Hệ thống lái ô tô: cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động

Hệ thống lái ô tô: cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động

Được phát minh từ những năm 50 của thế kỷ XIX, cho đến nay, hệ thống lái ô tô vẫn không ngừng được cải tiến nhằm mang lại cảm giác lái tốt hơn cho người dùng.

Hệ thống lái ô tô có vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển hướng di chuyển của xe. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái ô tô rất phức tạp, chia thành nhiều cụm thành phần và bộ phận nhưng vẫn có sự liên kết và hỗ trợ lẫn nhau. Dưới đây là tổng quan về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý và phân loại hệ thống lái ô tô cơ bản nhất.

Khái niệm

Hệ thống lái ô tô là gì?

Hệ thống lái là một trong bảy hệ thống chủ chốt của xe hơi, có vai trò giữ cho ô tô chuyển động theo quỹ đạo nhất định hoặc thay đổi hướng di chuyển của ô tô theo mong muốn của người lái.

Cấu tạo của hệ thống lái

Cấu tạo chi tiết của hệ thống lái trên ô tô gồm 3 bộ phận chính như sau:

Dẫn động lái

Bộ phận dẫn động lái bao gồm các chi tiết chính là vô lăng, trụ lái, các thanh dẫn động và khớp liên kết. Bộ phận này truyền chuyển động của tài xế đến hệ thống lái để thay đổi hướng di chuyển của xe, đồng thời tiếp nhận những phản ứng từ mặt đường tạo cảm giác lái chân thực cho tài xế.

Cơ cấu lái

Chức năng của cơ cấu lái là điều khiển các đòn xoay trong cơ cấu động học hình thang lái, đảm bảo bánh xe chuyển động theo đúng nguyên tắc Ackerman. Các nhà sản xuất ô tô thường sử dụng một trong hai dạng cơ cấu lái cơ bản là cơ cấu lái trục vít – thanh răng và cơ cấu lái loại bi tuần hoàn.

Trợ lực lái

Trợ lực lái là cụm chi tiết phức tạp nhất trong hệ thống lái và thường xuyên được cải tiến để phù hợp với xu hướng phát triển ngành công nghiệp chế tạo ô tô. Trợ lực lái có nhiệm vụ giảm lực quay vô lăng khi cần thiết nhằm hỗ trợ tài xế đánh lái dễ dàng. Hệ thống trợ lực lái khá phát triển nhưng phổ biến nhất hiện nay là trợ lực lái thủy lực và trợ lực lái điện. Trong đó, hệ thống trợ lực lái điện đang ngày càng chứng minh được tính ưu việt so với các loại trợ lực khác.

2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái

Các cơ chế hoạt động của hệ thống lái được phân biệt dựa trên vị trí hoạt động.

Nguyên lý làm việc tại cơ cấu bánh răng – thanh răng

Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng gồm một bánh răng nối trực tiếp với một ống kim loại và một thanh răng được gắn trên ống kim loại khác. Thanh nối có nhiệm vụ nối hai đầu mút của thanh răng. Kết cấu cơ khí này khá đơn giản, phù hợp với những dòng xe du lịch, ô tô tải nhỏ và xe SUV.
Cơ cấu lái bánh răng – thanh răng chuyển đổi chuyển động xoay của vành tay lái thành chuyển động thẳng. Ngoài ra, cơ cấu này có nhiệm vụ giảm tốc, tăng thêm lực đổi hướng bánh xe một cách dễ dàng.

Nguyên lý làm việc tại cơ cấu bánh răng - thanh răng có trợ lực

Cấu tạo của cơ cấu bánh răng – thanh răng có trợ lực gồm một xi-lanh và một piston ở ngay giữa kết hợp với hai đường dẫn chất lỏng xung quanh piston. Về nguyên lý hoạt động, tại đường ống dẫn chất lỏng hai bên piston, một dòng chất lỏng áp suất cao được bơm thẳng vào một đầu đường ống nhằm đẩy piston dịch chuyển. Khi đó, thanh răng dịch chuyển theo giúp tài xế có thể dễ dàng quay tay lái ở tất cả các phía.

Nguyên lý làm việc ở bơm thủy lực

Bơm thủy lực gồm nhiều van cánh gạt để di chuyển hướng kính dễ dàng trong các rãnh của roto. Loại bơm này có nhiệm vụ dẫn động bằng mô men động cơ thông qua truyền động puli – đai. Trong trường hợp roto quay, lực ly tâm tác động trực tiếp vào cánh gạt làm chúng văng ra, vây lấy một không gian kín hình ô van. Đồng thời, dầu thủy lực ở mức áp suất thấp bị kéo xuống và đẩy sang đầu ra có áp suất cao.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống trợ lực lái tương lai

Vòng tay lái trong tương lai có khả năng hoạt động tương tự như một bàn phím máy tính. Hệ thống này sở hữu một số mô tơ điện nhằm thông báo các hoạt động mà ô tô thực hiện với tài xế, đồng thời tự động hóa quy trình làm việc của bánh xe. Hệ thống trợ lực lái trong tương lai được kỳ vọng sử dụng để điều khiển hệ thống lái xe cơ giới. Các nhà sản xuất xe hơi đang nỗ lực cải tiến thêm khoang chứa ở động cơ để làm giảm tiếng ồn trong khoang cabin.

3. Phân loại hệ thống lái

Cho đến nay, lịch sử phát triển ngành công nghiệp ô tô đã ghi nhận 6 hệ thống lái. Mỗi hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng và vẫn đang trong quá trình nghiên cứu, cải tiến và phát triển.

Hệ thống lái thuần cơ khí

Cấu tạo hệ thống lái thuần cơ khí gồm hai thành phần dẫn động lái và cơ cấu lái. Cơ cấu lái có nhiệm vụ chuyển đổi mô men giữa các góc quay vành lớn và góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng.
Trong khi đó, dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe, đảm bảo bánh xe quay quanh trục đúng theo ý muốn của người lái. Được phát minh từ những năm 50 của thế kỉ XIX, cho đến nay, hệ thống lái thuần cơ khí không còn ứng dụng vào sản xuất xe hơi, thay vào đó là các hệ thống lái tiên tiến ưu việt hơn.

Hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS)

Hệ thống lái trợ lực thủy lực HPS được cải tiến và phát triển từ hệ thống lái thuần cơ khí để giúp người lái hao tốn ít năng lượng hơn khi quay vòng xe và giảm tình trạng va đập của bánh xe lên vô lăng.
Hệ thống lái ô tô này có thể hỗ trợ tới 80% năng lượng, tạo cảm giác thoải mái cho người lái trong quá trình điều khiển xe. Không những vậy, hệ thống lái trợ lực thủy lực còn gia tăng tính năng an toàn trong trường hợp bánh xe bị hư hỏng.
Đây là một trong những hệ thống lái rất được ưa chuộng tại Việt Nam do giá thành rẻ và phù hợp với tốc độ di chuyển trong đô thị (ít hơn 120km/h).

Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử (EHPS)

Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử EHPS có cấu tạo gồm các thành phần cơ cấu lái, dẫn động lái giống như hệ thống lái thuần cơ khí. Tuy nhiên, hệ thống EHPS đã được cải tiến bằng cách để bộ điều khiển MCU trực tiếp điều khiển van trợ lực thay cho thanh xoắn.
Tại Việt Nam, hệ thống lái ô tô này được trang bị trên các dòng xe tầm trung và một vài mẫu xe sang nhờ sở hữu dải tốc độ đa dạng.

Hệ thống lái trợ lực điện tử (ESP)

So với các hệ thống lái ô tô trước đó, hệ thống lái trợ lực điện tử ESP thay thế bơm dầu bằng động cơ điện. Với hầu hết các mẫu xe, đặc tính trợ lực điện được xây dựng dựa trên đặc tính cản từ mặt đường.
Cụ thể, các cảm biến mô men gắn trên thanh xoắn xác định lực cản mặt đường tác dụng lên hệ thống. Kết hợp với hệ thống cảm biến khác và thông số về tình trạng xe, hệ thống lái trợ lực điện quyết định tỷ lệ trợ lực thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện.

Hệ thống lái chủ động (AFS)

Hệ thống lái chủ động AFS được lắp đặt thêm bộ chấp hành AFS trên trục lái nối vô lăng với cơ cấu lái. Trên các xe hạng sang, nhà sản xuất thường trang bị hệ thống lái AFS kết hợp với bộ trợ lực để tạo thành hệ thống lái hoàn chỉnh.
Bộ trợ lực của hệ thống lái ô tô được cố định trên trục lái (EPAS-column), trên thước lái (EPAS-rack) hoặc gắn thêm giảm tốc và lắp đặt trên thước lái (EPAS-pinion), song song với thước lái (EPAS-dual-pinion).

Hệ thống lái Steer-by-wire

Hệ thống lái điện Steer-by-wire có nhiệm vụ tạo ra lực hỗ trợ lái xe quay vành với 100% năng lượng và chuyển động theo ý muốn của người lái.
Steer-by-wire được chia thành hai hệ thống gồm hệ thống lái Steer-by-wire độc lập và hệ thống lái Steer-by-wire tích hợp. Với hệ thống Steer-by-wire độc lập, mỗi bánh xe được bố trí một động cơ điều khiển. Ngược lại, với hệ thống Steer-by-wire tích hợp, hai bánh dẫn hướng liên kết với nhau qua hình thang lái.

Nguồn: Internet + https://vinfastauto. com/