Mô hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nông nghiệp

Vietnam J. Agri. Sci. 2020, Vol. 18, No. 5: 360-366 Tạp chí Khoa học Nông nghiệp Việt Nam 2020, 18(5): 360-366 
www.vnua.edu.vn 
360 
MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM HỘP SỐ PHÂN NHÁNH CÔNG SUẤT 
DÙNG CHO MÁY KÉO NÔNG NGHIỆP 
Phạm Duy Súy1*, Hàn Trung Dũng2, Trịnh Minh Hoàng3, Bùi Hải Triều4 
1
Trung tâm Phát triển Công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 
2
Học viện Nông nghiệp Việt Nam 
3Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 
4Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải 
*Tác giả liên hệ: pdsuy@ctdas.vast.vn 
Ngày nhận bài: 20.03.2020 Ngày chấp nhận đăng: 12.05.2020 
TÓM TẮT 
Do ưu điểm là điều khiển vô cấp với hiệu suất cao, hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh cho thấy khả năng 
ứng dụng trên máy kéo nông nghiệp. Điều này cũng được thể hiện trong một số kết quả nghiên cứu lý thuyết. Tuy 
nhiên, cần thiết phải có những thử nghiệm thực tế để đánh giá cấu hình hộp số về nguyên lý hoạt động và các tính 
chất động lực học cho mục tiêu thiết kế sau này. Mục tiêu của bài báo là giới thiệu mô hình thí nghiệm (bệ thử) hộp 
số phân nhánh công suất được xây dựng tại Bộ môn Động lực, Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Mô hình bệ thử bao 
gồm động cơ dẫn động, hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh và bộ phận tạo tải, cùng với các thiết bị đo và xử lý 
số liệu hiện đại. Mô hình có thể được sử dụng để tái hiện nguyên lý hoạt động, nghiên cứu các tính chất tĩnh học, 
động lực học của hộp số phân nhánh công suất làm cơ sở cho các chiến lược điều khiển chuyển số trong các điều 
kiện làm việc đặc trưng của máy kéo nông nghiệp. 
Từ khóa: Hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh, mô hình thí nghiệm, tỷ số truyền hộp số. 
Hydrostatic Power Split Transmission Test Band for Agricultural Tractor 
ABSTRACT 
Due to the advantages of continuously variable transmission and high efficiency, hydrostatic power-split 
transmission (HPST) shows the applicability on the agricultural tractor. This is also shown in some theoretical 
research results. However, practical tests are needed to evaluate the power-split transmission configuration for the 
operating principle and dynamics properties for the next design goal. This article introduces the experimental model 
(test band) of a HPST built at the Department of Dynamics, Vietnam National University of Agriculture. The test band 
consists of a drive motor, a HPST, load generator and modern data processing and measuring equipment. The 
model can be used to reproduce the operating principle and to study the static and dynamic properties of the HPST, 
as the basis for control strategies in working conditions of agricultural tractors. 
Keywords: Hydrostatic power-split transmission, experimental model, agricultural tractor. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Hộp số phân nhánh công suất (HSPNCS) là 
hộp số vô cấp phối hợp thủy cơ, kết nối song 
song giữa một bộ phận truyền động hành tinh 
với một bộ biến tốc thủy tĩnh (Wik & cs., 1999). 
Trên thế giới, HSPNCS đã được trang bị cho 
máy kéo nông nghiệp từ cuối thế kỷ trước và bộc 
lộ sự vượt trội so với hộp số phân cấp cơ khí 
truyền thống do tích hợp được ưu điểm của việc 
điều khiển vô cấp số vòng quay trên hộp số thủy 
tĩnh và hiệu suất tương đối cao của hộp số sang 
số dưới tải trọng (Murrenhuff & Wallentowtz, 
1998, Skirde & Gigling, 1996). Theo một số kết 
quả nghiên cứu ban đầu (Bùi Hải Triều & cs., 
2018, Phạm Duy Súy & cs., 2018), phù hợp nhất 
với máy kéo nông nghiệp đang hoạt động tại 
Việt Nam với cỡ công suất 20-30kW, là sử dụng 
Phạm Duy Súy, Hàn Trung Dũng, Trịnh Minh Hoàng, Bùi Hải Triều
361 
HSPNCS đơn giản có cấu hình CRO trên cơ sở 
một bộ phận truyền hành tinh đơn 3 trục. 
Để phục vụ cho nghiên cứu cơ bản về 
HSPNCS làm cơ sở phát triển ứng dụng cho 
máy kéo nông nghiệp cỡ vừa và nhỏ, một bệ thử 
nghiệm hộp số với hệ thống đo và xử lý tín hiệu 
hiện đại được xây dựng tại Bộ môn Động lực, 
Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Mô hình thí 
nghiệm cho phép mô tả và phân tích các tính 
chất tĩnh học, động lực học và điều khiển điển 
hình của hộp số nghiên cứu. 
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
2.1. Mô hình thí nghiệm 
Mô hình thí nghiệm được phát triển trên cơ 
sở sơ đồ kết cấu và hoạt động của HSPNCS theo 
cấu hình CRO (Hình 1). Công suất trục vào từ 
động cơ truyền đến trục dẫn C, sau đó được 
phân nhánh thành 2 dòng: dòng thứ nhất - công 
suất thủy lực được truyền qua vành răng R, bơm 
P của bộ biến tốc đến động cơ thủy lực M, dòng 
thứ hai - công suất cơ khí được truyền qua bánh 
răng mặt trời S. Hai dòng công suất hợp nhất 
tại trục ra là trục thứ cấp của hộp số nhờ cặp 
bánh răng có tỷ số truyền i2 (Bùi Hải Triều & 
cs., 2018). 
Đối với sơ đồ HSPNCS với cấu hình như 
hình 1, dưới đây là một số quan hệ động lực học: 
- Quan hệ mô men: 
S S
e S R
e S R
R R
A M S 2
e S R
M z
M M M ;
M z z
M z
; M M M i
M z z
; 
 (1) 
- Quan hệ vận tốc góc và tỷ số truyền: 
 Re S R S S R 0
S
P M P M
1 2 H G
R S M e
R
z
z z z i ;
z
V
i ; i ; i ; i
z
V
l;
  
  
  
 (2) 
Trong các công thức trên: zR, zS: số răng của 
vành răng (R) và bánh răng mặt trời (S); R, S, 
P, M là vận tốc góc trên vành răng, bánh răng 
mặt trời, trục bơm và trục ra của động cơ thủy 
lực; i1, i2 là tỷ số truyền các bộ truyền tách và 
nhập dòng công suất; VP, VM là thể tích làm việc 
của bơm (P) và động cơ (M); Mi chỉ thành phần 
mô men trên các phần tử tương ứng. 
Để thuận tiện cho việc lắp ráp, điều chỉnh 
khoảng cách trục cũng như việc lắp đặt các cảm 
biến mà vẫn thỏa mãn yêu cầu đánh giá hiệu 
suất và phân tích trạng thái động lực học và 
điều khiển của HSPNCS, các cặp bánh răng i1, 
i2 được thay thế bằng các bộ truyền xích có tỷ số 
truyền tương đương. Sơ đồ truyền động và đo 
của mô hình thí nghiệm được trình bày trên 
hình 2 bao gồm các phần tử kết cấu dưới đây: 
 - Động cơ truyền lực là động cơ diesel có 
công suất định mức 20,8kW, tương ứng số vòng 
quay 2400 vòng/phút, mô men xoắn cực đại 
95Nm đạt tại số vòng quay 1.400 vòng/phút; 
Ghi chú: C - Cần dẫn; R - Vành răng; S - Bánh răng mặt trời; i1 - Bộ truyền bánh răng phân nhánh; 
i2 - Bộ truyền bánh răng nhập dòng; P, M - Các đơn nguyên bơm/động cơ 
Hình 1. Sơ đồ HSPNCS cấu hình CRO 
Mô hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nông nghiệp 
362 
- Bộ truyền hành tinh đơn 3 trục có công 
suất danh nghĩa 30kW, tỷ số truyền cơ 
sở R
0
S
z
i 57 / 27 2,1
z
 ; 
- Bộ biến tốc thủy lực có công suất truyền 
20-30kW, các đơn nguyên bơm (P) và động cơ 
(M) điều khiển được thể tích đến thể tích cực đại 
VPmax = 33 cm
3/vòng và VMmax= 37 cm
3/vòng; 
- Bộ phân tạo tải: phanh thủy tĩnh bằng 
bơm thủy lực. 
Tải trọng thí nghiệm được tạo ra bởi một 
phanh thủy tĩnh. Bơm thủy lực tạo tải được dẫn 
động từ trục thứ cấp hộp số qua một cặp xích với 
tỷ số truyền
p
1
i
2
 . Các phương án tải trọng 
được thực hiện bằng cách phối hợp điều khiển 3 
van: VG, Vw, VDr. 
Các loại cảm biến được sử dụng trong hệ 
thống bao gồm: Cảm biến đo áp suất (C5) loại 
Huba Pressure Transmitter Type 
511.954603142, áp suất 0-400bar, 2 dây đo dòng 
4-20 mA; cảm biến đo lưu lượng (C6) loại Lake 
Flow Transmitter R-4A-6HD-50RF. Cảm biến 
đo mô men (C2) loại Kistler Torque Sensor 
Model 4502A. Các cảm biến đo số vòng quay (C1, 
C3, C4) loại E2A-M18KS08-WP-C1 2M là các 
cảm biến tiệm cận đo tần số. Các tín hiệu đo từ 
cảm biến được thu nhận bởi Card chuyển đổi 
A/D loại Ni PCI-6251, sau đó được lưu trữ vào 
máy tính và được xử lý trực tiếp bằng phần 
mềm DASYLab. Tất cả các thiết bị này được lắp 
đặt, chuẩn hóa, kết nối và đo ghi tại Bộ môn 
Động lực, Học viện Nông nghiệp Việt Nam. 
2.2. Nghiên cứu thực nghiệm 
- Việc xác định chính xác hiệu suất của hộp 
số cần thiết được thực hiện trong phòng thí 
nghiệm bằng cách đo trực tiếp hao tổn công suất 
hoặc đánh giá gián tiếp từ giá trị công suất đầu 
ra so với đầu vào của hộp số (Heribert, 1990; 
Thiel, 1983). Đối với các hệ thống có hiệu suất 
cao (≥95%), phương pháp đo trực tiếp hao tổn 
công suất có ưu thế hơn do việc đo sai lệch tương 
đối giữa công suất vào - ra của phương pháp 
đánh giá công suất sẽ rất khó chính xác, cũng 
như yêu cầu độ chính xác của kỹ thuật đo rất 
cao. Tuy nhiên, tại vùng hiệu suất từ (78-93%) 
sai số tương đối của cả hai phương pháp không 
chênh lệch nhiều (Heribert, 1990). Do đó, đối với 
hộp số HSPNCS, có hiệu suất dự kiến (80-90%) 
việc xác định hiệu suất được lựa chọn theo 
phương pháp đánh giá công suất đầu vào - ra. 
Trên sơ đồ hình 2, công suất vào được xác định 
nhờ 2 cảm biến số vòng quay C1 và cảm biến mô 
men C2 trên trục sơ cấp. Công suất ra được xác 
định nhờ 3 cảm biến: cảm biến số vòng quay C4, 
cảm biến áp suất C5 và cảm biến lưu lượng C6 là 
công suất thủy lực và quy dẫn đến trục thứ cấp 
của HSPNCS. 
- Phân tích động lực học và điều khiển của 
HSPNCS: Các trạng thái động lực học và điều 
khiển của HSPNCS xuất hiện nhờ quá trình phối 
hợp điều khiển giữa động cơ diesel (thay đổi tay 
ga), HSPNCS (thay đổi VP, VM bằng cách thay đổi 
góc nghiêng của đĩa phản ứng trong bơm và động 
cơ thủy lực) và thay đổi tải (điều khiển các van 
thủy lực VG, Vw, VDr). Do đó, cấu hình thí nghiệm 
có thể phân tích một số tính chất động lực học 
điển hình của hộp số máy kéo như: Khởi hành, 
sang số, tăng giảm ga và tăng giảm tải trọng. 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Mô hình thí nghiệm HSPNCS được thiết kế, 
chế tạo và lắp đặt tại phòng thí nghiệm của Bộ 
môn Động lực, Học viện Nông nghiệp Việt Nam. 
Ảnh chụp hệ thống thiết bị thí nghiệm được 
trình bày trên hình 3. 
Mô hình thí nghiệm đã được chạy thử ổn 
định và thực hiện các phương án theo mục tiêu 
nghiên cứu thực nghiệm. Trong khuôn khổ của 
bài báo, tác giả chỉ giới thiệu một số kết quả thử 
nghiệm mô hình để đánh giá khả năng tạo tải, 
khả năng tái hiện, đo và phân tích một số trạng 
thái hoạt động điển hình của HSPNCS trong 
phòng thí nghiệm. 
3.1. Thí nghiệm thay đổi tỷ số truyền 
Trong thí nghiệm, động cơ hoạt động theo 
đặc tính ngoài (ga cực đại), tải trọng được giữ ở 
một giá trị xác định (Vw ở vị trí khóa, điều chỉnh 
VDr đến mức tải thí nghiệm), đặt VM tại vị trí 
max, tiến hành điều chỉnh VPđến vị trí max để 
thay đổi tỷ số truyền HSPNCS. Sau đó giữ VP 
tại vị trí max, giảm VM để tiếp tục có được các tỷ 
số truyền lớn hơn. Quy trình điều khiển này 
được mô tả trên hình 4. 
Phạm Duy Súy, Hàn Trung Dũng, Trịnh Minh Hoàng, Bùi Hải Triều
363 
Ghi chú: ĐC - Động cơ truyền lực; C - Cần dẫn; R - Vành răng; S - Bánh răng mặt trời;i1 - Xích phân nhánh; i2 - 
Xích nhập dòng; ip - Xích tải trọng; P, M - Các đơn nguyên bơm/động cơ; C1, C3, C4 - Các cảm biến số vòng quay; 
C2 - Cảm biến mô men; C5,C6 - Cảm biến áp suất và lưu lượng gây tải; VG - Van giới hạn áp suất; Vw - Van phân 
phối đóng ngắt; VDr - Van tiết lưu. 
Hình 2. Sơ đồ truyền động, điều khiển đo thí nghiệm HSPNCS 
Hình 3. Bệ thử công suất để thí nghiệm HSPNCS 
Hình 4. Quy trình điều khiển tỷ số truyền bằng thay đổi các thể tích VP, VM 
Mô hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nông nghiệp 
364 
Hình 5. Kết quả thí nghiệm thay đổi tỷ số truyền 
Hình 5 mô tả các quá trình tín hiệu từ các 
cảm biến C1 đến C6. Các quá trình tín hiệu từ 
cảm biến ít nhiễu, biến đổi phù hợp theo sự thay 
đổi VP, đáp ứng tốt với tín hiệu điều khiển. 
3.2. Thí nghiệm thay đổi tải trọng 
Trong thí nghiệm, động cơ vẫn hoạt động 
theo đặc tính ngoài, điều khiển VP, VM để có một 
tỷ số truyền xác định, tải trọng thay đổi chậm 
(đường chấm đỏ) bằng cách thay đổi Vw ở vị trí 
khóa và xoay vị trí van tiết lưu VDr . Nếu muốn 
thay đổi tải nhanh (đường liền xanh) thì cần cố 
định vị trí VDr ở một mức độ tải và chuyển mạch 
Vw từ vị trí lưu thông đến vị trí khóa (tăng tải) 
và ngược lại (giảm tải). Phản ứng của các tín 
hiệu cảm biến được trình bày trên hình 6. 
Nhận xét: Khi thay đổi tải bằng cách thay 
đổi vị trí van tiết lưu, quá trình tín hiệu từ các 
cảm biến biến đổi phù hợp. Các tín hiệu mô men 
trục sơ cấp (cảm biến C2), số vòng quay trục sơ 
cấp (cảm biến C1) đáp ứng tốt với sự thay đổi từ 
cảm biến áp suất (C5) và cảm biến số vòng quay 
trục thứ cấp (C4) phù hợp với khi biến đổi qua tỷ 
số truyền của HSPNCS. 
Phạm Duy Súy, Hàn Trung Dũng, Trịnh Minh Hoàng, Bùi Hải Triều
365 
Hình 6. Kết quả thí nghiệm thay đổi tải trọng HSPNCS 
3.3. Thí nghiệm đánh giá công thức tỷ số 
truyền HSPNCS 
Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá hệ 
thống thí nghiệm về khả năng tái hiện nguyên 
lý làm việc của HSPNCS, tái hiện cấu hình CRO 
và khả năng đáp ứng các yêu cầu theo mục tiêu 
nghiên cứu thực nghiệm. 
Theo nguyên lý kết cấu của HSPNCS có cấu 
hình CRO, tỷ số truyền của hộp số (iG) được xác 
định từ tỷ số truyền biến tốc thủy lực (iH) theo 
công thức: 
 H 0M
G
e 0 1 2 H
i 1 i
i
i i i i
 
 
 (3) 
Trong đó: 
0 1 2
P
3 H
M
p
57 18 14
i ;i ;i ;
27 14 1
4
i
2
V2
i ;i
12 V
 (4)
Mô hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nông nghiệp 
366 
Bảng 1. Kết quả thí nghiệm xác định tỷ số truyền 
VP (cm
3
/vg) VM (cm
3
/vg) iH iGLT iGTN RMS của sai số tương đối (%) 
0,5×VPmax VMmax 0,4459 0,4289 0,4292 1,09 
VPmax VMmax 0,8919 0,7390 0,7392 1,17 
VPmax 0,5×VMmax 1,7838 1,1573 1,1565 1,16 
Hình 7. Kết quả so sánh kết quả thí nghiệm với công thức lý thuyết 
Việc đánh giá so sánh kết quả thí nghiệm 
với công thức lý thuyết được thực hiện theo bảng 
1, trong đó VPmax = 33 cm
3/vòng, VMmax = 37 
cm3/vòng, kết quả thí nghiệm là giá trị trung 
bình của các lần đo. Kết quả so sánh tổng hợp 
được trình bày trên đồ thị hình 7. Từ các kết 
quả cho thấy, các giá trị thí nghiệm không sai 
lệch nhiều so với công thức lý thuyết, thể hiện 
khả năng tái hiện nguyên lý làm việc của 
HSPNCS và đáp ứng được các yêu cầu theo mục 
tiêu nghiên cứu thực nghiệm. Thực tế khi thí 
nghiệm với VM tiến gần tới 0 giá trị iG cũng tiến 
gần đến giá trị cực đại Gmax 0 2i 1 i / i . 
4. KẾT LUẬN 
Mô hình thí nghiệm hoạt động ổn định, có 
khả năng thực hiện các thí nghiệm theo yêu cầu 
để phân tích tĩnh học và động lực học của 
HSPNCS. Nhờ kết nối trực tiếp các tín hiệu cảm 
biến trong phần mềm DASYLAB, có thể xác 
định hiệu suất hộp số phụ thuộc điểm làm việc 
trên đặc tính động cơ cũng như phụ thuộc tỷ số 
truyền của HSPNCS. Các tính chất động lực học 
và điều khiển cũng có thể được phân tích trong 
thí nghiệm, thí dụ quá trình biến thiên của tải 
trọng, quá trình khởi hành, sang số hoặc tăng 
giảm ga của động cơ truyền lực. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Wik D., Strohl H. & Gebhandt N. (1999). Hydraulik - 
Grandlagen, Komponenten, Schaltungen. Springer 
- Verlag Berlin. 
Murrenhuff H. & Wallentowtz H. (1998). Fluidtechnik 
fiir mobile Anendungen. RWTH Aachen. 
Skirde E. & Gigling M. (1996). VDI/MEG Koloqium 
Agrartechnik, Mobilhydraulik. Braunschwelge. 
Bùi Hải Triều, Trịnh Minh Hoàng, Phạm Duy Súy & 
Chu Văn Huỳnh (2018). Truyền động phân nhánh 
công suất thủy tĩnh cho máy kéo nông nghiệp. Tạp 
chí Cơ khí Việt Nam. 5: 101-105. 
Phạm Duy Súy, Trịnh Minh Hoàng & Bùi Hải Triều 
(2018). Hiệu suất truyền động của hộp số phân 
nhánh công suất thủy tĩnh. Tạp chí Cơ khí Việt 
Nam. 6: 36-43. 
Heribert R. (1990). Verluste und wirkungsgrade bei 
Trakrogetriebe. VDI Verlag. 
Thiel E. (1983). Messung der Verlustleistung von 
Kraftfahrzeug - Schalt - Und Achsgetrieben. Dis. 
Uni. Stuttgart.