƣờng. 3.2. Xây dựng mô hình các hệ thống thành phần 3.2.1. Mô hình động cơ máy kéo Động cơ tạo ra nguồn năng lƣợng cơ học đặc trƣng bởi mô men quay Me và tốc độ góc ωe. Năng lƣợng đó đƣợc tạo ra từ quá trình cháy hỗn hợp nhiện liệu và đƣợc điều khiển bằng tay thƣớc nhiên liệu (đặc trƣng bởi hàm ga). Luận án tập trung nghiên cứu tính chất hoạt động và điều khiển của máy kéo, do đó động cơ đƣợc nhìn theo ý nghĩa là một nguồn động lực đáp ứng yêu cầu năng lƣợng khi hoạt động với tải trọng khác nhau trong nông nghiệp. Trong nhiều nghiên cứu về động lực học và điều khiển máy, mô hình phần tử động cơ đƣợc xây dựng trên cơ sở đặc tính thực nghiệm. Đặc tính động cơ mô tả quan hệ tĩnh học giữa mô men quay và số vòng quay với các mức ga (vị trí tay thƣớc nhiện liệu) khác nhau hoặc chỉ mô tả quan hệ này tại mức ga cực đại, còn gọi là đặc tính ngoài. Khi máy kéo làm việc trên đồng ruộng, động cơ máy kéo thƣờng làm việc trên đƣờng đặc tính ngoài, nên đặc tính ngoài đƣợc sử dụng để mô tả hoạt động của động cơ đáp ứng yêu cầu về tải trọng của máy kéo. Hình 3.3 giới thiệu đƣờng đặc tính tốc độ ngoài của động cơ diesel D12, bao gồm các mối quan hệ công suất, mô men và chi phí nhiên liệu theo tốc độ quay của động cơ ứng với vị trí ga cực đại. Trên đƣờng đặc tính, quan hệ giữa mô men và tốc độ thể hiện qua hai nhánh: quá tải (đƣờng cong) và tự điều chỉnh (đƣờng thẳng). Với mục đích nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển bộ truyền động đai vô cấp, trong mô hình nghiên cứu chỉ xem xét động cơ làm việc trên nhánh tự điều chỉnh. Việc mô tả quan hệ giữa mô men và tốc độ trong nhánh này thể hiện qua công thức: 50 NN nn nn M M    max max (3-1) hoặc: )( max max nn nn M M N N    . (3-2) Hình 3.2. Đặc tính ngoài động cơ D12 3.2.2. Mô hình truyền lực vô cấp phân tầng Truyền lực vô cấp phân tầng bao gồm: truyền lực vô cấp đai thang bản rộng điều khiển đƣợc tỷ số truyền, li hợp ma sát đơn, hộp số phân tầng (bánh răng ăn khớp ngoài có hai số tiến và một số lùi), truyền lực chính và truyền lực cuối cùng. Do mục tiêu nghiên cứu, trong mô hình mô phỏng li hợp luôn đóng và không có hiện tƣợng trƣợt, hộp số ở các vị trí số xác định, chỉ mô phỏng mô hình phần tử truyền động vô cấp. 3.2.2.1. Mô hình truyền động đai vô cấp bản rộng. Cấu trúc truyền động đai thang: Cấu trúc cơ bản của bộ truyền biến tốc đai thang bản rộng có công suất 9 kW đến 20 kW và có phạm vi điều chỉnh tỷ số truyền 1:8 (hình 3.3) bao gồm bánh đai chủ động và bánh đai bị động. Mỗi bánh đai đƣợc tạo bởi hai đĩa hình nón (một đĩa cố định, đĩa kia di chuyển trên trục nhờ mối ghép then hoa). Xi lanh thủy lực điều khiển sự di chuyển nửa di động của bánh đai chủ động. Bánh đai bị động tự lựa nhờ lực lò xo. Dải điều chỉnh tỷ số truyền của CVT là khoảng di chuyển tối thiểu và tối đa của đĩa di động của các bánh đai trên trục. Dây đai thang bản rộng sử dụng đƣợc cấu tạo từ hỗn hợp các vật liệu khác 45Nm 43 41 272g/kW.h 245 9,6 8,8 8,0 7,2 6,4 5,6 4,8 4,0 3,2 kW 8 10 12 14 16 18 20 (*100v/p) Me Ne ge MN M nN n nmax 51 nhau và có kết cấu đặc biệt đảm bảo các tính chất: độ cứng ngang cao, độ giãn dài thấp và khả năng uốn trong tốt. Hình 3.3. Bộ truyền động vô cấp đai đai thang bản rộng Tỷ số truyền: Trong quá trình hoạt động, giả thiết rằng phần của dây đai trên bánh đai là một phần của một vòng tròn, nghĩa là dây đai không bị trƣợt trên bánh đai. Chiều dài của dây đai đƣợc xác định qua công thức:  cos.2)2()2( 21 eRRL  (3-3) Trong phƣơng trình này: L - chiều dài của vành đai, R1 - bán kính hoạt động của bánh đai chủ động, R2 - bán kính hoạt động của bánh đai bị động,  là góc hợp bởi dây đai với đƣờng tâm của hai bánh đai Góc : xác định nhờ quan hệ: sin.21 eRR  (3-4) e: khoảng cách giữa hai trục sơ cấp và thứ cấp. Khoảng di chuyển đĩa di động của bánh đai chủ động và bị động đƣợc xác định: tan)(2 111 mRRx  (3-5) tan)(2 222 mRRx  (3-6) Trong đó: Rm1 và Rm2 là bán kính hoạt động tối thiểu của bánh đai sơ cấp và thứ cấp tƣơng ứng, β- góc nghiêng bánh đai. Sự khác biệt khoảng di chuyển x1 và x2 của đĩa di động bánh đai chủ động và bị động làm cho trục của dây đai bị lệch ở cả hai bánh đai. Trục chủ động Trục bị động Xi lanh thủy lực Đĩa di động Đĩa di động 52 Hai giá trị không thứ nguyên là ig và is thể hiện trạng thái của bộ biến tốc: i – tỉ lệ hình học đƣợc xác định: 2 1 R R ig  (3-7) iS – tỉ lệ tốc độ đƣợc xác định: 2 1   si (3-8) Trong đó: dt d 1 1    tốc độ quay trục sơ cấp; dt d 2 2    tốc độ quay trục thứ cấp; Trong quá trình hoạt động, dây đai luôn bị căng nhờ lực căng trƣớc. Các đĩa di động của bánh đai di chuyển đối xứng với nhau qua trục dây đai làm thay đổi đƣờng kính của các bánh đai tạo nên sự thay đổi tỷ số truyền của bộ truyền động. Trong thực tế, quá trình hoạt động của bộ truyền luôn xảy ra hiện tƣợng trƣợt nên tỷ số truyền iCVT đƣợc xác định theo công thức (3-9): gscvt iii  2 1   (3-9) Hình 3.4. Đặc trƣng hình học của CVT Lực ma sát: Ma sát đóng một vai trò rất quan trọng trong truyền động của CVT. Lực ma sát là lực chống lại sự trƣợt tƣơng đối giữa một bề mặt tiếp xúc với một bề mặt, nhƣ thể hiện trong hình 3.5. Vận tốc chuyển động tƣơng đối của các bề mặt là: xv  . Lực ma sát đƣợc nghiên cứu từ rất lâu, các công trình quan trọng là: Leonardo da Vinci (1513-1514) đã tìm ra rằng lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và Amontons (1699) đã tìm ra mối quan hệ giữa áp lực tiếp xúc và lực ma sát. Coulomb (1785) tìm thấy rằng các lực ma sát không phụ thuộc vào vận tốc tƣơng đối. e F1 F1 F2 F2 R2 R1 ω2 ω1  . ϕ β2 β1 53 Hình 3.5. Mô hình ma sát Fw- lực ma sát, Fc -lực kẹp giữ khối trên bề mặt, F -lực kéo, FN -phản lực của bề mặt Trong các truyền động nhờ ma sát thƣờng sử dụng mô hình ma sát của Coulombt, đƣợc mô tả: ,Nc FF   nếu v =0. ),(vsignFF Nc  nếu v ≠ 0 (3-10) Trong đó: µc là hệ số ma sát Coulomb Mô hình ma sát Coulomb không xác định đƣợc lực ma sát ở quá trình chuyển tiếp và gây khó khăn trong mô phỏng số khi sự sai khác tốc độ bằng không do có sự thay đổi về số lƣợng của các trạng thái trong hệ thống gây ra sự gián đoạn trong một số trƣờng hợp. Trong trƣờng hợp vận tốc trƣợt bằng không thì lực ma sát không đƣợc xác định bởi hệ số ma sát vì vậy phải xác định bằng cách khác. Hình 3.6. Đặc điểm ma sát Coulomb Liên tục hóa µ µ0 v0 v 54 Vì vậy, phải xấp xỉ mô hình ma sát Coulomb để liên tục hóa, đƣợc thể hiện trong hình 3.6. )1( 00 v v e    (3- 11) Động lực học CVT: Để xác định các thông số động lực học của bộ truyền đai CVT, giả thiết: dây đai có độ cứng uốn nhỏ nên bỏ qua lực cản uốn trong quá truyền động, coi bánh đai tuyệt đối cứng và bỏ qua lực quán tính. Một số tác giả đã nghiên cứu về vấn đề này, trong số đó Gerbert (1984) và Rooij, Schärläckens (1993) đã công bố mô hình chi tiết mô tả một truyền động đai CVT. Xét phân tố dây đai, các lực tác dụng đƣợc thể hiện trong hình 3.7. Hình 3.7. Lực tác dụng lên phân tố đai Trong hình này: fn - lực kẹp tác dụng theo hƣớng pháp tuyến lên cạnh của phân tố đai. F -lực căng trong dây đai, ft - lực kẹp tác dụng theo hƣớng tiếp tuyến, fR - lực ma sát giữa dây đai và bánh đai, γ - góc giữa hƣớng tâm của dây đai và hƣớng của lực ma sát và β -góc nghiêng của dây đai. Xét phân tố đai trong trạng thái cân bằng, ta có: 0 tF (3-12) 0 nF (3-13) Trong đó: Ft - các thành phần lực tiếp tuyến và Fn – các thành phần lực pháp tuyến. Đối với phân tố đai thể hiện trong hình 3.7, có phƣơng trình cân bằng sau: F+dF F dφ ft fR R fn fRcosγ γ β fRcosγ fn fRsinγ fRsinγ b/ chiếu mặt a/ chiếu cạnh 55 0cos.sin...2..   wtn qdRFdqdRF (3-14) 0cos...2   wt qRddFF (3-15) Từ những phƣơng trình này xác định đƣợc lực căng trong dây đai:  cos.sin..2.2 Rt fRfRF  (3-16)   cos2 RRf d dF  (3-17) Trong đó: sin.nt ff  (3-18) )(. vff nR  (3-19) Sử dụng những phƣơng trình này cùng với phƣơng trình (3-17) và (3-18) đƣợc phƣơng trình sau: )cossin(sin cos )( )(    v vF d dF   (3-20) Để giải đƣợc phƣơng trình vi phân này phải xác định đƣợc các giá trị của γ và μ cho tất cả các giá trị của φ. Nếu giả thiết rằng dây đai chạy trong một đƣờng tròn trên bánh đai, tức là không xảy ra chạy xoắn ốc, khi đó γ là bằng không. Điều này giúp đơn giản hoá các phƣơng trình vi phân. )(sin )(    vF d dF  (3-21) Khả năng truyền công suất của bộ truyền động đai biến tốc phụ thuộc vào lực ma sát giữa dây đai và bánh đai, lực ma sát đƣợc tạo ra nhờ lực ép và hệ số ma sát. Lực ép trên bánh đai chủ động hình thành từ các xi lanh thủy lực điều khiển bằng tay hoặc tự động, trên bánh đai bị động lực ép đƣợc thực hiện tự động thông qua sự thay đổi tùy động của sức nén lò xo ép bánh đai. Giá trị của các lực ép có ảnh hƣởng quyết định tới sự truyền mô men giữa các trục truyền động. Để bộ truyền đai không bị trƣợt trơn, các lực ép đƣợc tính toán sao cho mô-men ma sát lớn hơn mô – men đƣợc truyền. Tỷ số truyền đƣợc giữ cố định nhờ một trạng thái ổn định của lực ép trên bánh đai chủ động. 56 Hình 3.8. Lực dụng lên bánh đai Để xác định lực ép yêu cầu cho một trạng thái làm việc ổn định, cần phải tính toán thành phần lực tác động theo hƣớng dọc trục trên cung ôm giữa dây đai và bánh đai (hình 3.8).     0 )sincos()( dffF RNax (3-22) Mô men truyền qua đai đƣợc xác định qua lực ma sát theo phƣơng tiếp tuyến của dây đai và bánh đai.  1 0 111  drfM T (3-23)  2 0 2212  drfM T (3-24) Lực ép trên các bánh đai đƣợc xác định nhƣ sau Trên bánh đai chủ động Fax1= Fxl0 + Fxl1 3-25) Trong đó Fxl0 là lực ép ban đầu, Fxl1 là giá trị thay đổi của xi lanh 57 Fxl đƣợc xác định từ xi lanh thủy lực Fxl = A1.p1 (3-26) Trên bánh đai bị động Fax2= Flx + Fxl1 (3-27) Fxl và Fxl1 là lực ép và giá trị thay đổi của lò xo Lực ép lò xo đƣợc xác định theo công thức Flx = Flx0 + Clx xlx(i) (3-28) Trong đó Flx0 là lực ép ban đầu Clx là độ cứng của lò xo Các giá trị thay đổi của lực ép trên các bánh đai thƣờng không diễn ra đồng thời, một trong hai giá trị thay đổi này luôn bằng không (Bui, 2007). Fax1> 0 Fax2= 0 Fax2> 0 Fax1= 0 Lực ép thay đổi không chỉ tạo ra sự thay đổi động lực học tỷ số truyền mà còn đƣa đến sự khác biệt của lực ép trên các bánh đai. Sự khác biệt này chính là tỷ số giữa lực ép trên bánh đai chủ động và lực ép trên bánh đai bị động 2 1 ax ax F F  (3-29) Tỷ số lực ép giữa các bánh đai phụ thuộc vào tỷ số truyền và mô men, các giá trị của thông số này thƣờng đƣợc xác định từ thực nghiệm (Viet Duc Bui, 2007). Các giá trị của lực căng đai cũng liên quan đến lực ép trên các bánh đai 1 1 1 tan2 k F F ax   (3-30) 2 2 2 tan2 k F F ax   (3-31) k1, k2 là các hệ số phụ thuộc vào mô men và tỷ số truyền. Trong trƣờng hợp tỷ số truyền không đổi (f1 = f2), có thể xác định  2 1 2 1 ax ax F F k k (3-32) Sự thay đổi tỷ số truyền: Để biểu diễn sự thay đổi tỷ số truyền của bộ 58 truyền động đai biến tốc, có thể dựa vào các mô hình của Ide (1996), Guebeli (1993) hoặc Shafai (1995) dƣới đây. Mô hình của Ide (1996), đƣa ra một mối liên hệ giữa sự thay đổi trạng thái vào tỷ số truyền. Đó là sự phụ thuộc tuyến tính vào sự thay đổi lực ép ở trạng thái tĩnh và trạng thái động. ][)( 21 1 axax cvt i cvt FF i ik dt di    (3.33) ki và ξ phụ thuộc vào tỷ số truyền, giá trị của chúng xác định từ thực nghiệm Mô hình của Guebeli (1993) xây dựng từ phƣơng pháp biến dạng trƣợt nhớt 2 2 1 * 11 2 2 1sincos axax axaxcvt öl hcvt FF FF r ik dt di      (3-34) Φ – hệ số Guebeli; öl hk  là thông số thực nghiệm 110 rcc k vv öl h   (3-35) Trong đó ]/[7.20 smcv  và ]/1[291 scv  Shafai (1995) mô hình hóa sự thay đổi tỷ số truyền nhƣ một hệ thống khối lƣợng – giảm chấn *1111 axaxs FFxbxm   (3-36) Vì 11 xbxm   nên có thể bỏ qua thành phần lực quán tính )( 1 * 111 axax x FF b x  (3-37) Mô hình Shafai có thể biểu diễn gần đúng nhƣ sau xk axaxcvtcvt bel FFi dt di ).2(tan2 )()1( *11 2      (3-38) * 1axF xác định theo quan hệ ),,( * 201 * 1 axax FiMfF  (3-39) 59               * 2 * 1 02 1 0 ax ax dt diax ax F F F F  (3-40) * 2axF - Lực ép tức thời của lò xo; bx- hệ số giảm chấn Shafai Để tính toán mô phỏng tỷ số truyền của CVT, giá trị của ξ đƣợc xác định bằng thực nghiệm (hình 3.9). Hình 3.9. Quan hệ của ξ với tỷ số truyền Nguồn: Bui, 2007 Để sử dụng đƣờng cong ξ cho các mô phỏng, quan hệ của ξ với tỷ số truyền trong thực nghiệm đƣợc hồi quy bằng đa thức bậc hai (3-41). 0481.11172.00215.0 2)(  iii (4-41) Sự trƣợt của truyền động đai: Sự trƣợt của truyền động đai xảy ra rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Đặc tính quan trọng nhất là quan hệ giữa độ trƣợt và mô men truyền, s = f(M). Độ trƣợt đƣợc xác định theo biểu thức: 1 21 s ss v vv s   (3-42) Trong đó: vs1,vs2 - vận tốc vòng của bánh đai chủ động và bị động. Đã có nhiều công trình (Алферов, 1973; То, 1970; Gerbert, 1972; Erxleben, 1984) nghiên cứu, phân biệt và giải thích hiện tƣợng trƣợt đàn hồi và trƣợt trơn. Tùy theo giá trị mô men truyền chỉ có thể xuất hiện trƣợt đàn hồi hoặc đồng thời trƣợt đàn hồi và trƣợt trơn từng phần. Khi mô men truyền động đạt tới một giá trị tới hạn thì sẽ xẩy ra trƣợt trơn hoàn toàn, bánh đai bị động sẽ không quay nữa. Tỷ số truyền CVT (iCVT) Giá trị đo 60 Trong truyền động đai thang, độ trƣợt là tổng các độ trƣợt tiếp tuyến và độ trƣợt hƣớng kính (То, 1970; Gerbert, 1972; Erxleben, 1984). Do dịch chuyển hƣớng kính phụ thuộc vào tải trọng, nên bán kính tác động thực của bánh đai thay đổi, độ trƣợt đƣợc viết lại nhƣ sau: 1 21 .   i s   (3-43) Trong đó: ω1, ω2 – vận tốc góc bánh đai chủ động và bị động. Việc xây dựng đặc tính trƣợt của truyền động có có ý nghĩa rất quan trọng và có thể thực hiện bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết. Bằng thực nghiệm có thể mô tả đầy đủ nhất các tính chất trƣợt của bộ truyền trong các vùng tải trọng, song tính khái quát của kết quả không cao. Tác giả Viet Duc Bui (2007) đã xây dựng đƣờng đặc tính trƣợt cho bộ truyền động đai bản rộng thể hiện trên hình 3.10. Hình 3.10. Đồ thị đƣờng cong trƣợt thực nghiệm đai thang Để thuận tiện cho quá trình tính toán, đƣờng cong trƣợt đƣợc mô tả dƣới dạng hàm hồi quy: ).( max 1 max 1 dd d d d MMA M s M M ss   (3-44) Trong đó: Md - mô men truyền động; Mdmax, s1, A- các hệ số hồi quy (s1= 0,008, Mdmax= 52,424 Nm, A=10,3622). 3.2.2.2. Mô hình điều khiển tỷ số truyền động đai * Mô hình điều khiển thủy lực bằng tay: Để khảo sát sự thay đổi tỷ số truyền CVT với hệ thống thủy lực xi lanh tác động một chiều, trƣớc hết sử dụng van đóng ngắt 3/3 tác động bằng tay để điều khiển dòng dầu ra-vào xi lanh. Mô hình sử dụng van đóng ngắt điện từ đảm bảo tác động nhanh và ngăn ngừa nhiễu Thuc nghiem Tinh toan s% 5 4 3 2 1 0 10 20 30 40 50 M(Nm) 61 cơ học trong quá trình điều khiển cơ học. Mặt khác tạo cơ sở cho điều khiển tỷ số truyền CVT tự động bằng van điện từ 3/3. Sơ đồ điều khiển khiển đƣợc thể hiện trên hình 3.11. Hình 3.11. Sơ đồ điều khiển iCVT bằng tay Khi có tín hiệu điều khiển, van đóng ngắt 3/3 đƣa dòng dầu thủy lực có áp suất p và lƣu lƣợng Q đến xi lanh thủy lực. Áp lực từ piston làm di chuyển đĩa di động của bánh đai chủ động CVT tạo ra sự thay đổi tỷ số truyền. Hình 3.12 là mô hình các phần tử của hệ thống. Hình 3.12. Mô hình CVT với hệ thống điều khiển bằng van đóng ngắt điện – thủy lực + Mô hình toán học các phần tử cơ bản Nguồn cấp dầu thủy lực: Tất cả các hệ thống thủy lực đều đòi hỏi nguồn cung cấp chất lỏng áp lực. Việc lựa chọn áp suất dầu phụ thuộc vào kết cấu của xi lanh và yêu cầu của phụ tải. Chọn áp suất nguồn cung cấp lớn sẽ truyền đƣợc lực lớn, giảm diện tích piston nhƣng tăng lọt dầu và chi phí dầu tƣ cho bơm dầu cao. Ngƣợc lại, chọn áp suất dầu thấp sẽ giảm lọt dầu nhƣng để truyền lực lớn cần xi lanh có diện tích tác động lớn. Trong mô hình sử dụng nguồn thủy lực có áp suất pDQ không đổi. Van điện từ 3/3 Xi lanh thủy lực CVT p Q i F Điều khiển Nguồn T. lực Trục chủ động Trục bị động Xi lanh thủy lực Đĩa di động p F V vk sk Flx Q PDQ=const T Đĩa di động M 62 Xi lanh: Sử dụng xi lanh tác động một chiều. Phƣơng trình gia tốc chuyển động của piston: m FFF a msLX   (3-45) Trong đó: pAF . - lực đẩy của piston; FLX – là lực ép của bánh đai bị động, thỏa mãn điều kiện đai không trƣợt trong dải tỷ số truyền ứng các vị trí cân bằng của bánh đai. Do hai bánh đai có kết cấu giống nhau, nên ở trạng thái chuyển động ổn định lực ép trên bánh đai chủ động có giá trị bằng lực ép lò xo (FLX) trên bánh đai bị động. xCFFLX .0  (3-46) Fms- lực ma sát: Fms = μFLXsign(v) (3-47) Van đóng ngắt 3/3 điều khiển điện: Cấu trúc điển hình của van đóng ngắt 3/3 (hình 3.13). Hình 3.13. Cấu trúc van đóng ngắt điện từ 3/3 1-lò xo; 2- cuộn dây; 3- con trượt điều khiển Van thực hiện việc đóng ngắt dòng dầu thủy lực bằng tín hiệu điện từ điều khiển con trƣợt di chuyển, tác động trả về nhờ lực lò xo. Phƣơng trình dòng chảy thủy lực qua van: Khi cấp dầu:  ppsignppAkQ DQDQvDr  ... (3-48) Khi xả dầu: pAkQ vDr .. (3-49) Trong đó: Q- lƣu lƣợng qua van; pDQ- áp suất nguồn cung cấp; p- áp suất làm việc; Av- diện tích lƣu thông qua van; kDr- hệ số lƣu lƣợng của van. Phần tử tác động điện từ điều khiển các vị trí con trƣợt điều khiển của van 1 2 3 P T A 63 theo yêu cầu điều khiển. Sự dịch chuyển của con trƣợt điều khiển sẽ đóng, mở đƣờng dầu thủy lực tới xi lanh. Đặc tính chuyển động của con trƣợt điều khiển của van là đƣờng cong thể hiện trong hình 3.14. Hình 3.14. Đặc tính chuyển động của con trựơt van Nguồn: Yuken, 2011 Chuyển động này đƣợc chia thành ba giai đoạn bằng nhau về thời gian: t1 - thời gian trễ tác động của con trƣợt do quán tính, trễ của tín hiệu điều khiển, t2 - thời gian chuyển động với gia tốc không đổi, và t3- chuyển động với vận tốc không đổi, chuyển động trả về của con trƣợt đƣợc xem nhƣ tuyến tính. Hình 3.15. Mô hình mô phỏng điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay V Qg )( 0 KxxC  s 1 A s 1 s 1 k A xK vk Lực lò xo p V0 Lực ma sát Xi lanh Q Truyền động vô cấp + + + + A C(x0+xK ) )2(tan2 ).()1( * 21 2 xk axaxCVT ebl FFi     s 1 xK p iCVT m 1 A )(. ppsignppAk DQDQvDr  pAk vDr Q Van p pDQ + + Khuếch đại và chuyển đổi VK KVA VK KVA x xmax tmở t3 t2 t1 t 64 + Mô hình hệ thống: Trên cơ sở mô hình toán học của các phần tử, hệ thống điều khiển tỷ số truyền bằng tay đƣợc mô phỏng trên hình 3.15, các thông số của mô hình ở bảng 3.1. Bảng 3.1. Thông số mô phỏng mô hình điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay Thông số Giá trị Đơn vị Thông số Giá trị Đơn vị KAV 0.3 mm 2 /V C 20 N/mm kDr 4.10 4 )/(2 Nsmm S0 100 mm KV 4.8 [ ] m 3 kg pDQ 10 N/mm 2 k 10 Ns/mm υ 8.104 mm2 /N lk 1778 mm β 13 [o] e 513,75 mm V0 25120 mm 3 bx 0.12 mm/N + Khảo sát mô hình: Mô hình đƣợc mô phỏng bằng phần mền Matlab- Simulink. Việc khảo sát trạng thái hoạt động của hệ thống truyền lực máy kéo chủ yếu tập trung xem xét quá trình thay đổi tỷ số truyền khi có các tác động của hệ thống điều khiển và truyền động thủy lực (hình 3.16). Hình 3.16. Kết quả khảo sát mô hình điều khiển tỷ số truyền CVT bằng tay a. Hành trình mở van; b. lưu lượng vào – ra xi lanh c. áp suất trong xi lanh; d. tỷ số truyền CVT + Nhận xét: Kết quả khảo sát các trạng thái, lƣu lƣợng, áp suất thủy lực và tỷ số truyền CVT thay đổi dƣới tác động của hành trình mở van cấp và xả dầu a b c d 65 cho thấy: Khi mở van cấp dầu, lƣu lƣợng vào xi lanh thay đổi theo quan hệ )( 11 PPsignPPAKQ DQDQDr  , áp suất trong xi lanh tăng với biên độ dao động khá lớn, đạt giá trị ổn định sau 0.7 giây và 0.9 giây. Tỷ số truyền của CVT giảm dần với biên độ dao động nhỏ, đạt giá trị ổn định sau 0.5 và 0.4 giây. Khi mở van xả dầu, lƣu lƣợng ra khỏi xi lanh phụ thuộc và áp suất trong xi lanh theo quan hệ Q= 1.. PAk Dr , áp suất trong xi lanh giảm với biên độ dao động lớn, đạt giá trị ổn định sau 0.6 và 0.3 giây. Tỷ số truyền của CVT tăng với biên độ dao động nhỏ, thời gian ổn định 0.4 và 0.2 giây. Trong cả 2 trƣờng hợp khảo sát trên, tỷ số truyền của CVT thay đổi với biên độ dao động nhỏ và đạt giá trị ổn định nhanh hơn so với áp suất trong xi lanh là do có tác động giảm chấn của dây đai. Trạng thái hoạt động của bộ truyền động đai vô cấp dƣới tác động của hệ thống điều khiển và truyền động thủy lực là khá linh hoạt, ổn định và đúng quy luật, đáp ứng đƣợc các yêu cầu thay đổi về thời gian và giá trị tỷ số truyền. * Mô hình điều khiển tự động sử dụng van tùy động Nghiên cứu điều khiển và điều chỉnh sử dụng van tùy động đƣợc nhiều tác giả trên thế giới phân tích và thực hiện (Le, 1990; Double, 1989; Richard, 2005; Erxleben, 1984; Jelali and Kroll, 2003..). Trong các nghiên cứu này, van tùy động đƣợc ứng dụng điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp trong các hệ thống truyền lực, sử dụng xi lanh tác động kép đối xứng để tạo lực kẹp vào đĩa chủ động và bị động của CVT. Mô hình này ứng dụng van tùy động điều khiển xi lanh tác động hai chiều để thay đổi tỷ số truyền của CVT, sơ đồ điều khiển thể hiện trên hình 3.17 và 3.18. Hình 3.17. Sơ điều khiển tự độn