CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về hệ thống lái ô tô Bạn có thể đang sở hữu một chiếc ô tô được trang bị động cơ có công suất lớn và hộp số có hiệu suất cao để có thể truyền hầu hết công suất mà động cơ sinh ra đến bánh xe, nhưng nếu bạn không thể điều khiển các bánh xe làm cho chiếc xe di chuyển theo hướng bạn mong muốn, thì động cơ công suất lớn hay hộp số có hiệu suất cao cũng không còn có ý nghĩa nữa bởi vì bạn không thể điều khiển chiếc xe của mình di chuyển trên đường. Hệ thống lái là một trong bảy hệ thống cơ bản, quan trọng nhất trên ô tô. Trong khi động cơ và hệ thống truyền lực truyền công suất xuống bánh xe, thì hệ thống lái dùng để thay đổi hướng chuyển động hoặc giữ cho ô tô chuyển động theo một quỹ đạo nhất định nào đó như: quay vòng trái, quay vòng phải, đi thẳng… Hệ thống lái là một hệ thống khá phức tạp, nó được chia thành nhiều cụm cơ cấu và bộ phận có chức năng riêng biệt hỗ trợ lẫn nhau. Qúa trình phát triển của hệ thống lái trên xe ô tô có thể liệt kê gồm: hệ thống lái thuần cơ khí, hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển điện, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống lái tích cực, hệ thống lái Steer by wire, hệ thống lái tự động.
Dưới đây hãy cùng đi tìm hiểu cụ thể hơn một số loại hệ thống lái trên ô tô như: 1.1 Hệ thống lái thuần cơ khí. Hệ thống lái thuần cơ khí được lắp đặt trên xe ô tô lần đầu tiên từ thập kỷ 50 và cho đến thời điểm hiện lại nó đã được cải tiến lên khá nhiều. Hệ thống lái cơ khí chủ yếu được nghiên cứu và cải tiến vào khả năng quay vòng ô tô trong thời gian ngắn nhất trên một diện tích nhỏ, giữ cho xe ổn định chuyển động thẳng, lực tác dụng lên vành tay lái nhỏ, đảm bảo động lực quay vòng đúng để các bánh xe không bị trượt,. Hệ thống lái cơ khí đơn thuần được cấu tạo bởi hai bộ phận chính là dẫn động láo và cơ cấu lái.
Cơ cấu lái sẽ làm nhiệm vụ chuyển đổi mô men 3 giữa góc quay vòng các bánh xe dẫn hướng và góc quay vành lái lớn. Còn dẫn động lái sẽ truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng đồng thời đảm bảo cho các bánh xe dẫn hướng quay quanh trục đứng với vận tốc và góc quay khác nhau nhằm tránh hiện tượng trượt khi quay vòng. Ưu điểm: hệ thống lái cơ khí đáp ứng được yêu cầu ban đầu để xe chuyển động trên đường đảm bảo các bánh xe ít bị trượt khi quay vòng. Nhược điểm đó chính là người lái phải sử dụng 100% năng lượng để thực hiện việc quay vòng bánh xe trong quá trình chuyển đồng và cùng với đó phải tiếp nhận những phản hồi không mong muốn từ mặt đường.
Điều này gây ra cảm giác mệt mỏi cho người lái khi sử dụng hệ thống lái trên xe ô tô này. Ngoài ra, hệ thống lái cơ khí có khối lượng và kích thước các chi tiết lớn và nặng chiếm nhiều không gian bố trí. Khả năng và đập khi xảy ra sự cố ảnh hưởng nhiều đến người sử dụng.2 Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực chính là sự cải thiện của hệ thống lái thuần cơ khí nhằm khắc phục vấn đề chính là hỗ trợ một phần năng lượng của người lái trong quá trình điều khiển xa tạo cảm giác thoải mái khi lái xe. Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực ngoài ưu điểm là tạo cảm giác nhẹ khi lái xe ô tô và có mức giá thành rẻ thì nó vẫn còn một số nhược điểm như việc điều khiển các van dầu trợ lực bằng thanh xoắn hoàn toàn bằng cơ khí nên dải tốc độ hạn chế nhất là khi chạy ở tốc độ cao công suất bơm dầu tăng dẫn đến áp lực dầu tăng theo, việc hạn chế trợ lực trở nên khó khăn, bơm dầu làm việc liên tục làm tổn hao năng lượng trong tình trạng không cần trợ lực.3 Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử (EHPA) Phiên bản cái tiến của hệ thống trợ lực thuỷ lục là hệ thống lái trợ lực thuỷ lực.
Điểm quan trọng của hệ thống này là thanh xoắn cảm biến mô men đánh lái không trực tiếp điều khiển van trợ lực. Độ biến dạng của thanh xoắn được chuyển thành tín hiệu điện gửi tới hộp MCU điều khiển trợ lực. Tại đây, 4 hộp sẽ tổng hợp lại các tín hiệu chạy xe, tính toán và xác định phần tỷ lệ trợ lực từ đó quyết định áp lực trợ lực lái. Ưu điểm của hệ thống có thể kể đến như dải làm việc của trợ lực đa dạng đáp ứng các tốc độ khác nhau đặc biệt là dải tốc độ cao, tạo cảm giác thoải mái khi lái xe.4 Hệ thống lái trợ lực điện tử (ESP) Hệ thống lái trợ lực điện tử được thay thế lực tác dụng từ bơm dầu trợ lực bằng động cơ điện.
Mô tơ điện được điều khiển bằng hộp điều khiển nên các chế độ trợ lực được thay đổi một cách linh hoạt. Tuỳ thuộc vào từng loại xe mà mô hình điều khiển được sử dụng có sự khác nhau. Tuy nhiên thì chúng có một điểm chung đó là các đặc tính trợ lực được xây dựng dựa trên đặc tính cản từ mặt đường. Trong hệ thống lái trợ lực điện tử thì cảm biến mô men cản sẽ xác định mô men sẵn từ mặt đường tác dụng lên hệ thống, kết hợp với cảm biến vận tốc và thông số chạy xe phần mềm sẽ được quyết định trợ lực tỷ lệ thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện.5 Hệ thống lái chủ động Hệ thống lái chủ động được thiết kế dựa trên những phân tích về hướng chuyển động thực tế của xe khi lưu thông ở các tốc độ khác nhau tại các điều kiện khác nhau.
Điều quan trọng trong hệ thống lái này là trên trục lái nối giữa vô lăng và cơ cấu lái được bố trí thêm bộ chấp hành AFS- cơ cấu thay đổi tỷ số truyền được thay đổi theo tình trạng chạy xe. Trên hệ thống này còn xuất hiện thêm cảm biến xoay thân xe, tín hiệu từ cảm biến này kết hợp với tín hiệu vận tốc, góc đánh lái, vận tốc đánh lái được gửi đến hộp điều khiển.1 – Tổng quan hệ thống lái trên ô tô 1.2 Công dụng yêu cầu phân loại hệ thống lái. Công dụng Hệ thống lái của ôtô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ôtô nhờ quay vòng các bánh xe dẫn hướng cũng như để giữ phương chuyển động thẳng hay chuyển động cong của ôtô khi cần thiết. Việc điều khiển hướng chuyển động của xe được thực hiện như sau: vành lái tiếp nhận lực tác động của người lái và truyền vào hệ thống lái, trục lái truyền mômen từ vô lăng tới cơ cấu lái, cơ cấu lái tăng mômen truyền từ vành lái tới các thanh dẫn động lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng.
Kết cấu lái phụ thuộc vào cơ cấu chung của xe và của từng chủng loại xe. Để quay vòng được thì người lái cần phải tác dụng vào vô lăng một lực. Đồng thời cần có một phản lực sinh ra từ mặt đường lên mặt vuông góc với bánh xe. Để quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng phải quay quanh một tâm quay tức thời khi quay vòng.Yêu cầu Là một trong các hệ thống quyết định đến tính an toàn và ổn định chuyển động của ô tô là hệ thống lái.
Theo đó hệ thống lái cần đảm bảo các yêu cầu sau: 6 - Hệ thống lái phải đảm bảo điều khiển hướng linh hoạt và an toàn của ô tô trên các loại đường khác nhau tùy thuộc vào vận tốc chuyển động. Sự điều khiển linh hoạt và an toàn phụ thuộc vào các yếu tố kết cấu: khả năng quay vòng lớn nhất trong không gian hạn chế, độ rơ vành lái, tỉ số truyền của hệ thống lái, khả năng tự ổn định của ô tô. Cụ thể: - Góc quay vành lái tối đa của người lái không vượt quá 5 vòng quay vành lái. - Lực trên vành lái phù hợp với khả năng điều khiển của người sử dụng.
- Độ rơ vành lái không quá lớn - Hệ thống lái phảm đảm bảo có khả năng giảm các lực va đập từ mặt đường truyền lên vành lái. - Phải có khả năng ổn định hướng chuyển động, đặc biệt là khi xe đi thẳng. - Hạn chế tối đa ảnh hưởng của hệ thống treo đến hệ thống lái, nhằm đảm bảo khả năng điều khiển hướng của ô tô khi hoạt động trên đường xấu. Phân loại Tuỳ thuộc vào yếu tố căn cứ để phân loại, hệ thống lái được chia thành các loại sau: 1.Theo cách bố trí vành lái - Hệ thống lái với vành lái bố trí bên trái (theo chiều chuyển động của ô tô) được dùng trên ô tô của các nước có luật đi đường bên phải như ở Việt Nam và một số nước khác.2 – Vô lăng được lắp bên trái - Hệ thống lái với vành lái bố trí bên phải (theo chiều chuyển động của ô tô) được dùng trên ô tô của các nước có luật đi đường bên trái như ở Anh, Nhật, Thuỵ Điển,… Hình 1.3 - Vô lăng được lắp bên phải 8 1.
Theo số lượng bánh dẫn hướng - Theo số lượng bánh dẫn hướng chia ra hệ thống lái với các bánh dẫn hướng ở cầu trước,cầu sau ở hai cầu và ở các cầu.4– Phân loại hệ thống lái theo số bánh dẫn hướng 9 Đặc điểm và phạm vi sử dụng : - Cầu trước dẫn hướng (a) là loại dẫn hướng thông dụng, dễ thiết kế, được sử dụng trên các loại xe con,xe tải nhẹ - Cầu sau dẫn hướng (b) có tính cơ động cao trong diện tích chật hẹp, loại cơ cấu này thường được dùng trên các xe nâng - Hai cầu dẫn hướng (c) được dùng trên các xe chuyên dụng hoặc xe địa hình,xe có khả năng cơ động cao với bán kính quay vòng nhỏ - Nhiều cầu dẫn hướng (d) sử dụng trên các xe tải nặng, với các yêu cầu về việc phân bố tải trọng trên các bánh xe không vượt quá giới hạn cho phép 1. Theo kết cấu của cơ cấu lái Theo kết cấu của cơ cấu lái chia ra loại bánh răng-thanh răng, trục vít- cung răng, trục vít-con lăn, trục vít-êcu bi-thanh răng-cung răng. Cơ cấu lái trục vít con lăn Loại cơ cấu lái này hiện nay được sử dụng rộng .