Hệ thống lái ô tô: cấu tạo, chức năng, nguyên lý làm việc

Hệ thống lái được dùng để duy trì hoặc thay đổi hướng chuyển động của xe có thể đi thẳng, quay vòng, rẽ hướng bằng cách thay đổi góc lệch.

1. Hệ thống lái ô tô là gì?

Hệ thống lái được dùng để duy trì hoặc thay đổi hướng chuyển động của xe, giúp xe có thể đi thẳng, quay vòng, rẽ trái hoặc rẽ phải bằng cách thay đổi góc lệch của các bánh xe dẫn hướng so với đường tâm của xe. Hệ thống lái phải đảm bảo cho xe chuyển động chính xác, giảm va đập truyền từ bánh xe dẫn hướng lên vành tay lái và giúp cho người lái có thể điều khiển nhẹ nhàng.

Các bánh xe dẫn hướng có thể được bố trí ở cầu trước, ở cầu sau hoặc ở cả hai cầu. Tuy nhiên, hầu hết các xe thông dụng hiện nay đều bố trí bánh xe dẫn hướng ở cầu trước.

Muốn cho xe vào đường vòng thật chính xác theo một quỹ đạo mà người lái xe mong muốn, thì các bánh xe phải lăn và không bị trượt ngang, nghĩa là các bánh xe phải quay theo những cung cùng tâm. Muốn cho hai bánh xe dẫn hướng đi được quãng đường bằng nhau, thì góc quay β của bánh xe bên trong phải lớn hơn góc quay α của bánh xe bên ngoài. Để đảm bảo các bánh xe dẫn hướng quay được các góc β và α, có thể liên kết các bánh xe dẫn hướng bằng một cơ cấu gồm có các thanh và các khớp, tạo thành “hình thang lái”, thuộc loại cơ cấu bản lề bốn khâu.

2. Phân loại hệ thống lái

Dựa trên kết cấu của dẫn động lái, có thể chia hệ thống lái thành 2 loại chính:

– Hệ thống lái cơ khí loại thường (gọi tắt là hệ thống lái cơ khí): Việc điều khiển hệ thống lái này chủ yếu dựa vào sức người.

– Hệ thống lái cơ khí có trợ lực lái: Người lái xe điều khiển vô lăng với sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực, hoặc hệ thống khí nén hoặc hệ thống điện. Nhờ vậy, giúp cho công việc lái xe được an toàn và nhẹ nhàng hơn.

3. Hệ thống lái cơ khí ô tô

3.1. Cấu tạo hệ thống lái cơ khí

Hệ thống lái cơ khí sử dụng các chi tiết, thiết bị cơ khí để thay đổi hoặc duy trì hướng chuyển động của xe. Hệ thống lái cơ học sử dụng sức người là nguồn lực dẫn động lãi. Tất cả các linh kiện truyền lực đều là các linh kiện cơ khí. Cấu tạo hệ thống lái cơ khí gồm 3 thành phần chính là cơ cấu vận hành, cơ cấu lái và cơ cấu dẫn động lái.

Các đòn kéo bên và đòn kéo ngang cùng với dầm cầu tạo thành hình thang được gọi là hình thang lái. Khi muốn thay đổi hướng chuyển động của xe, người lái tác dụng lực vào vô lăng (sang trái hoặc sang phải), qua cơ cấu lái làm quay đòn quay đứng.

Đòn quay đứng đẩy đòn kéo dọc dịch chuyển làm quay khớp chuyển hướng. Đồng thời, lúc đó các đòn bên và đòn kéo ngang (hình thang lái) dịch chuyển khiến cho các bánh xe dẫn hướng quay với những góc khác nhau theo tỷ lệ nhất định để đảm bảo các bánh xe dẫn hướng đều quay vòng không trượt.

3.2. Nguyên lý làm việc hệ thống lái cơ khí

Cơ cấu vận hành gồm các thành phần như vô lăng (hay còn gọi là vành tay lái), trụ lái và trục lái. Chức năng của cơ cấu vận hành là truyền lực xoay vô lăng cho cơ cấu lái.

3.2.1. Vô lăng

Gồm một vành hình tròn và một vài nan hoa được bố trí quanh vành trong của vô lăng. Trên vô lăng lắp đặt còi và túi khí an toàn.

3.2.2 Trụ lái

Trong trường hợp đơn giản, trụ lái chỉ bao gồm trục lái và nắp che trục lái. Trụ lái của những ô tô hiện đại có cấu tạo phức tạp hơn. Nó cho phép thay đổi độ nghiêng của vô lăng hoặc cho phép trụ lái chùn ngắn lại khi người lái va đập trong trường hợp xảy ra tai nạn. Ngoài ra, trụ lái còn là nơi lắp đặt nhiều bộ phận khác như công tắc đèn, công tắc gạt nước/rửa kính, hệ thống dây điện và các đầu nối điện.

3.2.3. Trục lái

Trục lái được đặt bên trong vỏ trụ lái, có chức năng truyền chuyển động quay của vô lăng đến cơ cấu lái. Đầu trên trục lái thường có ren và then hoa để liên kết và cố định vô lăng trên trục lái. Đầu dưới liên kết với trục đầu vào của cơ cấu lái. Trục lái có thể chỉ gồm một đoạn trục hoặc gồm nhiều đoạn trục liên kết với nhau bằng khớp các đăng.

3.3. Cơ cấu lái

Cơ cấu lái (còn được gọi là hộp số lái) là cơ cấu bánh răng, một đầu liên kết với trục lái, một đầu liên kết với đòn chuyển hướng. Cơ cấu lái có chức năng sau:

– Biến chuyển động quay của trục lái thành chuyển động thẳng (hoặc gần thẳng) của bộ phận dẫn động lái.

– Tăng lực tác động của người lái lên vô lăng để thực hiện quay vòng xe nhẹ nhàng hơn.

Một số kiểu cơ cấu lái thường được sử dụng trong thực tế gồm kiểu bánh răng – thanh răng, kiểu trục vít-con lăn, kiểu trục vít – đòn quay, kiểu trục vít – ê cu bi.

Cơ cấu lái kiểu bánh răng – thanh răng được sử dụng rộng rãi ở các dòng ô tô hiện đại. Chức năng của cơ cấu dẫn động lái là truyền mô-men lực từ cơ cấu lái đến các khớp chuyển hướng ở hai bên dầm cầu, từ đó làm quay các bánh xe dẫn hướng.

Hơn nữa, còn làm cho góc quay bánh xe dẫn hướng hai bên biến đổi theo tỷ lệ nhất định, để đảm bảo khi xe chuyển hướng bánh xe vẫn ở trạng thái lăn trên mặt đường, giảm sự trượt bánh xe xuống mức độ thấp nhất. Cơ cấu dẫn động lái được chia thành cơ cấu dẫn động lái hệ thống treo độc lập và cơ cấu dẫn động lái hệ thống treo phụ thuộc.

3.3. Cơ cấu dẫn động lái

Chức năng của cơ cấu dẫn động lái là truyền mô-men lực từ cơ cấu lái đến các khớp chuyển hướng ở hai bên dầm cầu, từ đó làm quay các bánh xe dẫn hướng. Hơn nữa, còn làm cho góc quay bánh xe dẫn hướng hai bên biến đổi theo tỷ lệ nhất định, để đảm bảo khi xe chuyển hướng bánh xe vẫn ở trạng thái lăn trên mặt đường, giảm sự trượt bánh xe xuống mức độ thấp nhất. Cơ cấu dẫn động lái được chia thành cơ cấu dẫn động lái hệ thống treo độc lập và cơ cấu dẫn động lái hệ thống treo phụ thuộc.

3.4. Đòn kéo dọc

Đòn kéo dọc có chức năng truyền lực từ đòn quay đứng đến hình thang lái (hoặc khớp chuyển hướng). Đòn kéo dọc vừa chịu lực kéo vừa chịu lực nén, nên nó được chế tạo bằng loại thép chất lượng cao để đảm bảo độ bền và khả năng làm việc chính xác. Phần nối giữa đòn kéo dọc và đòn quay đứng cũng như phần nối giữa đòn kéo dọc và khớp chuyển hướng đều sử dụng khớp cầu.

3.5. Bộ giảm chấn

Khi tốc độ xe tăng lên, thì bánh dẫn động có thể bị rung lắc (bánh dẫn động sẽ lắc qua lắc lại quanh trụ quay đứng), thậm chí làm cho khung xe cũng bị rung lắc. Điều này không những ảnh hưởng đến tính ổn định của xe, mà còn làm cho lốp bánh xe phía trước mài mòn nhanh, ngoài ra còn tạo cảm giác khó chịu cho người ngồi trên xe. Chính vì vậy, trong cơ cấu dẫn động lái có lắp bộ giảm chấn để khắc phục hiện tượng này. Bộ giảm chấn có một đầu được liên kết với khung xe (hoặc cầu phía trước), đầu còn lại kết nối với đòn kéo dọc (hoặc cơ cấu lái).

4. Hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống lái có trợ lực được chia làm 3 loại. Đó là hệ thống lái trợ lực thủy lực, hệ thống lái trợ lực điện và hệ thống lái trợ lực khí nén. Hệ cấu tạo thống lái trợ lực thủy lực có một số ưu điểm như: độ nhạy cao, đơn giản, kích thước nhỏ, khi làm việc không có tiếng ồn, thời gian trễ nhỏ, hơn nữa nó còn có thể hấp thụ xóc nảy từ bề mặt đường không bằng phẳng. Chính vì vậy, hệ thống lái trợ lực thủy lực được sử dụng rộng rãi trên các loại ô tô.

4.1. Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực

4.1.1. Bơm trợ lực

Bơm trợ lực có nhiệm vụ bơm dầu thủy lực có áp suất vào bên trong hệ thống để tạo ra sự hỗ trợ lực khi người lái xoay vô lăng thực hiện việc chuyển hướng. Bơm trợ lực thực chất là loại bơm bánh răng trong. Nó được dẫn động từ puly trục động cơ thông qua dây đai, do vậy cũng làm tiêu hao một phần công suất của động cơ khi làm việc.

4.1.2. Cụm van chia dầu (van điều khiển)

Có cấu tạo gồm các cổng chia dầu được nối với cơ cấu lái, trên thân van có 4 cổng bao gồm: cổng dẫn dầu vào từ bơm trợ lực, cổng xả dầu về bình chứa và 2 cổng chia sang hai phía của xilanh trợ lực. Dưới tác dụng từ mặt đường (khi đánh lái) lên thanh xoắn (bên trong cụm van) sẽ thực hiện việc mở cửa van chia dầu có áp suất cao hơn sang phía xilanh ứng với chiều chuyển hướng mong muốn. Dầu tại đầu kia của xilanh sẽ được xả qua van và qua cổng hồi về bình chứa dầu.

4.1.3. Cơ cấu lái

Cơ cấu lái bao gồm cơ cấu bánh răng – thanh răng và xilanh thủy lực. Cơ cấu bánh răng – thanh răng có tác dụng biến chuyển động quay của vô lăng thông qua trục lái thành chuyển động tịnh tiến (sang hai bên) của thanh răng làm cho bánh xe có thể chuyển hướng.

4.1.4. Vô lăng

Vô lăng hay còn gọi là tay lái có tác dụng để điều hướng. Khi người lái muốn xe chuyển hướng sang trái thì quay vô lăng theo chiều ngược kim đồng hồ và ngược lại khi muốn chuyển hướng xe sang phải thì quay vô lăng cùng chiều kim đồng hồ.

4.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực

4.2.1. Khi xe chạy thẳng

Khi xe chạy thẳng, vô lăng ở vị trí giữa, van điều khiển ở trạng thái mở. Dầu đi ra từ bơm trợ lực, sau khi đi qua van điều khiển, lại chảy về bình chứa dầu. Trên thực tế, bơm trợ lực sinh công vô ích. Dầu trong đường ống của hệ thống thủy lực luôn ở trạng thái lưu động. Lúc này, áp suất của 2 khoang dầu xilanh trợ lực bằng nhau, hơn nữa đều rất nhỏ.

Thanh răng – pít tông không chịu tác động lực đẩy hướng trục của thanh xoắn, cũng không chịu lực đẩy hướng trục do sự chênh lệch áp suất giữa 2 khoang dầu. Thanh răng – pít tông nằm ở vị trí giữa, xe chạy theo đường thẳng.

4.2.2. Khi đánh lái sang phải (sang trái)

Khi đánh lái sang phải, người lái tác dụng lực làm vô lăng quay theo chiều kim đồng hồ, bánh răng sẽ làm cho thanh răng chuyển động từ trái qua phải (đối với cơ cấu lái thanh răng-bánh răng). Dưới tác dụng của phản lực từ mặt đường lên bánh xe thông qua thanh răng làm thanh xoắn điều khiển van chia mở.

Đường dầu có áp lực từ bơm đến qua van và đường ống dẫn dầu vào khoang bên trái xilanh, dầu có áp lực sẽ tác dụng lên pít tông trợ lực, đẩy thanh răng theo chiều chuyển động từ trái sang phải.

Nhờ vậy, có tác dụng trợ lực lái. Dầu trong khoang còn lại của xilanh bị đẩy theo cổng bên phải, đi theo đường ống dẫn dầu, qua van chia và trở về bình chứa.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái trợ lực thủy lực khi đánh lái sang trái cũng tương tự. Trong trường hợp này, áp suất khoang dầu bên phải sẽ lớn hơn áp suất khoang dầu bên trái. Lực trợ lái có chiều từ phải sang trái. Dòng chuyển động của dầu sẽ có hướng ngược lại.

5. Hệ thống lái trợ lực điện

5.1. Cấu tạo hệ thống lái trợ lực điện

Hiện tại, một số loại ô tô trung, cao cấp đều sử dụng hệ thống lái trợ lực điện. Hệ thống lái trợ lực điện là hệ thống lái sử dụng mô-tơ để trợ lực trực tiếp. Nó có nhiều ưu điểm so với hệ thống lái trợ lực thủy lực truyền thống.

Hệ thống lái trợ lực điện gồm các thành phần chính như trụ lái, cảm biến mô-men, cảm biến tốc độ xe, mô-tơ, cơ cấu giảm tốc, trục truyền, cơ cấu lái và bộ điều khiển điện tử ECU.

5.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống lái trợ lực điện

Cảm biến mô-men quay vô lăng dùng để đo mô-men lực do người lái xe tác động lên vô lăng. Cảm biến tốc độ xe dùng để đo tốc độ chạy hiện tại của xe. Hai cảm biến này truyền giá trị đo được dưới dạng tín hiệu điện đến ECU. ECU sẽ dựa trên chiến lược điều khiển được lập trình sẵn, để tính toán mô-men trợ lực lý tưởng, đồng thời đưa ra dòng điện điều khiển mô-tơ trợ lực đủ lớn để hỗ trợ việc xoay trục lái theo chiều của người lái điều khiển vô lăng. Nhờ vậy, lực đánh lái sẽ được hỗ trợ và trở lên nhẹ hơn rất nhiều.

6. So sánh hệ thống lái trợ lực điện và trợ lực thủy lực

Hệ thống lái điện có nhiều ưu điểm nổi bật so với hệ thống lái thủy lực, cụ thể:

– Hệ thống lái điện không cần dẫn động từ động cơ nên động cơ không phải mất công suất cho hệ thống trợ lực lái. Do vậy sẽ tiết kiệm nhiên liệu khi hoạt động.

– Hệ thống lái điện không sử dụng môi chất (dầu thủy lực) dẫn động trợ lực nên đảm bảo vệ sinh môi trường hơn.

– Hệ thống lái điện có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ hơn rất nhiều so với lái thủy lực (giảm khối lượng, dẫn đến tiết kiệm nhiên liệu).

– Hệ thống lái điện cho cảm giác lái thật hơn ở tốc độ cao. Đối với hệ thống lái thủy lực, tốc độ càng cao lái càng nhẹ do vậy làm cho người lái rất dễ bị đánh lái quá và xe không ổn định đặc biệt khi vào cua gấp. Đối với hệ thống điện thì điều này lại khác hoàn toàn, trợ lực nhẹ khi tốc độ thấp và nặng hơn khi xe chạy ở tốc độ cao, điều này cho cảm giác lái thật hơn, chắc chắn hơn.

– Trợ lực lái điện nhẹ và nhạy hơn so với trợ lực lái thủy lực. Tuy có nhiều ưu điểm nhưng nhược điểm lớn nhất của hệ thống trợ lực lái điện đó là chi phí sửa chữa. Khi hỏng các chi tiết bên trong cụm trợ lực thì cần phải thay toàn bộ cụm trợ lực mà không nên sửa chữa để đảm bảo an toàn khi lái xe, không bị mất lái đột ngột.