Để tăng tính an toàn, các nhà chế tạo đã nghĩ ra cách tăng diện tích và giảm áp suất của lốp xe để tăng cường khả năng bám đường khi xe di chuyển với tốc độ cao (điển hình là ở dòng xe BMW) nhưng như vậy cần nhiều lực đánh lái hơn do tăng diện tích tiếp xúc lốp. Nếu tăng tỷ số truyền thì rõ ràng sẽ giảm được lực đánh lái nhưng khi lái xe bạn phải quay vô lăng nhiều hơn. Vậy có cách nào để vừa giảm được lực đánh lái mà không phải quay vô lăng quá nhiều. Các nhà chế tạo đã lắp thêm cho hệ thống lái các thiết bị phụ trợ gọi là hệ thống lái có trợ lực lái.
Trước đây, các hệ thống lái có trợ lực chủ yếu chỉ được lắp ở các dòng xe tải nặng nhưng ngày nay, ngay cả những dòng xe du lịch nhỏ cũng được lắp hệ thống này. Hiện có hai loại phổ biến là trợ lái thuỷ lực và trợ lái điện. Trong đó dòng xe có trợ lái thuỷ lực chiếm tỷ trọng lớn hơn. Ngoài ra chiếm một tỷ trọng nhỏ là một số loại xe trang bị hệ thống lái trợ lực phi tuyến tính PPS, trợ lái thuỷ lực – điện EHPS.
Hệ thống lái có trợ lái thuỷ lực
Trợ lái thuỷ lực
Các bộ phận chính của hệ thống lái có trợ lực gồm: bơm, van điều khiển, xilanh trợ lực, hộp cơ cấu lái (bót lái). Hệ thống lái sử dụng công suất động cơ để dẫn động cho bơm trợ lực tạo ra áp suất. Khi xoay vô lăng sẽ chuyển mạch một đường dẫn dầu tại van điều khiển. Nhờ áp suất dầu này mà píttông trong xilanh trợ lực được đẩy đi và làm quay bánh xe dẫn hướng. Do vậy, nhờ áp suất dầu thuỷ lực mà lực đánh lái vô lăng sẽ giảm đi và không phải quay tay lái quá nhiều. Do yêu cầu của hệ thống phải tuyệt đối kín nên bạn cần định kỳ kiểm tra sự rò rỉ dầu để đảm bảo rằng hệ thống lái làm việc hiệu quả và an toàn.
Bơm trợ lực lái
Vị trí lắp bơm trợ lực lái. Mũi tên màu vàng chỉ mô-tơ dẫn động cho bơm trợ lực lái.
Hầu hết sử dụng loại bơm cánh gạt để làm bơm trợ lực vì loại này có ưu điểm kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, phù hợp với hệ thống thuỷ lực yêu cầu áp suất không lớn
Bơm được dẫn động nhờ trục khuỷu của động cơ qua puly lắp ở đầu bơm để đưa dầu nén vào hộp cơ cầu lái. Lưu lượng của bơm tỷ lệ với tốc độ động cơ nhưng nhờ van điều chỉnh lưu lượng đưa dầu thừa trở lại đầu hút của động cơ mà dầu vào hộp cơ cấu không đổi, ổn định được lực đánh lái. Những loại bơm dẫn động nhờ trục khuỷu thường làm tăng phụ tải của động cơ dó đó hao tốn nhiên liệu. Chính vì vậy, các nhà sản xuất đã chế tạo loại trợ lái thuỷ lực – điện EHPS (electro-hydraulic power steering) sử dụng mô tơ điện để tạo áp suất thuỷ lực, giảm lực cần thiết để điều khiển vô lăng, tiết kiệm nhiên liệu do giảm phụ tải động cơ. Một ECU kiểm soát tốc độ quay mô tơ (lượng xả của bơm) theo các thông số như tốc độ xe và góc quay của vô lăng nhờ đó hệ thống hoạt động hiệu quả hơn.
Hoạt động của bơm:
Trục bơm quay dẫn động cho rô to quay trong stato bơm (hay còn gọi là vòng cam) được gắn chắc với vỏ bơm. Trên rô to có các rãnh để gắn các cánh bơm. Do chu vi vòng ngoài của rô to hình tròn nhưng mặt trong của vòng cam hình ô van nên tồn tại một khe hở giữa rô to và vòng cam. Cánh bơm sẽ ngăn cách khe hở này để tạo thành các buồng chứa dầu. Cánh bơm bị giữ sát vào bề mặt trong của vòng cam bằng lực ly tâm và áp suất dầu tác động sau cánh bơm nên hình thành một phớt dầu ngăn rò rỉ áp suất giữa cánh gạt và vòng cam khi bơm tạo áp suất dầu. Khi rô to quay thì dung tích buồng dầu tăng giảm liên tục. Hay nói cách khác, dung tích của buồng dầu tăng tại cổng hút, do vậy dầu từ bình chứa sẽ được hút vào buồng dầu từ cổng hút. Ở cổng xả áp suất giảm do trước đó dầu được hút vào buồng này và bị ép qua cổng xả. Chu kỳ hút xả diễn ra trong mỗi vòng quay của trục rô to. Do có 02 cổng hút và 02 cổng xả nên dầu sẽ hút và xả 02 lần trong trong một chu kỳ quay của rô to
Hệ thống trợ lực lái sẽ hỗ trợ người lái khi ta tác dụng một lực trên vành tay lái (khi muốn chuyển hướng xe). Khi người lái không tác động một lực nào (khi xe chuyển động thẳng), hệ thống không cung cấp bất cứ một sự hỗ trợ nào. Thiết bị dùng để cảm nhận được lực tác động lên vành tay lái được gọi là van quay.
Chi tiết chính của van quay là một thanh xoắn. Thanh xoắn là một thanh kim loại mỏng có thể xoắn được khi có một mô men tác dụng vào nó. Đầu trên của thanh xoắn nối với vành tay lái còn đầu dưới nối với bánh răng hoặc trục vít, vì vậy toàn bộ mô men xoắn của thanh xoắn cân bằng với tổng mô men người lái sử dụng để làm đổi hướng bánh xe. Mô men mà người lái tác động càng lớn thì mức độ xoắn của thanh càng nhiều.
Đầu vào của trục tay lái là một thành phần bên trong của một khối van hình trụ ống. Nó cũng nối với đầu mút phía trên của thanh xoắn. Phía dưới của thanh xoắn nối với phía ngoài của van ống. Thanh xoắn cũng làm xoay đầu ra của cơ cấu lái, nối với bánh răng hoặc trục vít phụ thuộc vào kiểu hệ thống lái.
Khi thanh xoắn bị vặn đi, nó làm bên trong của van ống xoay tương đối với phía ngoài. Do phần bên trong của van ống cũng được nối với trục tay lái (tức là nối với vành tay lái) nên tổng số góc quay giữa bên trong và ngoài của van ống phụ thuộc vào việc người lái xoay vành tay lái.
Khi vành tay lái không có tác động, cả hai đường ống thuỷ lực đều cung cấp áp suất như nhau cho cơ cấu lái. Nhưng nếu van ống được xoay về một bên, các đường ống sẽ được mở để cung cấp dòng cao áp cho đường ống phía bên đó. Tuy nhiên các hệ thống bổ trợ trên có hiệu quả thấp. Chúng ta cùng nghiên cứu một số hệ thống trong tương lai cho hiệu suất cao hơn
Bình chứa
Bình chứa cung cấp dầu trợ lực lái. Nó được lắp trực tiếp vào thân bơm hoặc lắp tách biệt. Nếu không lắp với thân bơm thì sẽ được nối với bơm bằng hai ống mềm.
Thông thường, nắp bình chứa có một thước đo mức để kiểm tra mức dầu. Nếu mức dầu trong bình chứa giảm dưới mức chuẩn thì bơm sẽ hút không khí vào gây ra lỗi trong vận hành. Vì vậy bạn hãy định kỳ kiểm tra mức dầu trợ lực lái, nếu thấp hơn mức cho phép hãy bổ xung bằng loại dầu phù hợp. Nếu không khí lọt vào hệ thống phải tìm cách xả hết không khí.
Van điều chỉnh lưu lượng
Van điều khiển lưu lượng điều chỉnh lượng dòng chảy dầu từ bơm tới hộp cơ cấu lái, duy trì lưu lượng không đổi mà không phụ thuộc tốc độ bơm (v/ph).
Hoạt động của van
Lưu lượng của bơm trợ lực lái tăng theo tỷ lệ với tốc độ động cơ. Lượng dầu trợ lái được cung cấp cho píttông của xi lanh trợ lực lái được quyết định bởi lượng dầu từ bơm. Khi tốc độ bơm tăng thì lưu lượng dầu tăng lên, cấp nhiều trợ lực hơn cho cơ cấu lái và người lái cần tác động ít lực đánh lái hơn. Hay nói cách khác, yêu cầu về lực đánh lái thay đổi theo sự thay đổi tốc độ. Đây là điều bất lợi nhìn từ góc độ ổn định lái vì khi lái ta có cảm giác không đều tay khi quay vô lăng. Do vậy, việc duy trì lưu lượng dầu từ bơm không đổi và không phụ thuộc tốc độ xe là một yêu cầu cần thiết. Đó chính là chức năng của van điều chỉnh lưu lượng
Van điều khiển lưu lượng – Loại nhạy cảm tốc độ
Thông thường, khi xe chạy ở tốc độ cao, sức cản lốp xe thấp vì vậy đòi hỏi ít lực lái hơn. Do đó, với một số hệ thống lái có trợ lực, cần ít trợ lực hơn ở điều kiện tốc độ cao mà vẫn có thể đạt được lực lái thích hợp. Tóm lại, lưu lượng dầu từ bơm tới hộp cơ cấu lái giảm khi chạy ở tốc độ cao và lái có ít trợ lực hơn. Lưu lượng của bơm tăng lên theo mức tăng tốc độ bơm nhưng lượng dầu tới hộp cơ cấu lái giảm. Người ta gọi cơ cấu này là loại lái có trợ lực nhạy cảm với tốc độ và nó bao gồm van điều khiển lưu lượng có một ống điều khiển. Khi tốc độ động cơ tăng lên, tốc độ bơm tăng lên theo làm áp suất bên cửa xả tăng lên thắng được lực căng của lò xo A. Ống điều khiển dịch chuyển sang trái làm giảm lượng dầu vào hộp cơ cấu lái. Do vậy lực đánh lái được ổn định theo cách này
Hộp cơ cấu lái
Các bộ phận của hộp cơ cấu lái gồm: van điều khiển và xilanh trợ lực lái. Có thể mô tả toàn bộ hoạt động của hộp cơ cấu lái như sau: Pít tông trong xi lanh trợ lực được đặt trên thanh răng, và thanh răng dịch chuyển do áp suất dầu tạo ra từ bơm trợ lực lái tác động lên pít tông theo cả hai hướng. Một phớt dầu đặt trên pít tông để ngăn dầu khỏi rò rỉ ra ngoài.
Trục van điều khiển được nối với vô lăng. Khi vô lăng ở vị trí trung hoà (xe chạy thẳng) thì van điều khiển cũng ở vị trí trung hoà do đó dầu từ bơm trợ lực lái không vào khoang nào của xilanh trên thanh răng mà quay trở lại bình chứa. Tuy nhiên, khi vô lăng quay theo hướng nào đó thì van điều khiển thay đổi đường truyền do vậy dầu chảy vào một trong các buồng. Dầu trong buồng đối diện bị đẩy ra ngoài và chảy về bình chứa theo van điều khiển. Nhờ áp lực dầu làm dịch chuyển thanh răng mà lực đánh lái giảm đi.
Van điều khiển được bố trí trong hộp cơ cấu lái. Hiện nay có 3 loại van điều khiển khác nhau để điều khiển sự chuyển đổi đường dẫn đó là các van cuộn cảm, van quay và các van cánh. Trong đó loại van quay được sử dụng phổ biến ở nhiều loại xe. Tất cả các loại van đó đều có một thanh xoắn nằm giữa trục van điều khiển và trục vít. Van điều khiển vận hành theo mức độ xoắn của thanh xoắn. Dưới đây ta sẽ đi sâu vào loại van quay
Van điều khiển trong hộp cơ cấu lái quyết định đưa dầu từ bơm trợ lực lái đi vào buồng nào. Trục van điều khiển (trên đó tác động mômen vô lăng) và trục vít được nối với nhau bằng một thanh xoắn. Van quay và trục vít được cố định bằng một chốt và quay liền với nhau. Nếu không có áp suất của bơm tác động, thanh xoắn sẽ ở trạng thái hoàn toàn xoắn và trục van điều khiển và trục vít tiếp xúc với nhau ở cữ chặn và mômen của trục van điều khiển trực tiếp tác động lên trục vít.
Chuyển động quay của trục van điều khiển kiểu van quay tạo nên một giới hạn trong mạch thuỷ lực. Khi vô lăng quay sang phải áp suất bị hạn chế tại các lỗ X và Y. Khi vô lăng quay sang trái trục van điều khiển tạo giới hạn tại X' và Y'. Khi vô lăng xoay thì trục lái quay, làm xoay trục vít qua thanh xoắn. Ngược lại với trục vít, vì thanh xoắn xoắn tỷ lệ với lực bề mặt đường, trục van điều khiển chỉ quay theo mức độ xoắn và chuyển động sang trái hoặc sang phải. Do vậy tạo các lỗ X và Y (hoặc X' và Y') và tạo sự chênh lệch áp suất thuỷ lực giữa các buồng xi lanh trái và phải. Bằng cách này, tốc độ quay của trục van điều khiển trực tiếp làm thay đổi đường đi của dầu và điều chỉnh áp suất dầu. Dầu từ bơm trợ lực lái sẽ vào vòng ngoài của van quay và dầu chảy về bình chứa qua khoảng giữa thanh xoắn và trục van điều khiển.
Trợ lái phi tuyến tính mới
Bản chất của hệ thống lái này là làm thay đổi lực vận hành vô lăng phù hợp với tốc độ xe. Ở tốc độ chạy chậm lực đánh lái nhẹ hơn và ở tốc độ cao lực lái nặng hơn. Trợ lái phi tuyến tính loại phản ứng thuỷ lực sử dụng một thanh xoắn mỏng hơn thanh xoắn trong trợ lái thông thường để giảm lực lái cần thiết khi lái tại chỗ hoặc chạy ở tốc độ chậm.Tuy nhiên, điều này làm lực lái cần thiết trở nên quá nhỏ (vô lăng quá "nhẹ") khi xe tăng tốc.
Để ngăn chặn điều này, lực lái yêu cầu được tăng lên giống như khi có thanh xoắn dầy hơn, bằng cách bố trí một buồng phản ứng thuỷ lực để loại bỏ chuyển động quay của trục van điều khiển (trong hộp van điều khiển) nhờ 04 pít tông thuỷ lực. Áp suất thuỷ lực trong buồng phản ứng thuỷ lực sẽ thấp khi tốc độ xe chậm và cao khi xe chạy nhanh. Áp suất đó cũng tăng khi áp suất thuỷ lực trong xilanh trợ lực tăng do điều khiển vô lăng. Đối với trợ lái phi tuyến tính loại phản ứng thuỷ lực thì lực lái thay đổi tuỳ theo tốc độ xe và vận hành vô lăng.
Trợ lái điện (EPS)
EPS (Trợ lái bằng điện) tạo mômen trợ lực nhờ mô tơ vận hành lái và giảm lực đánh lái.
Như ở phần 1 đã đề cập đến, trợ lái thuỷ lực sử dụng công suất động cơ để tạo áp suất thuỷ lực và tạo mômen trợ lực, do vậy làm tăng phụ tải động cơ, dẫn đến tốn nhiên liệu Do EPS dùng mô tơ điện nên không cần công suất động cơ và làm cho việc tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn. Hệ thống EPS có các thiết bị chính như sau:
ECU của EPS nhận tín hiệu từ các cảm biến, đánh giá tình trạng xe và quyết định dòng điện cần đưa vào động cơ điện một chiều để trợ lực.
Khi người lái xe điều khiển vô lăng, mô men lái tác động lên trục sơ cấp của cảm biến mô men thông qua trục lái chính. Người ta bố trí các vòng phát hiện 1 và 2 trên trục sơ cấp (phía vô lăng) và vòng 3 trên trục thứ cấp (phía cơ cấu lái). Trục sơ cấp và trục thứ cấp được nối bằng một thanh xoắn. Các vòng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểu không tiếp xúc trên vòng ngoài để hình thành một mạch kích thích. Khi tạo ra mô-men lái thanh xoắn bị xoắn tạo độ lệch pha giữa vòng phát hiện 2 và 3. Dựa trên độ lệch pha này, một tín hiệu tỷ lệ với mô men vào được đưa tới ECU. Dựa trên tín hiệu này, ECU tính toán mô men trợ lực cho tốc độ xe và dẫn động mô tơ.
Mô tơ điện một chiều DC bao gồm rô to, stato và trục chính. Cơ cấu giảm tốc bao gồm trục vít và bánh vít. Mô-men do rô to tạo ra truyền tới cơ cấu giảm tốc. Sau đó, mô men này được truyền tới trục lái. Trục vít được đỡ trên các ổ đỡ để giảm độ ồn. Ngay dù mô tơ DC bị hỏng không chạy thì chuyển động quay của trục lái chính và cơ cấu giảm tốc vẫn không bị cố định nên vô lăng vẫn có thể điều khiển.
Ngoài ra còn có: ECU ABS (tín hiệu tốc độ xe); ECU động cơ (tín hiệu tốc độ động cơ); Đồng hồ táp lô (Trường hợp có sự cố đèn sẽ bật sáng); Rơle (Cung cấp năng lượng cho mô tơ DC và ECU EPS).
tổng hợp
