Hệ thống lái ô tô: Cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động

1. Hệ thống lái ô tô là gì?

Hệ thống lái là một trong những hệ thống quan trọng trên ô tô, có cấu tạo khá phức tạp, được chia thành nhiều cụm cơ cấu và bộ phận có chức năng riêng biệt hỗ trợ lẫn nhau. Hệ thống lái ô tô dùng để thay đổi hướng, đảm bảo tâm quay của các bánh xe tuân thủ theo đúng động học quay vòng ô tô để hạn chế hiện tượng mòn bánh xe khi quay vòng và giữ cho ô tô chuyển động theo một hướng nhất định theo mong muốn của người lái xe như: quay vòng trái, quay vòng phải, đi thẳng,... 

Hệ thống lái giúp xe ô tô chuyển động theo quỹ đạo nhất định (Nguồn: sưu tầm)

2. Cấu tạo hệ thống lái ô tô

Cấu tạo chung hệ thống lái ô tô (Nguồn: Sưu tầm)

2.1. Dẫn động lái

Bộ phận này có vai trò truyền những chuyển động của người lái đến cơ cấu lái từ đó điều khiển bánh xe xoay theo hướng mong muốn. Đồng thời dẫn động lái có nhiệm vụ tiếp nhận những phản ứng từ mặt đường tạo nên cảm giác lái chân thực hơn, phải đảm bảo an toàn cho người lái khi có va chạm xảy ra. Dẫn động lái bao gồm các chi tiết sau:

• Vô lăng: Bộ phận được người lái sử dụng để điều khiển hướng di chuyển của xe, tích hợp nhiều tính năng khác hỗ trợ quá trình lái.
• Trục lái: Đây là ống kim loại nối với vô lăng và cơ cấu lái, có vai trò truyền momen quay từ vô lăng đến cơ cấu lái. 
• Thanh dẫn động: Bộ phận liên kết giữa cơ cấu lái và dẫn động lái, có các khớp liên kết để giúp thanh xoay theo nhiều góc khác nhau.

2.2. Cơ cấu lái

Cơ cấu lái có tác dụng điều khiển các đòn xoay trong cơ cấu động học hình thang lái giúp bánh xe chuyển động theo nguyên tắc Ackerman. Có hai loại cơ cấu lái phổ biến:

• Cơ cấu lái bánh răng - thanh răng có cấu tạo đơn giản, phù hợp cho các xe SUV, xe tải nhỏ hay xe du lịch. 
• Cơ cấu lái bi tuần hoàn có cấu tạo phức tạp hơn, phù hợp cho các xe tải lớn hay xe buýt. 

Cơ cấu lái bi tuần hoàn (Nguồn: Sưu tầm)

2.3. Trợ lực lái

Trợ lực lái có nhiệm vụ hỗ trợ giảm lực quay của vô lăng trong trường hợp cần thiết nhờ một nguồn năng lượng khác như điện, thủy lực hay khí nén. Hệ thống này có cấu tạo khá phức tạp và thường xuyên được cải tiến với nhiều loại trợ lực lái khác nhau, trong đó phổ biến nhất hai loại sau đây:

• Trợ lực lái thủy lực: Loại trợ lực lái này tạo nên áp suất dầu cao, đẩy piston trong hộp cơ cấu lái để quay bánh răng hoặc bánh vít bằng cách sử dụng bơm trợ lực. 
• Trợ lực lái điện: Tạo nên mô men xoắn làm quay bánh răng hoặc bánh vít bằng cách sử dụng động cơ điện. 

Cấu tạo của hệ thống lái trên ô tô (Nguồn: Sưu tầm)

3. Nguyên lý hoạt động hệ thống lái ô tô

Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái khá phức tạp và bao gồm một số nguyên lý cơ bản, hoạt động dựa trên vị trí hoạt động.

3.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống lái có trợ lực thủy lực

Hệ thống lái có trợ lực thủy lực sẽ sử dụng một bơm thủy lực để tạo ra áp suất dầu cao, đẩy piston trong hộp cơ cấu lái để giúp quay bánh răng hoặc bánh vít. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này như sau:

• Khi người lái quay vô lăng, trục lái sẽ quay theo và làm cho bơm thủy lực hoạt động, tạo ra áp suất dầu cao.
• Áp suất dầu cao sẽ được chuyển đến một van điều khiển, có chức năng phân phối áp suất dầu đến hai ống dẫn khác nhau, tùy thuộc vào chiều quay của vô lăng.
• Hai ống dẫn này sẽ kết nối với hai mặt của một piston trong hộp cơ cấu lái. Khi áp suất dầu cao đẩy piston sang một bên, piston sẽ quay bánh răng hoặc bánh vít trong hộp cơ cấu lái theo chiều ngang.
• Bánh răng hoặc bánh vít sẽ kéo hoặc đẩy thanh răng di chuyển theo chiều dọc, làm cho thanh dẫn động di chuyển theo chiều dọc.
• Thanh dẫn động sẽ kéo hoặc đẩy các thanh nối bánh xe, làm cho các bánh xe xoay theo góc mong muốn. Các bánh xe sẽ xoay theo nguyên tắc Ackerman, tức là bánh xe bên trong cua sẽ có góc lớn hơn bánh xe bên ngoài cua, để giảm thiểu ma sát và tăng độ ổn định của xe khi cua

Hệ thống lái có trợ lực thủy lực (Nguồn: Sưu tầm)

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

Hệ thống lái có trợ lực điện là loại hệ thống sử dụng một động cơ điện để tạo ra mô men xoắn, quay một bánh răng hoặc một trục vít để giúp quay bánh răng hoặc bánh vít trong hộp cơ cấu lái.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống này như sau:

• Khi người lái quay vô lăng, một cảm biến góc quay sẽ phát hiện và gửi tín hiệu điện tử đến một vi xử lý, có chức năng điều khiển động cơ điện. Vi xử lý sẽ tính toán và gửi tín hiệu điện tử đến động cơ điện, để quyết định mức độ và chiều quay của động cơ điện, tùy thuộc vào góc quay của vô lăng.
• Động cơ điện sẽ quay một bánh răng hoặc một trục vít, làm cho bánh răng hoặc bánh vít trong hộp cơ cấu lái quay theo chiều ngang.
• Bánh răng hoặc bánh vít sẽ kéo hoặc đẩy thanh răng di chuyển theo chiều dọc, làm cho thanh dẫn động di chuyển theo chiều dọc.
• Thanh dẫn động sẽ kéo hoặc đẩy các thanh nối bánh xe, làm cho các bánh xe xoay theo góc mong muốn của người điều khiển. Các bánh xe sẽ xoay theo nguyên tắc Ackerman, tức là bánh xe bên trong cua sẽ có góc lớn hơn bánh xe bên ngoài cua, để giảm thiểu ma sát và tăng độ ổn định của xe khi cua.

Hệ thống lái trợ lực điện (Nguồn: Sưu tầm)

4. Phân loại hệ thống lái ô tô

Đáp ứng sự phát triển của ngành công nghiệp xe hơi và nhu cầu của người sử dụng, hệ thống lái ô tô không ngừng được cải tiến và phát triển. Ở thời điểm hiện tại có 6 loại hệ thống lái, mỗi loại sở hữu những điểm riêng biệt. 

4.1. Hệ thống lái thuần cơ khí

Loại hệ thống lái này được phát triển từ những năm 50 của thế kỷ XIX và hiện tại đã không còn được ứng dụng vào sản xuất xe hơi. 

Hệ thống được cấu tạo với hai thành phần là dẫn động lái và cơ cấu lái. Trong đó, dẫn động lái có vai trò truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe, đảm bảo bánh xe quay quanh trục đúng theo ý muốn của người lái. Cơ cấu lái chuyển đổi mô men giữa các góc quay vành lớn và góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng. 

4.2. Hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS)

Để tiết kiệm năng lượng khi quay vòng xe và tránh sự va đập của bánh xe lên vô lăng, hệ thống lái HPS đã ra đời dựa trên sự cải tiến và phát triển hệ thống thuần cơ khí. Ở Việt Nam, hệ thống này được ưa chuộng bởi giá thành rẻ cũng như phù hợp với tốc độ di chuyển trong đô thị. 

Hệ thống sử dụng áp suất dầu để hỗ trợ việc chuyển hướng lái bánh xe. Đây là một hệ thống vòng kín sử dụng chất lỏng thủy lực điều áp để thay đổi góc bánh xe của bánh trước dựa trên góc lái người điều khiển xe, giúp người chạy xe điều khiển tay lái nhẹ nhàng hơn.

Hệ thống lái trợ lực thủy lực (HPS) bao gồm: Bộ giảm thanh thuỷ lực, bánh răng, ống thuỷ lực, piston thuỷ lực, nắp răng thanh răng (Nguồn: Sưu tầm)

4.3. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điều khiển bằng điện tử (EHPS)

Nhờ sở hữu dải tốc độ đa dạng nên tại Việt Nam, loại hệ thống lái này được trang bị trên các mẫu xe sang hay dòng xe tầm trung. 

Hệ thống có cấu tạo gồm cơ cấu lái, dẫn động lái và được bổ sung thêm bộ điều khiển MCU trực tiếp điều khiển van trợ lực thay cho thanh xoắn.

4.4. Hệ thống lái trợ lực điện tử (ESP)

Hệ thống ESP sẽ thay thế bơm dầu bằng động cơ hay mô-tơ điện, môt đặc điểm khác biệt so với các hệ thống lái truyền thống trước đó. Các mẫu xe sử dụng hệ thống này thì đặc tính trợ lực điện được xây dựng dựa trên đặc tính cản từ mặt đường.

Cụ thể, các cảm biến mô men gắn trên thanh xoắn xác định lực cản mặt đường tác dụng lên hệ thống. Kết hợp với hệ thống cảm biến khác và thông số về tình trạng xe, hệ thống lái trợ lực điện quyết định tỷ lệ trợ lực thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện.

Các cảm biến mô men gắn trên thanh xoắn xác định lực cản mặt đường tác dụng lên hệ thống quyết định tỷ lệ trợ lực thông qua việc điều khiển trực tiếp mô tơ điện (Nguồn: Sưu tầm)

4.5. Hệ thống lái chủ động (AFS)

Hệ thống AFS là hệ thống lái trợ lực điện điều khiển bằng điện tử thường trang bị trên các mẫu xe hạng sang, kết hợp cùng với bộ trợ lực để tạo nên một hệ thống lái hoàn chỉnh. AFS dựa trên cảm biến để thu thập thông số đầu vào ECU hệ thống lái, tạo ra 1 lực (có thể trợ lực hoặc cản lực) trong mô-tơ điện. Từ đó, phân tích về sự chuyển động thực tế của xe khi lưu thông ở các tốc độ khác nhau tại các điều kiện khác nhau và quyết định chính ở hai tín hiệu góc đánh lái và góc xoay thân xe.

Bộ trợ lực của hệ thống lái ô tô được cố định trên trục lái (EPAS-column), trên thước lái (EPAS-rack) hoặc gắn thêm giảm tốc và lắp đặt trên thước lái (EPAS-pinion), song song với thước lái (EPAS-dual-pinion). thiết kế Khi ô tô chuyển động ở dải tốc độ thấp hướng chuyển động của ô tô được quyết định bởi góc đánh lái

4.6. Hệ thống lái Steer-by-wire

Steer-by-wire là hệ thống lái điện sử dụng bộ ECU điều khiển dòng thủy lực xuống thước lái cùng với bộ phận đo góc lái. Đồng thời, hệ thống sử dụng một ly hợp dùng để kết nối trực tiếp từ vô lăng tới thước lái trong những tình huống khẩn cấp.

Ngoài ra, hệ thống lái này còn được gắn thêm một camera để giám sát hướng di chuyển và tác động trực tiếp lên thước lái để dịch chuyển hướng di chuyển của bánh xe.

Có hai hệ thống Steer-by-wire là:

• Steer-by-wire độc lập: mỗi bánh xe được bố trí một động cơ điều khiển
• Steer-by-wire tích hợp: hai bánh dẫn hướng liên kết với nhau qua hình thang lái

5. Lưu ý khi sử dụng hệ thống lái ô tô

Hệ thống lái giữ vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của xe ô tô. Vì vậy, để xe vận hành xuyên suốt, trơn tru, người dùng xe cần lưu ý một số điều khi sử dụng hệ thống này:

• Kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống lái thường xuyên: Người lái xe cần tuân thủ lịch trình bảo dưỡng xe từ hãng, đảm bảo sự an toàn trong quá trình sử dụng và kéo dài tuổi thọ cho hệ thống.
• Điều chỉnh vô lăng phù hợp với chiều cao và tư thế ngồi: Điều này sẽ thuận lợi cho việc đánh lái, thay đổi hướng di chuyển xe, đảm bảo sự an toàn trong quá trình vận hành xe.
• Không quay vô lăng quá nhanh hoặc quá chậm: Việc này có thể ảnh hưởng đến độ bền của hệ thống lái, khiến bộ phận này nhanh chóng hư hỏng hoặc cần đến một chi phí khá lớn để sửa chữa, bảo dưỡng. 
• Không để vật nặng hoặc sắc nhọn trên vô lăng: Những vật này sẽ vô tình trở thành vũ khí gây sát thương cho người lái trong trường hợp xe xảy ra va chạm. 

Kiểm tra và bảo dưỡng hệ thống lái thường xuyên đảm bảo sự an toàn trong quá trình sử dụng và kéo dài tuổi thọ cho hệ thống

Hệ thống lái ô tô là bộ phận chủ chốt và nắm giữ vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của xe. Với cấu tạo phức tạp, nguyên lý hoạt động đa dạng, vậy nên việc nắm rõ những kiến thức về bộ phận này là điều cần thiết, giúp việc sử dụng hiệu quả bền bỉ hơn.

Trong quá trình sử dụng, người dùng nên lưu ý kiểm tra và bảo dưỡng thường xuyên. Đối với các chủ xe Toyota có thể liên hệ dịch vụ bảo dưỡng định kỳ tại Toyota hoặc gọi điện trực tiếp hotline để được tư vấn cụ thể.

Thông tin liên hệ:

• Tổng đài tư vấn: 1800 1524 - 0916 001 524
• Email CSKH: [email protected]

Tags: Hệ thống treo trên ô tô, Cruise Control là gì, hệ thống điện ô tô, Phanh ABS là gì, hệ thống truyền lực trên ô tô, phun xăng điện tử

Khám phá thêm về Toyota tại:

Facebook | Youtube | Instagram