1- Trục chính của trục lái; 2- Cảm biến góc lái chính phía sau; 3- Cuộn stator; 4- Vỏ thiết bị truyền động; 5- Cảm biến góc lái phụ phía sau; 6- Lò xo hồi vị;
18
- Honda đã phát triển hệ thống lái cầu sau cơ điện từ năm 1991. Hình 2.9 cho thấy hệ
thống khá phức tạp. Một động cơ điện truyền chuyển động của nó đến một bánh răng tuần hoàn bi với đai ốc chuyển động quay thành chuyển động của trục quay trục lái. Hệ thống lái bánh sau chỉnh điện được trang bị cảm biến góc lái dự phịng vì lý do an tồn. Trong trường hợp hệ thống bị lỗi, bánh sau sẽ được đưa vào vị trí trung tâm nhờ lị xo hồi vị.
Hình 2.10: Hệ thống lái bánh sau của Nissan
- Nhà cung cấp Kayaba Industry, đã phát triển một hệ thống cơ điện khác cho hệ thống
lái bánh sau được sử dụng đặc biệt cho thị trường Nhật Bản trong nhiều ứng dụng của Nissan, chẳng hạn như Nissan Skyline. Hình 2.10 cho chúng ta thấy biến đổi chuyển động quay của động cơ trợ lực điện thành chuyển động lái của bánh sau. Vào những năm 1990, hầu như tất cả các hệ thống lái bốn bánh lại biến mất khỏi thị trường. Nguyên nhân là do chi phí bổ sung cao và thiếu hụt chức năng trong động lực lái xe.
- Hiện tại (tính đến tháng 3 năm 2010), ba nhà sản xuất trên toàn thế giới đang sử dụng
hệ thống lái tất cả các bánh xe. Hệ thống cơ điện được áp dụng trên các dòng xe như: Renault Laguna GT (2008), BMW 7 (2008), 5GT (2009) và 5 (2010) cũng như Nissan Infinity FX50 và G37,… [6]
19
Hình 2.11: Bố trí bộ truyền động lái ở trục sau của BMW 5 (BMW 1991/2008)
2.5.1 Bộ truyền động trung tâm so với bộ truyền động một bánh
- Trong các hãng xe của Nissan Infinity, BMW và Renault, các cơ cấu truyền động của bánh sau được bố trí đồng tâm ở trục sau. Một thiết bị truyền động trung tâm là điều khiển hai bánh xe bằng một kết nối cứng, các góc lái giống nhau được đặt ở cả hai bánh xe.
- Một khái niệm thiết bị truyền động trung tâm như vậy cần một không gian để liên tục chuyển động từ trái sang phải, điều này khơng có sẵn trong một số cấu trúc của xe. Đối với những trường hợp như vậy, các kỹ thuật thiết kế của bộ truyền động bánh đơn đã được cung cấp để thay thế cho bộ truyền động trung tâm.
20
Hình 2.12: Thiết bị truyền động một bánh của ZFLemförder
- Đây là các giải pháp kỹ thuật trong mỗi bánh sau có bộ truyền động được gắn kết riêng (Hình 2.12). Các bộ truyền động này cũng cho phép điều chỉnh độ chụm riêng cho mọi bánh xe, điều này có thể hữu ích trong q trình lắp ráp các trục và khi thực hiện các chức năng điều khiển động lực học. Những lợi ích trên của phương án thiết bị truyền động một bánh bị phản đối bởi sự phức tạp hơn so với thiết bị truyền động trung tâm. Không chỉ truyền tải thiết bị, mà cả biến cảm và thiết bị điện tử phải được cài đặt hai lần. - Ngồi ra, phải duy trì sự liên kết với nhau của các góc chỉ đạo để giữ điều khiển đổng bộ. Hệ thống truyền động một bánh gần như đắt gấp đơi trong q trình sản xuất, vì độ phức tạp cao hơn và sử dụng phần cứng gấp đôi. Hơn nữa, nguy cơ hệ thống vận hành lỗi trong quá trình vận hành trên xe của khách hàng càng cao và điều này có thể ảnh hưởng đến chi phí dịch vụ. [6]
21
2.5.2 Cấu tạo chung
Hình 2.13: Cấu tạo hệ thống 4WS điều khiển điện tử.
- Trên hệ thống lái bốn bánh được điều khiển điện tử, khơng có kết nối cơ học giữa thiết bị lái phía trước và bộ truyền động lái phía sau. Thiết bị truyền động lái phía sau này được điều khiển bởi hộp điều khiển 4WS. Hộp điều khiển điện tử này sẽ tiếp nhận các tín hiệu từ các cảm biến của góc vơ lăng, cảm biến tốc độ xe và các thơng tin góc lái phía trước để tính tốn và kiểm sốt góc lái phía sau.
22
2.5.2.1 Bộ truyền động phía sau.
Hình 2.14 : Cơ cấu lái phía sau.
- Bộ truyền động phía sau có thể được so sánh với một thiết bị lái điện. Bộ truyền động phía sau này chứa một động cơ điện điều khiển thanh răng lái thơng qua cơ cấu vít bi. Thanh giằng thơng thường được kết nối từ bộ truyền động lái đến tay lái và trục chính phía sau. Lị xo hồi vị bên trong bộ truyền động có nhiệm vụ dùng để di chuyển các bánh sau về vị trí ban đầu khi xảy ra lỗi trong hệ thống lái 4WS. Một cảm biến góc bánh sau (chính) và cảm biến góc bánh sau (phụ) được gắn trên đỉnh của cơ cấu lái phía sau. - Các cảm biến đầu vào trong hệ thống:
+ Cảm biến góc bánh sau chính trong bộ truyền động lái sau. + Cảm biến góc bánh sau phụ trong bộ truyền động lái sau.
+ Cảm biến góc vơ lăng chính trong cột lái dưới tổ hợp cơng tắc điện. + Cảm biến góc lái bánh trước ở giá trước và bánh lái bánh răng. + Cảm biến tốc độ bánh sau.
23
2.5.2.2 Cảm biến vị trí góc lái chính phía trước.
Hình 2.15: Vị trí cảm biến góc lái phía trước
- Cảm biến vị trí góc lái phía trước (SWPS) được gắn ở đầu dưới của cần tay lái và cảm biến này được điều khiển bằng cách xoay trục lái. Cảm biến vị trí góc lái cung cấp tín hiệu analog và ba tín hiệu số cho mơ-đun điều khiển. Mơ-đun điều khiển cung cấp tín hiệu tham chiếu 5 V cho cảm biến.
- Cảm biến vị trí góc lái phía trước chứa một chiết áp, sẽ gửi tín hiệu điện áp tương tự đến BCM liên quan đến vòng quay vơ lăng. Tín hiệu điện áp tương tự từ cảm biến vị trí góc lái phía trước đến BCM từ 0,25 V với tay lái được bố trí một vịng sang trái của vị trí trung tâm đến 4.75 V khi tay lái được định vị một vòng sang phải của vị trí trung tâm. Với tay lái ở vị trí trung tâm, tín hiệu điện áp tương tự của cảm biến vị trí góc lái phía trước là 2,5 V. Khi vơ lăng quay nhiều hơn một vịng sang trái của vị trí trung tâm, tín hiệu của cảm biến khơng thay đổi. BCM chuyển tiếp tín hiệu điện áp tương tự đến cảm biến thông qua các liên kết dữ liệu loại 2 đến mô-đun điều khiển tay lái bánh sau.
24
Hình 2.16: Cảm biến vị trí góc lái phía trước.
- Khi vành tay lái quay sang trái, con trượt trượt dọc theo điện trở và tạo ra tín hiệu điện áp giảm dần tại cảm biến vị trí góc lái tương ứng với góc quay của vành tay lái. Khi vành tay lái quay hết về bên trái, tín hiệu điện áp tại cảm biến vị trí góc lái sẽ bằng 0,25 V. Khi vành tay lái quay sang phải, tín hiệu điện áp giảm tăng dần tại cực SWPS và khi vành tay lái quay hết về bên phải, tín hiệu điện áp tại cực SWPS bằng 4,75 V.
25
Hình 2.17: Sơ đồ mạch điện cảm biến góc lái phía trước giao tiếp hộp BCM và bộ điều khiển 4WS.
- Cảm biến vị trí góc lái phía trước sẽ gửi tín hiệu thơng qua các mạch xung pha A, pha B và đánh dấu trực tiếp đến mô đun điều khiển tay lái bánh sau. Tín hiệu số xung đánh dấu được hiển thị trên công cụ quét ở mức cao nếu vơ lăng được đặt ở vị trí giữa 10° bên trái hoặc 10° bên phải tại vị trí trung tâm. Nếu vơ lăng được đặt ở vị trí hơn 10° ở bên phải hoặc bên trái của vị trí trung tâm, tín hiệu đánh dấu xung được hiển thị ở mức thấp. Tín hiệu pha A và pha B được hiển thị trên công cụ quét là cao hay thấp khi xoay vơ lăng. Các tín hiệu này thay đổi từ cao xuống thấp cứ sau một độ xoay vô lăng.
26
2.5.2.3 Bộ điều khiển 4WS
Hình 2.18: Bộ điều khiển 4WS
- Hộp điều khiển 4WS được lắp trên khung xe phía sau. Gồm cầu chì Mega 125A cấp nguồn dương ắc quy để điều khiển động cơ trợ lực lái.
27
- Cầu chì 4WS 15A sẽ cấp nguồn dương cho hộp điều khiển 4WS. Khi bật cơng 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 thông 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 dịng 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 mơ-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 vòng 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 vô 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 ngoài 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