27
- Cầu chì 4WS 15A sẽ cấp nguồn dương cho hộp điều khiển 4WS. Khi bật công tắc máy thì dịng điện sẽ đi qua cầu chì IGN-10A để điều khiển hộp 4WS.
- Công tắc lựa chọn chế độ lái được lắp trong xe. Khi người lái lựa chọn chế độ lái thông thường 2WS hoặc chế độ lái 4 bánh 4WS. Khi chế độ lái 4WS được kích hoạt. Đèn báo chế độ 4WS sáng lên thơng báo cho người lái xe về chế độ lái 4WS đã chọn.
28
2.5.2.4 Nguyên lý hoạt động
Hình 2.21: Hộp điều khiển 4WS phân tích thơng tin cảm biến đầu vào, tính tốn góc lái phía sau cần thiết, vận hành động cơ cơ cấu lái sau để cung cấp góc lái phía sau thích
hợp.
- Khi động cơ chạy, hộp điều khiển 4WS sẽ liên tục nhận thông tin từ các cảm biến đầu vào. Nếu vô lăng xoay, hộp điều khiển sẽ phân tích thơng tin tín hiệu từ các cảm biến tốc độ xe, cảm biến góc lái chính, cảm biến góc bánh trước phụ, cảm biến góc bánh sau chính, cảm biến góc bánh sau phụ và cảm biến tốc độ bánh sau. Lúc này, hộp điều khiển 4WS tính tốn và truyền tín hiệu để điều khiển góc lái phía sau thích hợp và sau đó gửi điện áp đến động cơ điện để cung cấp góc lái cho bộ truyền động phía sau.
- Điện áp được gửi đến động cơ của cơ cấu chấp hành lái phía sau thông qua hai transistors đầu ra. Một transistor này có nhiệm vụ dẫn dịng điện một dòng điện rẽ phải và các transistor khác được kích hoạt dẫn một dịng điện rẽ trái. Cảm biến chính góc lái chính và cảm biến góc lái phụ sẽ gửi tín hiệu phản hồi đến hộp điều khiển 4WS, cho biết góc lái phía sau thích hợp đã được cung cấp.
29
2.5.2.5 Cảm biến góc lái phía sau
30
Hình 2.23: Cảm biến đầu vào vị trí bánh sau đến mơ-đun điều khiển tay lái phía sau. - Cảm biến vị trí bánh sau được gắn ở phía dưới của bánh lái phía sau. Cảm biến vị trí bánh sau này có hai mạch tín hiệu được kết nối với mô-đun điều khiển tay lái bánh sau. Tín hiệu ở vị trí 1 là một phép đo tuyến tính của điện áp trên mỗi độ của vịng quay cảm biến vị trí lái phía sau. Đối với vị trí 1 đầu vào, phép đo theo độ là từ -620° từ bên trái
đến + 620° đến bên phải. Tín hiệu điện áp từ đầu vào vị trí 1 là 0,25 V đến 4,75 V. Nếu
điện áp tín hiệu từ vị trí 1 là 0.25 V, tay lái đã được xoay −600° qua trung tâm. Khi điện áp tín hiệu từ vị trí 1 là 4.75 V, tay lái đã được xoay +600° qua trung tâm. Tín hiệu điện áp từ vị trí 2 tăng hoặc giảm từ 0,25 V xuống 4,75 V cứ sau 180° xoay vơ lăng.
31
2.5.2.6 Cơ cấu lái phía sau.
Hình 2.24: Khớp cầu và cam lái
- Cơ cấu lái phía sau là cơ cấu lái loại bánh răng và bánh răng được gắn trên vỏ vi sai. Thanh răng được kết nối thông qua các thanh giằng và các đầu thanh giằng bên ngoài đến các cam lái. Các đầu thanh giằng bên ngoài được luồng vào thanh giằng và được giữ lại bằng đai ốc. Đầu bên trong của các thanh giằng được kẹp vào các đầu của thanh răng cơ cấu lái. Các công cụ đặc biệt được yêu cầu để tháo và lắp đặt các đầu bên trong của thanh giằng trên thanh răng. Trục cam lái trên các khớp ổ bi trên và dưới được bắt vít vào các phần mở rộng trên vỏ vi sai.
- Các khớp đồng tốc được gắn ở gần đầu ngoài của mỗi bán trục cầu sau. Trục then hoa kéo dài từ phía bên ngồi của khớp vào trung tâm phía sau và cụm ổ trục được bắt vít vào cam lái. Một đai ốc, khóa và chốt bi giữ lại các đầu bên ngồi của trục then hoa được nối trong moay-ơ và vòng bi. Các đĩa phanh được giữ lại trên các đinh tán trong moay- ơ và vòng bi. Động cơ sẽ truyền động điện cho cơ cấu lái phía sau được gắn trên đỉnh của cơ cấu lái, và động cơ này được bảo vệ bởi tấm chắn và tấm trượt được gắn vào vi sai. Các động cơ điện lái thanh răng tay lái để cung cấp tay lái bánh sau. Góc lái phía sau tối đa là 12° theo hai hướng.
32
Hình 2.25: Cơ cấu lái phía sau.
33
Hình 2.27: Hệ thống lái phía sau
2.6 Chế độ hoạt động của hệ thống lái 4WS
- Chế độ rẽ, vào cua ở tốc độ thấp
Hình 2.28: Hai bánh ngược chiều
- Hệ thống lái 4 bánh, hoạt động chủ yếu dựa trên việc đánh lái và tốc độ của xe. Các cảm biến góc đánh lái và cảm biến tốc độ, sẽ truyền tín hiệu về bộ xử lý trung tâm để điều khiển 2 bánh sau và tạo góc lái phù hợp với từng điều kiện vận hành. Khi xe hoạt
34
động dưới tốc độ 40 km/h, hệ thống sẽ điều khiển bánh sau đánh lái ngược chiều với 2 bánh trước giúp xe có thể chuyển hướng linh hoạt ở những khúc của gắt, hay luồn lách trong những ngõ hẹp. Tuỳ vào tốc độ của xe, bánh sau có thể bẻ lái 1 góc 2,8 – 3 độ giúp xe di chuyển linh hoạt hơn trong đô thị hay bãi đỗ xe.
- Chế độ rẽ, vào cua ở tốc độ cao
Hình 2.29: Hai bánh cùng chiều
- Khi tốc độ xe trên 40 km/h, bộ xử lý trung tâm sẽ tiếp nhận các tín hiệu từ các cảm biến góc đánh lái, cảm biến tốc độ xe sau đó xử lý thơng tin và truyền tín hiệu cho cơ cấu lái phía sau để điều khiển hai bánh sau cùng chiều với hai bánh trước để giảm hiện tường thừa lái, giúp xe chuyển hướng hay tránh các chướng ngại vật ổn định và an toàn hơn.
35
2.7 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng
Ưu điểm
- Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng giúp xe tăng độ ổn định khi vào cua. - Hệ thống điều khiển nhanh và nhạy sẽ cho phép lái nhẹ nhàng hơn. - Bán kính quay vịng nhỏ và linh hoạt ở tốc độ thấp
- Kiểm soát tốt hơn khi xe chạy ở tốc độ cao
- Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng có thể điều khiển bằng điện tử hoặc thủy lực.
- Ở tốc độ chậm, bánh sau di chuyển ngược chiều của các bánh trước. Điều này giúp cho việc đậu xe dễ dàng hơn.
Nhược điểm hệ thống lái bốn bánh
- Hệ thống lái bốn bánh khá đắt tiền do chúng có nhiều thành phần cấu tạo hơn so với hệ
thống lái hai bánh.
- Khả năng hư hỏng lớn do hệ thống được cấu tạo từ nhiều thành phần, đặc biệt là các thành phần điện tử. Nếu như một thành phần nhỏ bị hư thì tồn bộ hệ thống sẽ khơng hoạt động được.
- Mất nhiều thời gian và chi phí sửa chữa nếu như hệ thống bị hư.
2.8 Ảnh hưởng của hệ thống lái bốn bánh đối với động lực học của xe
- Nhằm mục đích hỗ trợ sự nhanh nhẹn và khả năng điều khiển, thì những phát minh sau đó khơng chỉ nhằm mục đích cho sự nhanh nhẹn mà về cơ bản là để cải thiện phản ứng kích hoạt và độ ổn định của xe khi lái. Hệ thống lái bốn bánh cơ khí mơ tả góc lái của
bánh sau 𝛿ℎ là một chức năng đơn giản góc lái của bánh trước 𝛿𝑣 hoặc góc của tay lái
𝛿𝐻:
36
- Đối với hệ thống lái tất cả các bánh xe được điều khiển điện tử đầu tiên, góc lái của
bánh sau 𝛿ℎ được mô tả như là một hàm của tốc độ (tiến) của ơ tơ và góc lái của bánh
trước 𝛿𝑣 hoặc góc của tay lái 𝛿𝐻:
𝛿ℎ = 𝑓(𝑣𝑥, 𝛿𝑣) (2.2)
- Trong quá trình phát triển, việc điều khiển đối với hệ thống lái bánh sau gần đây đã được mở rộng bằng cách đưa hệ thống lái tất cả các bánh vào trong chương trình ổn định điện tử của xe. Điều này có thể thực hiện được nhờ các cảm biến hợp lý có sẵn để theo dõi tốc độ, gia tốc dọc và ngang: [6]
𝛿ℎ = 𝑓(𝑣𝑥, 𝛿𝑣, ∆𝛿𝑣, 𝛿ℎ, 𝑎𝑥, 𝑎𝑦, 𝜓, 𝛽 … ) (2.3)
2.9 Các chất lượng động học của hệ thống lái bốn bánh
- Tỉ số truyền của hệ thống lái tất cả các bánh được mô tả bằng hệ số 𝑘𝑝 là thương số của
góc lái ở bánh sau và góc lái ở bánh trước.
𝑘𝑝 = −𝛿ℎ
𝛿𝑣 (2.4)
- Đối với hệ thống lái tất cả các bánh, hai nguyên tắc hoạt động thường được phân biệt: hướng song song và lái theo hướng ngược lại.
Hình 2.30 : Đánh lái hướng ngược lại: 𝑘𝑝< 0, lái hướng song song: 𝑘𝑝 > 0
- 𝑘𝑝 < 0: Khi đánh lái ngược chiều, bánh sau quay ngược lại với bánh trước. Trọng tâm
37
Vòng cua thu hẹp lại, trục sau của xe di chuyển trên quỹ đạo khác, điều này làm cho chiếc xe trở nên nhẹ nhàng và nhanh hơn.
- 𝑘𝑝 > 0: Nếu đặt bánh sau cùng chiều với bánh trước, thì trọng tâm sẽ chuyển về phía
sau. Sự mở rộng ảo của chiều dài cơ sở làm tăng thêm độ ổn định.
Hình 2.31: Sự thay đổi của vịng cua và sự thay đổi ảo của chiều dài cơ sở - Khi bánh xe sau đánh lái ngược với bánh trước thì nó sẽ rút ngắn chiều dài cơ sở ảo. - Khi bánh xe sau đánh lái ngược với bánh trước thì nó sẽ rút ngắn chiều dài cơ sở ảo. - Làm giảm bán kính góc cua.
- Khi bánh xe sau cùng chiều với bánh xe trước thì nó sẽ mở rộng chiều dài cơ sở ảo.[6]
38
2.10 Ảnh hưởng của hệ thống lái tất cả các bánh đối với các điểm đặc biệt của xe không chuyển động. không chuyển động.
- Ảnh hưởng của hệ thống lái tất cả các bánh lên các tính năng đặc biệt của xe khơng chuyển động sẽ được xem trong phần thảo luận kỹ hơn về chuyển động lái vòng tròn ở trạng thái ổn định. Gia tốc bên cao nhất có thể tiếp cận được gần như giống nhau đối với các xe có và khơng có hệ thống lái tất cả các bánh xe, nhưng sự khác biệt lớn nhất là sự phát triển của góc trượt bên của xe.
Hình 2.32: Thay đổi góc trượt bên của xe có hệ thống lái tất cả các bánh (phạm vi gia tốc từ giữa đến cao hơn)
- Nếu 𝑘𝑝 > 0, thì góc trượt trong của xe giảm theo kích thước của góc lái sau. Trong một
số ứng dụng trước đây, 𝑘𝑝 được chọn theo cách mà về mặt lý thuyết, góc trượt ln được
bù lại bằng khơng. Lý do là quan điểm miễn là góc trượt bằng 0, điều này sẽ tạo ra trạng thái lái ổn định. [6]
39
2.11 Ảnh hưởng của hệ thống lái tất cả các bánh đối với các điểm đặc biệt của xe không cố định. không cố định.
- Những ảnh hưởng của hệ thống lái bốn bánh lên phản ứng lái xe không cố định sẽ được thảo luận ở phần sau bằng cách kiểm tra các đặc điểm phản ứng khi chuyển góc lái và phản ứng lái xe khi chuyển làn.
Hình 2.33: Phản ứng của xe đối với góc lái cố định, bên trái 𝑘𝑝> 0, bên phải 𝑘𝑝< 0
- Hình 2.33 cho thấy bên trái cách một đầu vào lái động, chẳng hạn như bước nhảy của góc lái, nhanh chóng và ổn định tạo ra lực bên ở trục trước và trục sau. Điều này làm giảm phản ứng chệch hướng của xe xuống mức tối thiểu, tốc độ chệch hướng tăng chậm hơn trong khi gia tốc ngang tăng nhanh hơn. Hàm truyền của góc lái sang gia tốc bên có độ lệch pha thấp hơn. Góc lái đối diện ở bánh sau tạo ra lực bên ở trục trước và trục sau theo hướng ngược lại. Điều này tạo ra độ lệch một lần nữa, gia tốc bên ban đầu thấp hơn. Kết quả là khả năng lái nhanh nhẹn hơn, đặc biệt là ở dải tốc độ thấp.
40
Hình 2.34: Mơ phỏng chuyển động theo ISO (kp > 0), hệ thống lái tất cả các bánh màu xanh, hệ thống lái thông thường màu vàng.
- Một thao tác lái xe như thay đổi làn đường thể hiện một cách khách quan, hệ thống lái bốn bánh cải thiện khả năng lái xe. Góc trượt bên dưới là rõ ràng (Hình 2.34). Sự dư thừa điển hình khác của góc trượt bên trong làn thứ ba của sự thay đổi làn đường thấp hơn nhiều. Tốc độ ngang và gia tốc ngang ổn định hơn nhiều theo từng giai đoạn so với góc vơ lăng. [6]
41
2.12 Kết hợp hệ thống lái bánh sau với hệ thống lái ở bánh trước.
- Các ứng dụng của hệ thống lái tất cả các bánh cho phép tự chọn do góc lái của bánh sau làm cho nó phụ thuộc vào tốc độ lái và góc lái của bánh trước:
𝛿ℎ = 𝑓(𝑣𝑥, 𝛿𝑣) hoặc 𝑘𝑝= 𝑓(𝑣𝑥) (2.5)
Hình 2.35: Hệ thống lái chủ động trên BMW 5 (2010).
- Nếu góc trượt bên được bù bằng cách chọn 𝑘𝑝 sao cho bằng 0, xe sẽ trượt hơn nhiều so
với trường hợp khơng có hệ thống lái tất cả các bánh. Bất kỳ ơ tơ bốn bánh nào có góc lái thẳng hàng được áp dụng ở tốc độ cao hơn sẽ thể hiện xu hướng giảm tốc rõ rệt này. Khơng chỉ các đặc tính của xe đứng n mà cịn phải xem xét các đặc tính đứng n để hồn thiện khả năng lái với sự trợ giúp của bánh sau. Nếu xe đứng n có đặc tính rủi ro về đặc tính lái xe nhạy cảm với tốc độ khơng thay đổi, thì tỷ số cầu trước cũng phải nhạy cảm với tốc độ.
- BMW là hãng đầu tiên giới thiệu hệ thống lái tất cả các bánh vào năm 2008, "Hệ thống lái chủ động tích hợp, IAS", có thể đáp ứng các yêu cầu này đối với một hệ thống. Hình 2.35 cho thấy các thành phần của hệ thống lái chủ động tích hợp trong BMW 5. Hệ thống
42
lái trợ lực cơ điện được kết hợp với hệ thống lái ở cầu trước. Ở trục sau, hệ thống lái bánh sau cơ điện được áp dụng, với các điểm kích hoạt nằm ở các bộ phận vận chuyển trung tâm. ECU trong quản lý khung gầm tích hợp khơng được hiển thị.
- Nissan đã cung cấp hệ thống lái 4WAS cho Infinity G37 từ năm 2007, một sự kết hợp khác giữa hệ thống lái cầu sau với hệ thống lái cầu trước. Hệ thống 4WAS cung cấp sự phối hợp đánh lái liên kết thẳng hàng ở cầu trước và cầu sau ở dải tốc độ cao, trong khi ở dải tốc độ thấp, hệ thống lái bánh sau không di chuyển.
Hình 2.36: Tính trung lập tĩnh tại của hệ thống lái chủ động tích hợp
- Các góc lái ở cả hai trục có thể được lựa chọn độc lập từ đầu vào của người lái xe. Hệ thống điều khiển chủ động đạt được sự gia tăng gần như tính tốn của chuyển động hướng dẫn qua đầu vào của người lái khi bánh sau quay ở tốc độ thấp. Sự nhanh nhẹn tốt hơn do sự rút ngắn ảo của chiều dài cơ sở đã được mô tả trong chất lượng động học của hệ thống lái bốn bánh. Tỉ số truyền của hệ thống lái ở tốc độ này giúp cho việc lái xe trở nên dễ dàng hơn, ngay cả trong những góc hẹp.
43
- Khi tốc độ trên 50 km / h, bánh sau quay thẳng hàng với bánh trước. Góc lái ổn định liên tục được tăng lên như một hàm của tốc độ và góc của tay lái. Nhu cầu cao hơn về góc lái phát triển sau đó được bù đắp bởi hệ thống lái ở trục trước. Hệ thống lái tất cả