Mô hình khảo sát động lực học hệ thống truyền động thủy cơ trên máy tự hành

Vietnam J. Agri. Sci. 2019, Vol. 17, No. 4: 315-321 Tạp chí Khoa học Nông nghiệp Việt Nam 2019, 17(4): 315-321 
www.vnua.edu.vn 
315 
MÔ HÌNH KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY CƠ TRÊN MÁY TỰ HÀNH 
Đặng Đức Thuận1*, Bùi Việt Đức2, Nguyễn Ngọc Quế2 
1Đại học Công nghệ Giao thông vận tải 
2Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam 
*
Tác giả liên hệ: bvduc@vnua.edu.vn 
Ngày nhận bài: 04.05.2019 Ngày chấp nhận đăng: 17.07.2019 
TÓM TẮT 
Nghiên cứu này phát triển mô hình động lực học mô phỏng trạng thái làm việc của hệ thống truyền lực trên máy 
tự hành sử dụng hệ truyền động thủy tĩnh với hộp số cơ khí. Mô hình được xây dựng trên cơ sở các công thức, 
phương trình động lực học cho các phần tử từ động cơ đến bộ phận di động của máy tự hành hai bánh chủ động, sử 
dụng các cấu trúc dạng mô đun của phần mềm Sim-Hydraulic và Sim-Mechanic trong môi trường MATLAB/Simulink. 
Việc khảo sát mô hình được thực hiện với thông số đầu vào được xác định từ thực nghiệm trong một số điều kiện 
làm việc đặc trưng của máy tự hành. Các kết quả khảo sát được so sánh với thực nghiệm để đánh giá, kiểm chứng 
mô hình mô phỏng. 
Từ khóa: Máy tự hành đa năng, truyền động thủy lực - cơ khí, trạng thái động lực học. 
Dynamics Investigation of Hydromechanical Transmission on Self-Propelled Machine 
ABSTRACT 
This study develops the dynamic model that describe the behavior of a transmission system on self-propelled 
machine utilizing a hydrostatic transmission with a mechanical gearbox. The model is built on the basis of formulas, 
dynamic equations for elements from the engine to the wheel drive of the self-propelled machine and using the 
modular structures of Sim-Hydraulic and Sim-Mechanic software in MATLAB/Simulink environments. The model 
survey was carried out with input parameters determined from experiment in some typical operating conditions of 
self-propelled machine. The survey results are compared with experimental data to evaluate and verify the simulation 
model. 
Keywords: Self-propelled machine, hydromechanical transmission, dynamics behavior. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Hiện nay, truyền động cơ khí và thủy lực 
được ứng dụng phổ biến trong hệ thống truyền 
lực của máy tự hành đa chức năng với nhiều 
däng kết hợp khác nhau tùy thuộc vào yêu cæu và 
điều kiện sử dụng. Hộp số thủy lực - cơ khí 
(HSTC) tích hợp trong hệ thống truyền lực của 
máy tự hành có thể câi thiện các tính năng như 
mở rộng phäm vi và thay đổi vô cçp tỷ số truyền, 
giâm thiểu các hän chế của truyền động cơ khí, 
đơn giân hóa các điều kiện vận hành, nâng cao 
hiệu quâ sử dụng máy tự hành đa năng (Renius, 
2004). Tuy nhiên đåy là hình thức truyền động 
phức täp do có sự kết hợp của nhiều däng truyền 
động có tính chçt làm việc khác biệt, cæn thiết 
phâi thực hiện xây dựng mô hình động lực học hệ 
thống truyền động thủy lực cơ khí, để có thể sử 
dụng trong khâo sát mô phông träng thái, tính 
chçt hoät động, thay thế cho hệ thống máy thực 
có kết cçu và điều kiện làm việc phức täp, nhằm 
rút ngắn thời gian và giâm thiểu chi phí cho 
nghiên cứu ứng dụng phát triển hệ thống truyền 
động kết hợp thủy lực cơ khí cho nhiều loäi máy, 
thiết bị công tác có tính năng khác nhau, hình 
thành các cơ sở khoa học trong tính toán thiết kế, 
chế täo sân xuçt và khai thác sử dụng hiệu quâ 
hệ thống máy. 
Mô hình khảo sát động lực học hệ thống truyền động thủy cơ trên máy tự hành 
316 
Nội dung của bài báo chủ yếu tập trung cho 
việc khâo sát, phân tích tính chçt động lực học 
của mô hình máy tự hành sử dụng HSTC trong 
một số điều kiện làm việc đặc trưng, các kết quâ 
mô phông được so sánh kiểm chứng qua kết quâ 
đo đäc thực nghiệm nhằm xác định sai số và 
đánh giá tính đúng đắn của mô hình mô phông. 
2. MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP 
NGHIÊN CỨU 
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng để 
thực hiện các nội dung công việc gồm kết hợp 
giữa nghiên cứu lý thuyết tính toán xây dựng 
mô hình mô phông và thực nghiệm đo đäc xác 
định thông số, kiểm chứng kết quâ khâo sát mô 
hình lý thuyết. 
Mô hình động lực học hệ thống truyền lực 
máy tự hành xây dựng trên cơ sở các quan hệ vật 
lý, toán học giữa các phæn tử trong hệ thống máy 
bao gồm từ động cơ đốt trong, hệ thống truyền 
động thủy lực, hệ thống tryền động cơ khí, hệ 
thống di động, được sử dụng để khâo sát một số 
träng thái hoät động của hệ thống máy dưới tác 
động ânh hưởng của các yếu tố kết cçu và điều 
kiện sử dụng. Các phæn tử trong hệ thống máy 
được tính toán thông số kỹ thuật, lựa chọn kết 
cçu và thiết kế cçu hình như hình 2. Hộp số thủy 
cơ sử dụng giâi pháp nối tiếp giữa truyền động 
thủy lực và truyền động cơ khí có kết cçu đơn 
giân, phäm vi thay đổi tỷ số truyền lớn, linh hoät 
và có thể ứng dụng phù hợp cho việc câi tiến các 
loäi máy tự hành sử dụng hộp số cơ khí. 
Mô hình tính toán mô phông được xây dựng 
trên cơ sở các thông số kỹ thuật được tính toán, 
đo đäc của các phæn tử từ động cơ đốt trong đến 
bộ phận di động trong hệ thống truyền lực của 
xe tự hành, với các giâ thiết các chi tiết truyền 
động cơ khí như trục, bánh răng là tuyệt đối 
cứng, bô qua hao tổn do rò rî trong các phæn tử 
thủy lực và nhiệt độ dæu thủy lực không thay 
đổi trong các trường hợp khâo sát. 
Công việc tính toán khâo sát được sự trợ 
giúp của các phæn mềm Sim Hydraulic, Sim 
Mechanic trong Matlab-Simulink. 
Hình 1. Hộp số thủy lực cơ khí (HSTC) trên các loại máy kéo, máy tự hành 
Hình 2. Mô hình xe tự hành sử dụng hệ thống truyền động thủy lực cơ khí 
Đặng Đức Thuận, Bùi Việt Đức, Nguyễn Ngọc Quế 
317 
Nguồn: Đặng Đức Thuận & cs., 2017 
Hình 3. Đặc tính động cơ diesel 3T84 
+ Phæn từ động cơ: sử dụng nhiên liệu 
diesel, công suçt 30 Hp, có các đặc tính được xây 
dựng từ kết quâ đo đäc thực nghiệm. 
Động cơ đốt trong được kết nối và truyền 
động trực tiếp cho bơm dæu, với giâ thiết trục 
truyền động từ động cơ đến bơm dæu tuyệt đối 
cứng, quá trình làm việc của động cơ đốt trong 
và bơm được mô tâ theo phương trình: 
 d b b1 d ms b b1J J J d M M M M  
 ms b b p bM K sign    
+ Phæn tử bơm thủy lực: Phương trình động 
lực học của bơm thủy lực áp suçt cao được xây 
dựng dựa trên luật cân bằng khối lượng dưới đåy: 
b b b vb
Q D   
p p
p
p
D
M

+ Áp suçt dæu trong ống dẫn thủy lực: 
b f m
b
1
p Q V Q
V
 
+ Phæn tử bình tích áp: Là bộ phận có vai 
trò ổn định hoät động cho các thiết bị thừa 
hành, giâ thiết dòng chçt lông vào và ra khôi 
bình tích áp trong thời gian ngắn, không có sự 
trao đổi nhiệt của khí nén, mối quan hệ phi 
tuyến giữa áp suçt và thể tích chçt lông trong 
bình được tính toán theo công thức: 
0 0
a
0 f
p V
P
V V


p0, V0: áp suçt và thể tích ban đæu của bình 
tích áp,
f
V : lưu lượng dæu qua bình tích áp 
f i e
V Q Q 
+ Phæn tử van chặn (van một chiều): Van 
chặn được sử dụng để kiểm soát hướng chuyển 
động của chçt lông, có thể coi là yếu tố cân trở 
gây giâm áp khi chçt lông chây qua. Quan hệ áp 
suçt và lưu lượng chçt lông qua van trong 
trường hợp không có hao tổn áp suçt được xác 
định theo công thức: 
 v v v
2
Q C A p sign p
p
+ Phæn tử động cơ thủy lực: Động cơ thủy 
lực là thiết bị biến đổi năng lượng thủy lực sang 
cơ khí, động cơ thủy lực hoät động trên cơ sở 
chênh lệch áp suçt giữa bình tích áp và mäch 
thçp áp sau động cơ thủy lực. 
m m
m
m
D
Q


Mm = Dm pm 
 p = p – pr 
+ Phæn tử hộp số cơ khí: Bao gồm các bộ 
phận hộp giâm tốc, truyền lực chính, vi sai và 
truyền lực cuối cùng, tham gia vào hệ thống 
Mô hình khảo sát động lực học hệ thống truyền động thủy cơ trên máy tự hành 
318 
truyền lực với chức năng giâm tốc độ, tăng mô 
men và chuyển hướng chuyển động quay từ 
động cơ xuống bánh xe chủ động. Trong mô hình 
tính toán khâo sát, đặc trưng cho phæn tử hộp 
số cơ khí là tỷ số truyền chung cho tçt câ các 
bộ phận. 
itl = igt itlc itlcc 
+ Mô hình bánh xe 
Là thành phæn có tính chçt làm việc phức 
täp, tương tác trực tiếp với mặt nền, täo ra 
chuyển động và lực kéo của xe (Hình 5). 
Quan hệ bánh xe và mặt nền rçt phức täp, 
phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong nghiên cứu 
này sử dụng mô hình Burckhadt để tính toán 
đặc tính trượt của bánh xe khi di chuyển. 
 2 xc sx 1 3 xc 1 e c s 
Trong đó, x là hệ số trượt dọc của bánh xe; 
sx là độ trượt bánh xe; c1, c2, c3 là các tham số xác 
định từ thực nghiệm cho các tính chçt bề mặt 
tiếp xúc khác nhau của mặt nền với bánh xe. 
Trong trường hợp thực nghiệm trên đường bê 
tông khô c1 = 1,1973, c2 = 25,168, c3 = 0,5373 
(Kiencke & Nielsen, 2015). 
+ Mô hình máy tự hành 
Phương trình vi phån chuyển động của hệ 
thống máy khi di chuyển và làm việc: 
 m tl bx bx m tl x bx z rJ i J M i F r F f  
Hệ số cân lăn fr được xác định theo công thức: 
w
r
bx
e
f
r
3. KẾT QUÂ VÀ THÂO LUẬN 
Mô hình động lực học được sử dụng để khâo 
sát träng thái làm việc của hệ thống truyền 
động thủy lực - cơ khí trên máy tự hành khi 
chịu tác động của các yếu tố kết cçu và điều 
kiện làm việc. Trong trường hợp cụ thể là máy 
liên hợp với bộ phận công tác xúc lật, di chuyển 
và thực hiện công việc xúc näp tâi vật liệu cát, 
với giâ thiết máy chuyển động thẳng, tốc độ ổn 
định trước khi thực hiện công việc, bơm thủy lực 
hoät động ở chế độ cung cçp lưu lượng lớn nhçt. 
Hình thức làm việc đặc trưng cho các loäi máy 
xúc lật täo ra lực cân täi bộ phận công tác, được 
xác định bằng đo đäc thực nghiệm, có đặc tính 
theo thời gian trong hình 5. 
Hình 4. Mô hình bánh xe (Mikael Axin) 
Nguồn: Đặng Đức Thuận & cs., 2017 
Hình 5. Lực cản bộ phận công tác 
Đặng Đức Thuận, Bùi Việt Đức, Nguyễn Ngọc Quế 
319 
Hình 6. Mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực máy tự hành 
Bảng 1. Các thông số đầu vào của mô hình 
Thông số Giá trị Thông số Giá trị Thông số Giá trị 
Db (cm
3
/vg) 67 JM (kgm
2
) 875 γ 1,4 
Db1 (cm
3
/vg) 20 Jm (kgm
2
) 0,24 ρ (kg/m
3
) 900 
Dm (cm
3
/vg) 80 Jbx (kgm
2
) 1,25 υ (cSt) 18 
Jb (kgm
2
) 0,32 rbx (m) 0,6 kP (Ns/m) 550 
Jb1 (kgm
2
) 0,18  1,4e-9 km (Ns/m) 3.400 
itl 95 mmk (kg) 1.250 cv 0,65 
Hình 7. Đặc tính áp suất hệ thống truyền lực xe tự hành 
Mô hình khảo sát động lực học hệ thống truyền động thủy cơ trên máy tự hành 
320 
Trong trường hợp khâo sát hoät động của 
hệ thống truyền lực, lực cân trong quá trình di 
chuyển và thực hiện công việc xúc näp tâi được 
quy dẫn về bánh xe chủ động của máy kéo. 
Đặc tính của hệ thống truyền lực được thể 
hiện qua các thông số áp suçt, lưu lượng bơm, 
tốc độ, mô men động cơ thủy lực, gia tốc, tốc độ 
di chuyển máy, được biểu diễn theo các quan hệ 
đặc tính thay đổi theo thời gian bằng tính toán 
mô phông và đo đäc thực nghiệm. 
Kết quâ khâo sát träng thái hoät động của 
hệ thống truyền lực liên hợp máy xúc lật qua 
các thông số áp suçt, lưu lượng của hệ thống 
truyền động thủy lực và tốc độ di chuyển của hệ 
thống máy trong trường hợp xe di chuyển và 
thực hiện công việc xúc, näp tâi. Các kết quâ 
khâo sát được so sánh kiểm chứng với kết quâ 
đo đäc thực nghiệm. 
Kết quâ khâo sát träng thái hoät động của hệ 
thống truyền động thủy lực - có khí trên liên hợp 
máy xúc lật thực hiện công việc xúc näp tâi khi di 
chuyển, thể hiện trong hình 7, 8 và 9 cho thçy sự 
thay đổi theo thời gian của các thông số lưu lượng, 
áp suçt và tốc độ di chuyển của máy diễn ra đúng 
quy luật. Sai số lớn nhçt giữa mô phông và thực 
nghiệm khoâng 1,5% với thông số áp suçt, 2,5% 
với thông số lưu lượng và 4% với tốc độ di chuyển 
máy. Sự sai khác có thể được giâi thích với việc bô 
qua sự rò rî và ânh hưởng nhiệt độ của môi chçt 
truyền động trong tính toán mô phông. Tốc độ 
quay của động cơ đốt trong (Hình 10) khá ổn 
định, sự thay đổi lớn nhçt khi có tâi là 6 rad/s (tốc 
độ trung bình là 274 rad/s) cho thçy vai trò của 
truyền động thủy lực trong hộp số thủy cơ, hoät 
động như bộ phận điều hòa giúp cho động cơ có 
thể hoät động ổn định khi làm việc trong điều 
kiện tâi trọng thay đổi lớn. 
Hình 8. Đặc tính lưu lượng hệ thống truyền lực xe tự hành 
Hình 9. Tốc độ di chuyển của xe khi thực hiện công việc 
Đặng Đức Thuận, Bùi Việt Đức, Nguyễn Ngọc Quế 
321 
Hình 10. Tốc độ quay của động cơ đốt trong 
4. KẾT LUẬN 
Mô hình động lực học hệ thống truyền động 
thủy lực cơ khí trên máy tự hành được xây dựng 
trên cơ sở hệ thống máy thực, có đæy đủ các 
phæn tử từ động cơ, truyền động thủy lực, 
truyền động cơ khí, bộ phận di động, máy công 
tác với các thông số kỹ thuật được tính toán, đo 
đäc hoặc tham khâo lựa chọn từ nhà chế täo. Mô 
hình tính toán mô phông được lập trình trên cơ 
sở phæn mềm SimHydraulic và SimMechanic và 
khâo sát trong trường hợp liên hợp máy xúc lật 
thực hiện công việc xúc näp tâi khi di chuyển. 
Kết quâ khâo sát đã phân ánh đúng quy luật 
vật lý, có sai số không lớn so với kết quâ thực 
nghiệm, đã làm sáng tô thêm tính chçt làm việc 
của hệ thống truyền động thủy lực cơ khí, cho 
phép sơ bộ đánh giá mô hình được xây dựng hợp 
lý, đáp ứng được các yêu cæu tính toán mô 
phông khâo sát quá trình làm việc, có thể thay 
thế cho hệ thống máy thực trong nghiên cứu 
động lực học hệ thống tryền động thủy lực - cơ 
khí trên máy tự hành. 
TÀI LIỆU THAM KHÂO 
Renius K.Th. (2004). Hydrostatic transmission for 
mobile machines; Science portal of construction 
machine 1 (in German) 
Đặng Đức Thuận, Phạm Trọng Phước, Bùi Việt Đức, 
Đặng Tiến Hoà (2017). Nghiên cứu xác định đặc 
tính động cơ Diesel 3T84 bằng thực nghiệm qua 
trục trích công suất. Tạp chí Khoa học xây dựng. 
11(4): 42-47. 
Mikael Axin (2015). Mobile Working Hydraulic 
System Dynamics. Linköping Studies in Science 
and Technology. Dissertations No. 1697. 
Kiencke U. & Nielsen L. (2015). Automotive Control 
Systems: For Engine, Driveline, and Vehicle. 2nd 
edition, Springer-Verlag, 512p. ISBN 3-540-
23139-0.