Vị trí tức thời của CCL là một thơng tin cần thiết giúp cho q trình điều khiển trợ lực. Tín hiệu của cảm biến đưa về EPS ECU giúp cho việc đưa các tín hiệu ra –
tương thích với mức độ trợ lực cần thiết.
Cảm biến xác định mô men trên trục lái được biểu diễn trên thuộc loại cảm biến dây quấn. Trên trục lái bố trí thanh xoắn nhỏ 4, thanh xoắn được cố định ở phía trên với trục 1 của cảm biến. Trục 1 bao ngoài thanh xoắn và mang theo cực từ rotor trên 7 tạo nên bởi các vấu từ có vịng dây đồng khép kín mạch. Đầu dưới của thanh xoắn nối với trục bánh răng 5 của CCL, đồng thời mang theo cực từ rotor dưới 8 tạo nên bởi các vấu từ có vịng dây đồng khép kín mạch. Khi quay vành lái dưới tác dụng của Mvl, thanh xoắn 4 biến dạng, các rotor cực từ trên và dưới (7, 8) xoay cùng chiều với các góc quay khác nhau, tạo nên chuyển dịch tương đối. Các stator trên 2 và stator dưới 3 của cảm biến đặt trên vỏ CCL, và được chế tạo thành các vấu dẫn từ có các vịng dây cảm ứng cuốn quanh.
Các cuộn dây cảm ứng trên các stator cung cấp tín hiệu điện dạng sóng, nếu có sự chuyển dịch tương đối giữa rotor và stator. Sự biến dạng xoắn giữa hai đầu của thanh xoắn tạo nên chuyển vị của cực từ rotor trên 7 lớn hơn chuyển vị của cực từ rotor dưới 8 và tạo nên sự chênh lệch điện áp trên các cuộn dây stator trên và dưới. Tín hiệu điện áp mơ tả chuyển vị xoắn tuyệt đối của hai đầu thanh xoắn (q1, q2), tỷ lệ với góc chuyển vị tương đối q (q = q1 – q2) và mô men xoắn tác dụng lên vành
lái Mvl. Như vậy, tín hiệu điện áp ở các cuộn dây stator được đưa về EPS – ECU và
xác định giá trị q mô phỏng giá trị Mvl. Giá trị Mvl là thơng số chính để EPS –
ECU quyết định tín hiệu điều khiển mô tơ điện.
Bộ trợ lực cũng sử dụng cảm biến đo mô men xoắn trên vành lái dạng cảm ứng từ dây cuốn, và được bố trí liền khối với mơ tơ trợ lực.
Một số dạng bố trí mơ tơ điện trên CCL hiện nay trình bày trên hình 2.16, đặt trên trục lái (a), đặt trên trục bánh răng của CCL(b). Một số ít CCL bố trí mô tơ điện ngay trên trục chủ động chủ động của CCL tuy nhiên cảm biến góc mơ men vành lái
được đặt trên trục lái.
Các hệ thống sử dụng điều khiển điện tử đối với trợ lực lái có quan tâm tới các trạng thái trợ lực khi chịu tác động của lực bên. Do vậy một số ô tô con sử dụng các cảm biến gia tốc bên để đánh giá trạng thái quay vòng của ơ tơ (Quay vịng đủ, thiếu, thừa) và điều khiển trợ lực lái theo đồ thị trên hình 2.20
Hình:2.20. Quan hệ của Mvl và gia tốc của một ô tô con khi dùng EHPS và EPS
Với hệ thống EPS và EHPS, kết quả chỉ ra rằng: Với các hệ thống EPS khi hoạt động ở vùng có tốc độ cao và lực bên (gia tốc bên) lớn, cho phép MVLnhỏ hơn trên hệ thống EHPS, điều này có thể lý giải: Khi sử dụng hệ thống EHPS, MVL cần lớn để thắng lực cản thủy lực.
Các hệ thống trợ lực lái EPS và EHPS làm việc phụ thuộc năng lượng của ắc quy đều thực hiện các chức năng trợ lực thông thường nhưng với ưu điểm nổi bật:
- Tăng khả năng thích ứng của hệ thống lái trong các điều kiện làm việc khác nhau và góp phần quản lý hệ thống tốt hơn, do có khả năng đưa nhiều thông số vào các mạch điền khiển và xử lý các chương trình phần mềm cài đặt sẵn bên trong
EPS-ECU. Cho phép góp phần hạn chế lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ nhiệt bằng cách thu hồi năng lượng của động cơ nhiệt khi dư thừa cấp cho bình tích năng lượng (ắc quy) và sau đó sử dụng với mục đích hỗ trợ lực điều khiển của người lái. Tạo điều kiện kiểm soát chặt chẽ sự làm việc của hệ thống lái thông qua các đèn
báo, giúp nâng cao khả năng đảm bảo an toàn trong chuyển động của ô tô. Tuy
nhiên, sự đưa các công nghệ điện tử làm phức tạp thêm hệ thống, đồng thời người sử dụng cần chăm sóc hệ thống cung cấp điện chặt chẽ hơn (máy phát điện, ắc
quy…).
2.5. Hệ thống lái 4 bánh xe dẫn hướng
Việc điều khiển tất cả các bánh xe ô tô được xuất hiện sau chiến tranh thế giới thứ hai trên các ô tô quân sự cần có khả năng cơ động cao (quay vịng với bán kính nhỏ). Khi đó, các bánh xe đều được coi là bánh xe dẫn hướng và quay ngược chiều nhau với quan hệ động học ngược tạo nên bán kính quay vịng nhỏ. Hiển nhiên, khi quay vòng như vậy cần phải vận hành với vận tốc ô tô nhỏ nhằm hạn chế lực ly tâm gây lật đổ xe.
Sau những năm 1970, do các đòi hỏi về ổn định chuyển động ở tốc độ cao, ô tô con được bố trí khả năng quay vịng sao cho tránh rơi vào tình trạng quay vịng thừa, như vậy khi quay vòng ở tốc độ cao các bánh xe dẫn hướng cần quay cùng chiều. Hiện tượng quay vòng thừa xảy ra trên các loại xe có sử dụng bánh xe đàn
hồi (lốp cao su chứa khí nén, và sự tự điều khiển cầu xe trên các loại hệ thống treo khác nhau,…). Giá trị của góc điều khiển cầu sau khơng lớn, nhưng khi xe chuyển động ở tốc độ cao lại ảnh hưởng tới khả năng an tồn, nên khi quay vịng cần hạn chế. Điều này dẫn tới các loại ơ tơ con có hệ thống lái tất cá các bánh xe và làm việc tuỳ thuộc vào tốc độ ô tô.
Ở trên các ơ tơ con hiện đại bố trí cơ cấu lái (CCL) điều khiển tất cả các bánh
vòng hoặc cùng chiều hoặc ngược chiều với các bánh xe trước (hình 2.21). Hệ thống như vậy được ký hiệu 4WS (four Wheels Steering).
Hình: 2.21 .Hệ thống four Wheels Steering (4WS)
Các xe có hệ thống lái điều khiển tất cả các bánh xe được chia làm hai loại: điều khiển phụ thuộc vào tải trọng (thụ động) và điều khiển phụ thuộc vào vận tốc và góc quay vành lái (chủ động). Phần lớn ơ tơ có 4WS ngày nay sử dụng điều khiển tích cực từ vành lái.
2.5.1. Điều khiển thụ động và điều khiển tích cực:
Điều khiển thụ động phụ thuộc vào tải trọng bố trí trên một số ơ tơ con, và được thực hiện chủ yếu nhờ khả năng thay đổi vị trí chuyển hướng của các bánh xe
sau theo hệ thống treo. Các loại xe có lắp hệ thống này đảm bảo tính quay vịng và ổn định trên đường cong ở tốc độ cao. Nhưng khi xe chạy thẳng trên đường gồ ghề, tải trọng đặt lên các bánh xe biến đổi làm xấu tính ổn định chuyển động thẳng, mặc dù góc quay các bánh xe sau là rất nhỏ. Các loại ơ tơ này có khả năng dẫn hướng bánh xe sau thông qua kết cấu hệ thống treo động học mềm (biến dạng động học), hay sử dụng hệ treo của cầu dẫn hướng. Tùy thuộc vào mức độ hồn thiện kết cấu của ơ tô, các trạng thái này được xây dựng với các quy luật biến đổi quan hệ giữa
các góc quay dẫn hướng trên các cầu khác nhau.
Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ơ tơ Mitsubishi Sigma thế hệ trước đây được trình bày trên hình: 2.22. Mỗi bánh xe sau được treo trên ba thanh theo kết cấu không gian: ột thanh dọc 2 và hai thanh ngM ang 3, 5. Các liên
kết gối tựa bố trí khớp cao su đàn hồi và tạo nên cơ cấu điều khiển chuyển hướng bánh sau thụ động theo các góc được tính tốn trước. Khi bánh xe dịch chuyển lên xuống ứng với tải trọng nhỏ, sẽ thay đổi không đáng kể độ chụm bánh xe, góc nghiêng dọc và khơng thay đổi tính chất, chuyển động của ơ tơ. Các bánh xe sau cịn liên hệ với thân xe thơng qua một ống thủy lực. Dưới tác dụng của lực dọc (lực phanh), các ống thủy lực biến dạng đẩy bánh sau theo hướng nâng cao độ chụm
bánh xe không thay đổi. Tuy nhiên, khi quay vòng ở tốc độ cao lực dọc gây nên trên các bánh xe khác nhau và có thể dẫn tới thay đổi độ chụm bánh xe, tương ứng với góc điều khiển với bánh sau.
Hình: 2.22. Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ơ tơ Mitsubishi Sigma Ngày nay, trên nhiều loại xe đã lắp hệ thống lái điều khiển tích cực. Các bánh xe sau của loại xe này đặt trên các hệ thống treo có khả năng dẫn hướng bánh xe, các đòn dẫn động lái (tương tự như bánh xe dẫn hướng cầu trước). Các bánh xe sau cũng sử dụng cơ cấu lái dạng cơ khí hoặc cơ khí thủy lực,…–
2.5.2. Điều khiển 4WS tích cực:
Từ năm 1987, nhằm nâng cao khả năng ổn định khi chuyển động với vận tốc cao, đã xuất hiện các loại ô tô con có kết cấu điều khiển các bánh xe quay cùng
chiều. Nhờ việc kết hợp với giải pháp nâng cao khả năng cơ động khi ra vào chỗ đỗ, và ổn định ở tốc độ cao, hệ thống lái 4WS ngày nay đã hình thành với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau như trên hình 2.23.
Hình: 2.23. Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sauBa trạng thái điều khiển cơ bản khi chuyển động Ba trạng thái điều khiển cơ bản khi chuyển động
1. Khi góc quay vành lái nhỏ và sử dụng với tốc độ trung bình, các bánh xe sau khóa cứng tương tự như kết cấu truyền thống (hình 2.23b).
2. Các bánh xe trước và sau quay ngược chiều, trạng thái này bảo đảm để dễ dàng quay đầu xe, ra vào chỗ đỗ, bán kính quay vịng nhị (hình 2.23a).
3. Các bánh xe trước và sau quay cùng chiều, đảm bảo nâng cao khả năng quay vòng thiếu của xe, tức là tạo điều kiện nâng cao tính ổn định chuyển động khi hoạt động ở vận tốc cao (hình 2.23c).
Hình: 2.24. Hệ thống lái 4WS với kết cấu cơ khí
Xe Honda Prelude 4WS
Sử dụng bộ truyền cơ khí kiểu vi sai điều khiển bánh xe sau theo góc quay vành lái. Tất cả các bánh xe đều bố trí trên hệ thống treo Mc. Pherson với các địn dẫn động lái cho các bánh dẫn hướng. Trên cầu trước, cơ cấu lái kiểu bánh răng –
thanh răng, có hộp truyền lực bánh răng 3 ra cơ cấu lái sau 5. Thanh răng của cơ cấu lái trước làm nhiệm vụ đòn ngang của các bánh trước, đồng thời là trục dẫn động 5 của cơ cấu lái sau. Tỷ số truyền giữa vành lái và trục các đăng bằng 2. Như vậy
vành lái 1 quay gấp hai lần trục các đăng 4.
Cơ cấu lái sau ở dạng bộ truyền hành tinh thu gọn và được dẫn động nhờ trục các đăng 4 nằm dài theo chiều dọc xe. Trục các đăng có then hoa đi trượt dọc trục để đảm bảo bù kích thước khi thân xe biến dạng.
Cấu tạo của cơ cấu lái sau và sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình 2.24b, hình 2.24c.
Khi xe chuyển động ở tốc độ cao người lái quay vành lái nhỏ, các bánh xe trước và sau quay cùng chiều.
Khi ra vào chỗ đỗ hoặc chỗ quay ngoặt góc quay vành lái lớn, tốc độ chuyển động của xe nhỏ, các bánh xe trước và sau quay ngược chiều. Quan hệ giữa góc
quay bánh xe trước và sau với góc quay vành lái biểu diễn trên hình 2.24d.
b) Hệ thống lái 4WS với kết cấu khí thủy lực điện tử.
Trên xe Mazda 626 4WS bố trí hệ thống điều khiển tất cả các bánh xe bằng cơ
khí – điện thủy lực. Các bánh xe trước và sau đặt trên hệ treo Mc. Pherson dùng –
cho bánh xe dẫn hướng. Sơ đồ bố trí chung của tồn bộ hệ thống lái được mơ tả ở
hình 2.25.
Hình: 2.25. Hệ thống lái 4WS với kết cấu khí thủy lực điện tử
Trên hình 2.25a, các bánh xe trước được điều khiển bằng cơ cấu lái bánh
răng thanh răng 5, còn ở các bánh xe sau sử dụng hệ thống thủy lực điện tử 1 điều –
thông qua mô tơ DC và bơm dầu 7. Chế độ làm việc của cơ cấu lái sau được điều hành nhờ máy tính điện tử ECU 3 với các tín hiệu đưa vào: tốc độ xe (cảm biến tốc độ 4), vị trí vành lái (cảm biến góc quay 5). ECU điều khiển quay mơ tơ bước.
Nguyên lý cấu tạo cơ cấu lái sau (hình:2.25b), bao gồm: ô tơ bước điều khiển M
bánh răng, quay theo vị trí của vành lái tương ứng, đĩa phân phối chuyển dịch theo tốc độ chuyển động của ô tô. VPP làm việc theo hai trạng thái của tín hiệu và mở các đường dầu vào xi lanh lực để đẩy dòn ngang thực hiện quay các bánh xe sau. Cụm cơ cấu lái sau được mơ tả trên hình 2.25c. Mô tơ bước 10 mô phỏng trạng thái làm việc của các bánh xe cầu trước theo tín hiệu góc quay vành lái, đĩa phân phối quay theo tốc độ ô tô. Kết hợp giữa hai chuyển động, trục điều khiển 4 dịch chuyển đóng mở các van phân phối 6 cấp dầu cho xi lanh lực và đẩy píttơng 5 dịch chuyển, thực hiện điều khiển các bánh sau. Pittơng 5 làm việc hai chiều, phụ thuộc vào góc
quay vành lái.
Đồ thị biểu hiện mối quan hệ của vận tốc của xe với tỷ số góc quay tương đối [%] của bánh xe sau với bánh xe trước chỉ ra ở hình 2.25d.
Các bánh xe sau quay ngược chiều khi v < 35 km/h. Ở vận tốc 60 km/h góc quay trung bình của các bánh xe trước là 10o, Góc quay trung bình của các bánh xe
sau là: 15%.100=1,50.
Trên xe Mitsubishi Sigma thế hệ gần đây được trang bị nhiều bộ phận điện tử dùng cho điều khiển lái tất cả các bánh (hình 2.26a).
Mitsubishi Sigma đã cải tiến rất mạnh sang hướng ứng dụng cơ điện tử trong các hệ thống.
Hệ thống lái tất cả các bánh xe (hình 2.26b) Bố trí cơ cấu lái bánh răng thanh
răng 3 có trợ lực thủy lực trên cầu trước. Nguồn năng lượng trợ lực được thực hiện nhờ một bơm thủy lực 5, đường cấp dầu cho xi lanh lực (XLL) cầu trước có thêm một nhánh dẫn dầu điều khiển con trượt của van điều khiển cơ cấu lái sau. Đường dầu điều khiển xi lanh lực 10 của cơ cấu lái sau được thực hiện qua một bơm khác
Hình: 2.26. Sơ đồ bố trí hệ thống 4WS trên Mitsubishi Sigma
Trên cơ cấu lái trước, hiệu quả trợ lực giảm khi nâng cao tốc độ ô tô, tạo
thuận lợi khi ra vào chỗ đỗ xe với tốc độ thấp, tạo cảm giác tốt cho lái xe khi xe chạy với tốc độ cao, xử lý nhanh với các ảnh hưởng ngoại cảnh. Khi hoạt động trên 50 km/h, các bánh xe sau quay cùng chiều với các bánh xe trước và giá trị lớn nhất góc quay bánh xe sau chỉ bằng 1,50. Với cấu trúc như vậy, cho phép ơ tơ nâng cao tính ổn định, hạn chế tình trạng quay vịng thừa và giảm góc xoay thân xe. Ngược lại khi chuyển động ra vào chỗ đỗ, hệ thống cho phép điều khiển dễ dàng. Hệ thống cung cấp dầu cho trợ lực lái trước và điều khiển lái các bánh sau tách biệt để phòng ngừa sự cố trong hệ thống cấp dầu. Khi đó, các bánh xe cầu sau bị khóa cứng bằng thủy lực ở vị trí giữa và khơng được điều khiển.
Trên hình 2.27 biểu diễn bố trí chung của hệ thống 4WS trên xe BMW.
Hệ thống sử dụng các cảm biến tốc độ ô tô, góc quay vành lái theo chế độ kiểm sốt thường xun. Cảm biến góc quay vành lái được bố trí trong bộ giảm tốc trợ lực lái, cảm biến tốc độ ô tô lấy từ cảm biến tốc độ bánh xe (ABS) trên các bánh