CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG LÁI TRỢ LỰC ĐIỆN 1.1 Vai trò của hệ thống lái trợ lực điện trên ô tô. Nhằm hỗ trợ tài xế khi lái xe, các hãng sản xuất đã trang bị hệ thống trợ lực lái cho ô tô. Thực tế, hệ thống trợ lực lái không những đóng vai trò giúp xe di chuyển đúng hướng và an toàn, nó còn mang đến những trải nghiệm lái thú vị đồng thời giảm thiểu những áp lực cho các bác tài trong quá trình điều khiển phương tiện. Những hệ thống trợ lực lái được áp dụng trên xe hơi có thể kể đến như hệ thống trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực điện, hệ thống trợ lực lái khí nén, hệ thống trợ lực lái chân không.
Trong đó, trợ lực lái điện và trợ lực lái thủy lực là 2 loại hệ thống trợ lực lái được sử dụng nhiều nhất.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống trợ lực lái bằng điện EPS Tuy nhiên, hiện nay, không còn nhiều dòng xe mới sử dụng hệ thống trợ lực lái thủy lực nữa, chúng ta chỉ bắt gặp loại hệ thống trợ lái này trên các đời xe cũ. Nguyên nhân là 9 do hệ thống trợ lái thủy lực có kích thước khá lớn nên cồng kềnh và khiến cho cảm giác lái bị nặng. Do đó, các hãng xe lớn như Toyota, Honda, Hyundai hay các thương hiệu xe sang như Audi, BMW, Mercedes-Benz đều chủ yếu hoàn thiện và trang bị hệ thống lái trợ lực điện trên các dòng xe phân phối ra thị trường. Hệ thống lái trợ lực điện có tên tiếng Anh là Electric Power Steering, viết tắt là EPS.
Hệ thống trợ lực lái điện EPS có vai trò tạo ra lực bổ trợ lên hệ dẫn động lái nhằm duy trì hoặc thay đổi hướng di chuyển của xe nên việc điều khiển vô lăng sẽ trở nên nhẹ nhàng hơn, có tính linh hoạt cao.2 Vị trí của hệ thống lái trợ lực điện trên xe 10 1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống lái trợ lực điện. Hệ thống này được hoạt động dựa trên tín hiệu cảm biến mô men đánh lái. Khi có sự tác động của người điều khiển lên bộ phận vô lăng để chuyển hướng lái thì dưới tác động của mặt đường thông qua bánh xe, thước lái sẽ có tác dụng lên thanh xoắn nằm trong cụm trợ lực điện và bắt đầu quá trình này. Khi cảm biến mô men hoạt động và gửi tín hiệu đến hộp điều khiển thì tại đây bộ phận này sẽ phát ra dòng điện giúp điều khiển hoạt động của mô tơ trợ lực với một lực đủ lớn để hỗ trợ người lái xoay trục lái theo hướng mong muốn một cách đơn giản, dễ dàng, mượt mà.
Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống lái trợ lực điện: Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống lái trợ lực điện. 11 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện gồm các bước sau: Bước 1: Khi người lái bắt đầu quay vô lăng, mô men của người lái tác dụng sẽ được cảm biến đo và chuyển thành tín hiệu điện áp, sau đó được gửi đến bộ điều khiển trung tâm (ECU): Bước 2: Song song đó tốc độ xe và tốc độ động cơ thông qua mạng CAN truyền tới bộ điều khiển trung tâm (ECU) dưới dạng tín hiệu điện áp: 12 Bước 3: Sau khi nhận các tín hiệu đầu vào (mô men tác dụng của người lái, tốc độ xe, tốc độ động cơ), ECU theo chương trình đã được lập trình xử lý và tính toán được mô men hỗ trợ người lái. Từ đó, xuất tín hiệu điện áp đầu ra là xung PWM để điều khiển mô tơ trợ lực: Bước 4: Mô tơ tác động một mô men cùng chiều với mô men người lái tác dụng lên vô lăng. Tổng mô men tác dụng lên vành tay lái và mô men trợ lực sẽ tác động lên cơ cấu lái để quay vòng xe: 13 1.3 Các kiểu hệ thống lái trợ lực điện thông dụng.
Hệ thống lái trợ lực điện EPS giúp người lái dễ dàng đánh lái khi xe đang di chuyển bằng cách cung cấp lực hỗ trợ thông qua mô tơ điện. Tuy nhiên, tùy vào những dòng xe khác nhau với nhu cầu và mục đích khác nhau, nhà sản xuất đã cho ra đời nhiều kiểu hệ thống lái trợ lực điện để có thể phù hợp với từng loại xe cũng như đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Có 4 kiểu hệ thống lái trợ lực điện thông dụng: Hình 1.4 Các kiểu hệ thống lái trợ lực điện Hình 1.5 Bảng giá trị khả năng làm việc của 4 kiểu hệ thống lái trợ lực điện 14 1.1 Kiểu Column: Hình 1.6 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu Column EPS kiểu Column có lịch sử lâu đời nhất. Trên thực tế, EPS đầu tiên trên thế giới được giới thiệu cho Suzuki Cervo vào năm 1988 là loại này, mặc dù loại đó chỉ hoạt động như hỗ trợ đỗ xe.
Trong EPS kiểu Column, động cơ được lắp ở cột lái và dẫn động trục lái trực tiếp. • Ưu điểm: Kết cấu đơn giản và giá thành rẻ. Vì động cơ được đặt bên trong bảng điều khiển, nó không phải chịu nước và nhiệt độ khắc nghiệt, do đó chi phí sản xuất có thể được hạ thấp hơn nữa. • Nhược điểm: EPS kiểu Column khét tiếng với cảm giác tê liệt, vì việc kết nối trực tiếp động cơ với cột lái làm tăng ma sát cơ học.
Hơn nữa, vì động cơ được lắp ở đầu trục lái, nên khớp nối của nó phải được tăng cường để tránh bị xoắn bởi mô-men xoắn của động cơ điện. Điều này làm tăng quán tính, ma sát từ đó tê liệt hơn. Tải trọng cầu trước càng nặng thì vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng. Vì những lý do này, EPS kiểu Column thường được dành cho những chiếc xe nhỏ giá rẻ.2 Kiểu Dual Pinion: Hình 1.7 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu Dual Pinion EPS kiểu Dual Pinion thêm hàng răng thứ hai vào thanh răng.
Động cơ điện dẫn động hàng răng bổ sung này. • Ưu điểm: Động cơ được lắp cách xa cột lái nên nguy cơ bị thương ở chân khi va chạm có thể giảm đáng kể. Hơn nữa, bằng cách tách động cơ khỏi cột lái, cảm giác lái có thể được cải thiện. • Nhược điểm: EPS kiểu Dual Pinion sản xuất hàng loạt đầu tiên được ZF phát triển và áp dụng cho nền tảng Volkswagen Golf V từ năm 2003, sau đó được mở rộng cho Passat và nhiều nhà sản xuất khác.
Ngày nay, hầu hết các xe phân khúc C đều sử dụng loại EPS này. Tuy nhiên, nó không đủ mạnh để xử lý các loại xe nặng hơn.3 Kiểu APA – Rack: Hình 1.8 Hệ thống lái trợ lực điện kểu APA – Rack Động cơ điện được lắp song song với thước lái. Nó dẫn động thước lái thông qua dây đai răng và hộp số step-down. Hộp số truyền chuyển động quay sang chuyển động dọc trục qua nhiều viên bi chạy quanh các rãnh trên thước lái.
Khi các viên bi thoát ra từ một đầu, chúng tuần hoàn trở lại phía trước thông qua một kênh đặc biệt. • Ưu điểm: Cấu tạo như vậy tương tự như hệ thống lái bi tuần hoàn thông thường. Nhờ các viên bi này, ma sát được giữ ở mức tối thiểu. Càng ít ma sát được thêm vào hệ thống, thì thông tin thực càng có thể được chuyển đến tay bạn (cảm giác lái).
Do đó, EPS kiểu APA - Rack sẽ cảm thấy dễ chịu hơn. Hơn nữa, nhờ hộp số step-down, động cơ có thể được điều khiển chính xác hơn. • Nhược điểm: Trợ lực lái điện kiểu APA - Rack đắt hơn tất cả các loại trên, nhưng nó cũng mạnh mẽ và chính xác hơn, do đó nó được sử dụng rộng rãi cho các xe hạng sang cỡ lớn, xe cao cấp nhấn mạnh tính năng động học cũng như xe thể thao, bao gồm cả Porsche 991.4 Kiểu Pinion: Hình 1.9 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu Pinion EPS kiểu Pinion tích hợp cơ cấu trợ lực điện vào trục bánh răng lái sơ cấp. • Ưu điểm: EPS kiểu Pinion có lực động cơ tác dụng trực tiếp lên răng trên thanh răng.
Nó sẽ cho cảm giác tốt hơn loại EPS cột lái. • Nhược điểm: Nghiêm trọng của hệ thống này là do động cơ nằm ngay phía trước bàn đạp, trong trường hợp va chạm từ phía trước, động cơ có thể bị đẩy vào chân người lái, gây ra không gian chật hẹp và dễ gây thương tích. Do nhược điểm an toàn này, nhiều nhà sản xuất đã chuyển sang hệ thống thanh răng kép.4 Cấu tạo của hệ thống lái trợ lực điện kiểu Column. Trên ô tô và các phương tiện cơ giới khác, hệ thống trợ lực lái giúp người lái điều khiển phương tiện bằng cách tăng thêm lực đánh lái cần thiết để quay vô lăng, giúp xe quay đầu, chuyển hướng hoặc điều khiển dễ dàng hơn.
Hệ thống lái trợ lực bổ sung mô men xoắn mà người lái tác dụng cho vô lăng. Hệ thống lái trợ lực truyền thống là hệ thống thủy lực, nhưng hệ thống lái trợ lực điện (EPS) đang trở nên phổ biến hơn nhiều. EPS loại bỏ nhiều thành phần như bơm thủy lực, ống mềm (ống dầu thủy lực), chất lỏng (dầu trợ lực), dây đai truyền động và ròng rọc. Vì lý do này, hệ thống lái trợ lực điện có xu hướng nhỏ hơn và nhẹ hơn hệ thống thủy lực.10 Cấu tạo hệ thống lái có trợ lực bằng điện.
Hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS) hay còn gọi là Trợ lực lái dẫn động bằng động cơ (Motor-Driven Power Steering – MDPS) sử dụng động cơ điện để hỗ trợ người lái xe khi đánh lái. Hệ thống bao gồm động cơ điện dẫn động, các cảm biến, mô đun điều khiển và hệ thống lái cơ bản (cơ khí).1 Cảm biến mô men đánh lái. Cảm biến mô men đánh lái là cảm biến quan trọng trong hệ thống trợ lực lái bằng điện. Hệ thống lái EPS ảnh hưởng đến cảm giác lái nên giá trị của mô men phải chính xác, đáp ứng giá trị đo với độ tin cậy tuyệt đối.
Cảm biến có nhiệm vụ phát hiện sự xoay của trục lái, sau đó tính toán mô men tác dụng lên trục lái rồi gửi tín hiệu về cho bộ điều khiển trung tâm ECU.11 Cảm biến mô men đánh lái. 20 ❖ Cảm biến mô men xoắn loại từ tính.12 Cấu tạo cảm biến mô men xoắn loại từ tính Cấu tạo: - Thanh xoắn. - Nam châm vĩnh cửu. - Vòng định vị.
- Cảm biến Hall. Chức năng: Cảm biến có nhiệm vụ phát hiện khi người lái xoay vô lăng sau đó tính toán mô men tác dụng lên trục lái gửi về ECU tính toán, xử lý.