1.3. Chọn phương án thiết kế hệ thống lái
1.3.3. Lựa chọn phương án thiết kế trợ lực lái
Để giảm cường độ hoạt động của người lái thì hệ thống lái cần có trợ lực. Hệ thống trợ lực lái trên xe du lịch có các kiểu sau: trợ lực khí nén, trợ lực thủy lực và trợ lực điện.
1.3.3.1. Hệ thống trợ lực bằng thủy lực.
Hình 1.13: Sơ đồ cấu tạo chung của hệ thống lái sử dụng trợ lực lái thủy lực
18
Hệ thống lái trợ lực bằng thủy lực được sử dụng rộng rãi trên các hệ thống lái ô tô, nhằm giảm lực điều khiển vô lăng của người lái để được người lái xe quay vô lăng lái nhẹ nhàng và linh hoạt hơn. Ngoài ra trợ lực lái còn có tác dụng hấp thu các chấn động từ mặt đường truyền lên vô lăng.
Hệ thống gồm 3 phần chính: bơm trợ lực (bơm cánh quạt), van điều khiển, xylanh lực. Van điều khiển gồm 3 loại: kiểu van cánh, kiểu van ống và kiểu van quay..
a. Nguyên lý hoạt động.
Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động đối với cơ cấu lái thanh răng – bánh răng có trợ lực: Piston trong xi lanh trợ lực được đặt trên thanh răng, và thanh răng dịch chuyển do áp suất dầu tạo ra từ bơm trợ lực lái tác động lên pít tông theo hướng này hoặc hướng kia. Một phớt dầu đặt trên pít tông để ngăn dầu khỏi rò rỉ ra ngoài. Trục van điều khiển được nối với trục lái. Khi vô lăng ở vị trí trung gian (xe chạy thẳng) thì van điều khiển cũng ở vị trí trung gian do đó dầu từ bơm trợ lực lái không vào khoang nào của xilanh trên thanh răng mà quay trở lại bình chứa. Tuy nhiên, khi vô lăng quay theo hướng nào đó thì van điều khiển thay đổi đường truyền do vậy dầu chảy vào một trong các buồng. Dầu trong buồng đối diện bị đẩy ra ngoài và chảy về bình chứa theo van điều khiển. Nhờ áp lực dầu làm dịch chuyển thanh răng mà lực đánh lái giảm đi.
b. Ưu nhược điểm của hệ thống.
- Ưu điểm:
Giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực của xylanh lực tác động lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra.
Là cơ cấu an toàn khi xe bị nổ lốp hoặc xì hơi. Kết cấu đơn giản so với hệ thống trợ lực khí nén và trợ lực điện. Làm việc tin cậy có độ bền cao, chịu được va đập nhẹ.
- Nhược điểm:
Áp suất dầu được tạo ra từ bơm mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ và bơm dầu luôn hoạt động trong suốt quá trình xe chạy vì vậy là tốn công suất của động cơ thường xuyên. Hệ thống cần độ kín khít cao, nên thường xuyên phải kiểm tra sự dò dỉ dầu của hệ thống. Kết cấu đơn giản nhưng hệ thống cồng kềnh dẫn đến tăng khối lượng của hệ thống. Làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống và van, dầu là chất thải gây ô nhiễm môi trường.
Hệ thống trợ lực lái thủy lực mới chỉ đáp ứng được công dụng trợ lực cho người lái giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng nên hệ thống trợ lực dầu còn nhiều hạn chế như sau:
Hệ thống làm việc theo 2 thông số là momen và góc quay trục lái do người điều khiển tác dụng nên chỉ đáp ứng được mặt trợ lực mà chưa đáp ứng được tỉ số truyền lực thay đổi theo tốc độ của xe. Về mặt tỉ số truyền góc bị hạn chế rất lớn đó là ở tốc độ thấp cần tỉ số truyền thấp để người lái quay vòng hiệu quả: người điều khiển phải quay vành lái ít và ở tốc độ cao cần có tỉ số truyền cao vì lúc này mức phản ứng của xe rất nhạy nhưng hệ thống chưa đáp ứng được.
1.3.3.2. Hệ thống trợ lực lái điều khiển bằng điện.
a. Đặc điểm của hệ thống lái trợ lực điện.
Các bộ phận của trợ lực điện gồm các bộ phận sau: cảm biến momen, motor điện một chiều, ECU, cảm biến tốc độ ô tô, và các dây điện.
Cảm biến momen có nhiệm vụ xác định momen trên trục lái do người lái tác dụng thông qua vành lái, từ đó gửi tín hiệu này đến ECU.
Cảm biến tốc độ xe có nhiệm vụ đưa tín hiệu tốc độ của ô tô tới ECU.
20
Hình 1.15: Sơ đồ hệ thống lái trợ lực điện.
Motor điện một chiều được dẫn động từ ECU, motor truyền momen qua khớp nối sang trục vít sang bánh vít bắt trên trục lái. ECU bộ phận điều khiển. ECU nhận tín hiệu từ cảm biến momen và cảm biến tốc độ xe từ đó tính toán momen cần trợ lực sau đó điều khiển motor điện.
Hình 1.16: Motor và bộ truyền trục vít – bánh vít của trợ lực lái b. Nguyên lý làm việc của hệ thống trợ lực lái bằng điện.
Theo hình ta thấy nguyên lý làm việc dựa trên nguyên tắc là ECU tiếp nhận 2 tín hiệu chính: tín hiệu đưa vào từ cảm biến momen của trục lái, cảm biến tốc độ bánh xem, từ đó ECU tính toán dẫn động motor điện trợ lực momen thích hợp với lực đánh lái. Lực đánh lái càng nhiều thì motor điện càng phải trợ lực nhiều hơn, nhưng momen trợ lực của motor sẽ được điều khiển giảm dần khi vận tốc của xe tăng dần.
Ở trạng thái quay vòng: người điều khiển quay vành lái tác động lên cảm biến momen, cảm biến momen truyền tín hiệu cảm biến được tới ECU kết hợp với tín hiệu từ cảm biến tốc độ của xe mà ECU tính toán dẫn động motor điện trợ lực momen thích hợp và nhờ cảm biến momen mà ECU xác định được chiều quay của trục lái, từ đó điều khiển chiều quay của motor điện cho thích hợp.
Ở trạng thái xe đi thẳng: trục lái không quay nên cảm biến momen không phát hiện có momen trên trục lái, tín hiệu đưa vào ECU của cảm biến momen trục lái là không có nên ECU chưa điều khiển motor điện trợ lực, vì thế trạng thái đi thẳng được giữ nguyên mà không có trợ lực.
Hình 1.17: Sơ đồ tín hiệu tiếp nhận và điều khiển của ECU.
c. Ưu nhược điểm so với hệ thống trợ lực thủy lực.
- Ưu điểm:
Ta thấy hệ thống trợ lực lái sử dụng thủy lực làm việc dựa trên 2 thông số là momen và góc quay trục lái, còn đối với trợ lực lái điện việc dựa trên nhiều thông số như tốc độ xe, momen trục lái, tốc độ động cơ, chế độ không tải, góc quay trục lái vì vậy ta có những ưu điểm của hệ thống trợ lực điện như sau:
Tạo ra được tỉ số truyển lực của hệ thống thay đổi theo tốc độ của xe, xe ở tốc độ thấp thì tỉ số truyền nhỏ, ngược lại ở tốc độ cao thì hệ thống sẽ thay đổi tỉ số truyền lớn.
Momen trợ lực của động cơ điện được điều kiển thay đổi tốc độ của xe vì vậy ưu điểm lớn nhất của hệ thống lái trợ lực điện là momen trợ lực của động cơ điện thay đổi phù hợp theo tốc độ của xe.
22
So với trợ lực thủy lực thì trợ lực điện làm việc êm hơn vì không có tiếng kêu của bơm trợ lực và kết cấu tuy phức tạp hơn nhưng lại gọn hơn vì vậy mà trọng lượng của hệ thống được giảm hơn so với trợ lực lái thủy lực.
Khi trợ lực bị hỏng thì lực điều khiển của người lái chỉ nặng như xe không có trợ lực chứ không nặng như trường hợp hỏng của trợ lực thủy lực.
- Nhược điểm: kết cầu và chế tạo phức tạp. Chịu va đập kém. Giá thành cao.
1.3.3.3. Lựa chọn phương án thiết kế trợ lực lái.
Qua phân tích đặc điểm, cũng như ưu nhược điểm của hệ thống trợ lực lái điện và trợ lực lái thủy lực, với những thế mạnh của trợ lực lái điện đã được trình bày ở trên thì em chọn phương án thiết kế hệ thống trợ lực lái là hệ thống trợ lực lái trợ lực điện.