Cấu tạo và nguyên lý làm việc cảu hệ thống lái 4WS trên ô tô

1

CÁC GIẢI PHÁP AN TOÀN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRONG HỆ
THỐNG PHANH VÀ HỆ THỐNG LÁI
Câu 1: Phân tích nguyên lý điều khiển hệ thống lái 4WS.
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 vòng 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 vòng 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 vòng sao cho tránh rơi vào tình trạng quay vòng
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 không lớn, nhưng khi xe chuyển
động ở tốc độ cao lại ảnh hưởng tới khả năng an toàn, nên khi quay vòng cần hạn
chế. Điều này dẫn tới các loại ô tô con có hệ thống lái tất cá các bánh xe và làm
việc tuỳ thuộc vào tốc độ ô tô.
Ở trên các ô tô con hiện đại bố trí cơ cấu lái (CCL) điều khiển tất cả các
bánh xe thỏa mãn cả hai nhu cầu: cơ động và ổn định, tức là bánh xe cầu sau có thể
quay vòng hoặc cùng chiều hoặc ngược chiều với các bánh xe trước (hình 1). Hệ
thống như vậy được ký hiệu 4WS (four Wheels Steering).
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 ô tô có 4WS ngày nay sử dụng điều
khiển tích cực từ vành lái.
2

Hình1: Hệ thống lái điều khiển bốn bánh xe theo van tốc
I. Điều khiển thụ động và điều khiển tích cực:
a. Điều khiển thụ động
Điều khiển thụ động phụ thuộc vào tải trọng bố trí trên một số ô tô 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 vòng
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 ô tô 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 hoàn thiện kết
cấu của ô 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 ô tô Mitsubishi Sigma thế
hệ trước đây được trình bày trên hình 2. Mỗi bánh xe sau được treo trên ba thanh
theo kết cấu không gian: một thanh dọc 2 và hai thanh ngang 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 toán 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 không thay đổi tính chất, chuyển động của ô tô. Các bánh xe sau còn liên hệ
với thân xe thông 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.
3
Hình 2. Hệ thống điều khiển cầu sau thụ động bố trí trên ô tô 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,…
b. 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 4.
Hình 3. Hệ thống lái 4WS với 3 trạng thái điều khiển bánh xe cầu sau
4
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 3b).
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 vòng nhỏ (hình 3a).
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 3c).
Từ những đặc điểm của hệ thống 4WS trên được bố trí trên các dòng xe như
hiện nay thì để đảm bảo tính ổn định của xe trong các điều kiện mất an toàn,
chuyển động quay vòng…, hệ thống lái 4 WS có các dạng điều khiển bảo đảm an
toàn như sau.
(3) Chỉ đạo hoạt động
cầu trước
(1) Điều khiển hoạt động cầu sau
(2) Kiểm soát trực tiếp sự chạy lệch
bánh sau
Hình 4: Điều khiển chuyển động trơn trợt
Hình5: Điều khiển chuyển động trơn trợt
bánh sau (khẩn cấp)
Hình6: Kiểm soát tỷ lệ trượt ngang

5
- Điều khiển hoạt động cầu sau (4WS).
Điều khiển chuyển động trơn trợt: Trong trường hợp khi chuyển hướng,
quay vòng hoặc điều kiện đường trơn trượt…bánh dẫn hướng phía trước đi lệch
quỹ đạo chuyển động của xe như hình 7 trên về phía mũi tên đẩy cho xe trượt
ngang về bên phải, trong trường hợp này thông qua hệ thống các cảm biến xẽ xác
định quỹ đạo sai lệch của bánh trước điều khiển các bánh sáu quay ngược triều so
với bánh trước để cân bằng góc lệch của bánh trước. Như vậy thông qua sơ đồ trên
ta thấy trong điều kiện náy những dòng xe có sử dụng hệ thống 4WS sẽ có mức độ
ổn định an toàn cao hơn khi xe chuyển hướng.
Hình7: Điều khiển chuyển động trơn trợt
- Kiểm soát trực tiếp sự chạy lệch bánh sau
Điều khiển chuyển động trơn trợt bánh sau (khẩn cấp)
Trong trường hợp khi bánh sau quay lệch hướng so với hướng chuyển động
thẳng của xe như trên hình 8, trong trường hợp này do xe được trang bị hệ thống
lái 4 bánh (4 WS) lên khi bánh sau có chuyển động lệch quỹ đạo chuyển động của
xe bất ngờ, nhưng do 4 bánh có thể điều khiển riêng biệt được do các cảm biến thu
thập thông tin sai lệch quỹ đạo của bánh sau, dữ liệu được đưa về bộ điều khiển
trung tâm, dữ liệu được xử lý và điều khiển cho các bánh bên trái quay ngược so
với hướng trượt ngang của các bánh xe
6
y
L
r
γ
L
f
x
β
V

Hình8: Điều khiển chuyển động trơn trợt bánh sau (khẩn cấp)
y
x
L
r
β
γ
L
f
V
M
X
V
?
?
F
yf
F
yr
F
yr
F
xr
l
d
F
yf
F
xfl
X

Y
V
F
yf
F
yr
F
yr
M
d
F
yf
xr
r
F
F
xr
l
F
xfl
F
xf
r
β
γ
f
δ
7
- Chỉ đạo hoạt động cầu trước
Hình 9: Kiểm soát tỷ lệ trượt ngang :

Chuyển động trơn trượt
( ) 2 2
yf yr
mV F F
β γ
+ = +
&
2 2
f yf r yr
I F F M
γ
= − +
& l l
Sự chạy lệch
Tin hiệu đầu vào DYC
( )
2
xfl xfr xrl xrr
d
F F F FM = − + − +
Lực tác động phía trước
Lực tác động phía trước
( )
f
yf f f
F C
V
δ γ β
= − −
l

( )
r
yr r
F C
V
γ β
= −
l
y
x
L
r
β
γ
L
f
V
δ△
f
8
Kiểm soát tỷ lệ trượt ngang: Là quá trình các bánh sau bị trượt ngang khi
đường xấu, trên hình 9 cho ta thấy các bánh sau bị trượt lệch quỹ đạo của xe về
bên phải nhưng do cầu trước có thể điều khiển riêng biệt được và không phụ thuộc
vào các bánh sau lên khi bánh sau trượt ngang thì thông qua các cảm biến và hệ
thống kiểm soát sẽ thu thập thông tin gửi về bộ điều khiển và xử lý dữ liệu điều
khiển giữ cho bánh trước ổn định quỹ đạo để kéo cho bánh sau chạy theo quỹ đạo
của người lái điều khiển, giúp cho xe không trượt khỏi bề mặt đường…
Như vậy thông qua các sơ đồ phân tích các trạng thái mất ổn định của xe khi
chuyển động trên ta thấy đối với các dòng xe có sử dụng hệ thống lái 4 bánh 4WS
có mức độ an toàn cao do 4 bánh có thể được điều khiển riêng biệt và tự cân bằng

ngược chiều với các bánh khác.
9
Câu 2. Kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống lái cơ khí trợ lực điện.
Hệ thống lái 4WS điều khiển điện-cơ khí
Cùng với sư phát triển của công nghiệp điện tử, hệ thống lái 4WS đã chuyển
sang sử dụng các kết cấu cơ khí-điện điều khiển chuyển hướng các bánh xe trên
các cầu. Trên hình 8a biểu thị sơ đồ bố trí hệ thống 4WS và hình 8b bố trí điều
khiển trên cầu sau của ô tô con.
Hệ thống xác định tình trạng mong muốn của người lái (góc quay mô men
trục lái, tốc độ ô tô), điều khiển sự quay vòng và trợ lực của các bánh xe trước. Các
cảm biến tốc độ ô tô, gia tốc bên, góc quay thân xe điều khiển chế độ chuyển
hướng của các bánh xe sau thông qua mô tơ bước. Hệ thống còn xác định tình
trạng nguy hiểm có thể xảy ra của ô tô để điều khiển chuyển hướng cho tất cả các
bánh xe và điều khiển các hoạt động của ABS, trạng thái hoạt động của động cơ.
Hiệu quả của các chế độ làm việc được đánh giá thông qua các phần mềm cài đặt
sẵn của 4WS-ECU đảm bảo ô tô quay vòng “lý tưởng”, hạn chế tối đa hiện tượng
trượt bên của các bánh xe sau (văng ngang duôi xe), hạn chế sự quay mạnh thân
xe. Ngoài ra hệ thống còn cho phép mở rộng góc chuyển hướng của các bánh cầu
trước và cầu sau lên xấp xỉ 40
0
nhằm nâng cao khả năng cơ động ra vào chỗ đỗ.
a. Tổng quan chung của lái trợ lực cơ điện với bánh răng kép
Các thành phần hệ thống lái là:
- Vô lăng (Steering wheel)
- Trục lái, chỉ đạo góc lái người điều khiển G85(Steering column switch with
steering angle sender G85)
- Trục điều khiển chuyển hướng-( Steering column)
- Chỉ đạo thời điểm người lái G269 (Steering moment sender G269)
- Hộp bánh răng lái (Steering gear)
- Động cơ điện trợ lực tay lái V187(Electro-mechanical power steering motor

V187)
- Bộ điều khiển tay lái trợ lực J500(Power steering control unit J500)
10
Hình 8. Hệ thống lái 4WS điều khiển điện-cơ khí
* Những điều cần biết về điện-cơ khí hệ thống lái trợ lực:
Với tay lái trợ lực điện-cơ khí, không có có yêu cầu hỗ trợ thủy lực cần thiết
để hỗ trợ lái. Không có dầu thủy lực có nghĩa là, với hệ thống lái này, một đóng
góp quan trọng đã được thực hiện đối với bảo vệ môi trường.
Hệ thống lái trợ lực điện-cơ khí là các loại bánh răng kép. Điều này được
đặc trưng bởi hai bánh răng (điều khiển và các ổ đĩa bánh răng),
11
Steering wheel
Để hỗ trợ điều khiển, một động cơ điện là bộ truyền động dựa trên phản ứng
đầu vào.
Hệ thống cung cấp tín hiệu điều khiển với sự hỗ trợ tùy thuộc vào điều kiện
lái xe (servotro-nic).
Sự hỗ trợ lực lái điện-cơ khí có tác dụng trở lại tay lái trung tâm, "hoạt động
trở lại". điều này cho thấy kết quả là một cảm giác cân bằng tốt và nổi bật cực kỳ
chính xác, ổn định trong quá trình lái xe.
Với các chức năng ổn định đường thẳng, nhà chế tạo đã thiết kế và áp dụng
để làm cho nó dễ dàng hơn cho các lái xe, để lái xe trong một đường thẳng khi
chiếc xe bị ảnh hưởng liên tục bởi gió hoặc lên, hoặc xuống dốc.
12
* Những lợi thế của tay lái trợ lực điện-cơ khí
Một sô những ưu điểm của trợ lực cơ - điện, so với hỗ trợ thủy lực hệ thống
lái, đó là không có yêu cầu cho một hệ thống thủy lực. Điều này dẫn đến việc
những thuận lợi, chẳng hạn như:
- Không có thành phần thủy lực, ví dụ như hệ thống điện cho bơm dầu trợ lực lái,
ống, bể chứa dầu, lọc,
- Không có chất lỏng thủy lực,

- Tiết kiệm không gian trong vị trí phù hợp,
- Giảm tiếng ồn,
- Tiết kiệm năng lượng,
- Không có ống phức tạp và hệ thống dây điện.
Các thành phần hỗ trợ lái được đặt trên, và hoạt động trực tiếp tại, các bánh
lái.
Kết quả là tiết kiệm đáng kể năng lượng. khác với trợ lực thủy lực, nó đòi
hỏi một dòng chảy mạch thường xuyên, dẫn đến giảm nhiên liệu tiêu thụ.
Người lái xe có cảm giác lái xe tối ưu trong mọi tình hình nhờ
- Ổn định đường thẳng tốt (sự trở về của tay lái tại vị trí trung tâm là hỗ trợ tích
cực của các cơ- điện sức mạnh hệ thống lái),
- Ứng dụng trực tiếp nhưng mềm mại của đầu vào tay lái
- Không có phản ứng lái không thoải mái trên bề mặt lái xe không đồng đều.
13
* Các tay lái trợ lực điện-cơ khí và các bộ phận riêng biệt của nó
b. Nguyên lý làm việc .
- Chức năng lái.
1. Trợ lực lái bắt đầu khi lái xe sử dụng lực để xoay vô lăng.
2. Các lực trên tay lái tác dụng lên thanh xoắn trong bánh lái để dịch chuyển.
Các cảm biến trợ lực lái G269 gửi tín hiệu góc dịch chuyển góc đánh lái đến bộ
điều khiển trung tâm J500.
3. Chỉ đạo gửi báo cáo góc lái G85 hiện tại và tốc độ động cơ gửi báo cáo
tốc độ lái hiện hành.
4. Tùy thuộc vào lực tay lái, tốc độ động cơ, góc lái, tốc độ lái và bản đồ
được lưu trữ trong các đơn vị kiểm soát, Bộ điều khiển tính toán cần thiết hỗ trợ
lực bằng động cơ điện.
14
Bộ điều khiển
trung tâm j500
Động cơ điện

hệ thống
lái xe V187
Hộp số ổ bánh
răng
S317_100
bánh răng
lái
Cảm biến góc
đánh lái G269
5. Trợ lực lái được dẫn động thông qua các bánh răng, Bánh răng này được
dẫn động bởi một động cơ điện. Các động cơ tham gia vào việc điều khiển thông
qua một hộp số và ổ bánh răng, do đó truyền được một lực cần thiết cho trợ lực lái.
6. Tổng của lực quay trên tay lái bánh xe và lực lượng hỗ trợ có hiệu quả lực
lượng áp dụng trên bánh lái để di chuyển các thanh răng.
- Lái xe quay đầu.

1. Khi giảm quay đầu, người lái xe quay tay lái nhanh chóng.
2. Các thanh xoắn được dịch chuyển. thông qua các cảm biến G269, gửi một
tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm J500 để kiểm soát.
3. Chỉ đạo gửi báo cáo góc lái G85 hiện tại và tốc độ động cơ, gửi báo cáo
tốc độ lái hiện hành
4. Căn cứ vào góc đánh lái, tốc độ động cơ, tốc độ lái và các bản đồ được
lưu trữ trong các thiết bị điều khiển, các đơn vị kiểm soát nhận các tín hiệu và đưa
ra một lực hỗ trợ là cần thiết bằng động cơ điện.
5. Bằng phương pháp trợ lực này đã làm giảm đi một lực lớn tác dụng lên
vành tay lái để chỉ đạo thanh răng lái, thông qua bánh răng thứ hai điều khiển cho
xe quay đầu nhẹ nhàng khi người lái xe điều khiển.
6. Tổng của lực quay trên tay lái tác dụng lên bánh xe và lực hỗ trợ tối đa là
lực hữu hiệu được áp dụng trên các bánh lái .
15

lực quay ở tay lái
lực hỗ trợ
lực hữu hiệu
- Lái xe trong đô thị.
1. Khi vào cua ở các khu vực đô thị, người lái xe sử dụng lực để xoay vô
lăng.
2. Các thanh xoắn được dịch chuyển. thông qua các cảm biến G269, gửi một
tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm J500 để kiểm soát và điều khiển.
3. Chỉ đạo gửi báo cáo góc lái G85 hiện tại và tốc độ động cơ, gửi báo cáo
tốc độ lái hiện hành.
4. Căn cứ vào tốc độ trung chỉ đạo lực hỗ trợ, tốc độ đường 50 km/h, tốc độ
động cơ, góc lái trung bình, tốc độ lái và các bản đồ được lưu trữ trong bộ điều
khiển cho v = 50 km/h, bộ điều khiển nhận biết một số lượng phương tiện hỗ trợ
lực là cần thiết và gửi tín hiệu điều khiển động cơ điện.
5. Bằng cách này, một lực được hỗ trợ được truyền đến để chỉ đạo thanh
răng lái, thông qua bánh răng thứ hai để điều khiển xe chuyển hướng.
6. Tổng lực quay trên tay lái dẫn động bánh xe và lực lượng hỗ trợ trung
bình là lực lượng hữu hiệu được áp dụng trên các bánh lái cho các thanh răng lái
khi vào cua ở khu vực đô thị.
16
Quay lực ở tay lái
lực hỗ trợ
lực hữu ích
- Các chức năng lái trên đường cao tốc.
1. Để thay đổi làn đường, người lái xe tác dụng lực quay trên vô lăng.
2. Các thanh xoắn được dịch chuyển. thông qua các cảm biến G269, gửi
một tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm J500 để kiểm soát và điều khiển
3. Chỉ đạo gửi báo cáo góc lái G85 hiện tại và tốc độ động cơ, gửi báo cáo
tốc độ lái hiện hành
4. Căn cứ vào lực tác dụng lên vành tay lái, tốc độ đường 100 km/h, tốc độ

động cơ, góc đánh lái nhỏ, chỉ đạo tốc độ và bản đồ được lưu trữ trong các thiết bị
điều khiển cho v = 100 km/h, các đơn vị kiểm soát phát hiện rằng một số lượng
nhỏ của lực g hỗ trợ là cần thiết và gửi tín hiệu điều khiển động cơ điện trợ lực lái.
5. Bằng cách này, một lực nhỏ hỗ trợ lái chỉ được truyền đến chỉ đạo thanh
răng lái, thông qua bánh răng thứ hai để điều khiển xr chuyển hướng tốt trên đường
cao tốc.
6. Tổng lực quay trên tay lái bánh xe và lực lượng hỗ trợ tối thiểu là lực hiệu
quả áp dụng trên bánh lái để di chuyển trong quá trình chỉ đạo thanh răng lái giúp
xe chuyển làn nhẹ nhàng và an toàn khi chạy trên đường cao tốc.
17
Quay lực ở tay lái
lực hỗ trợ
lực hữu ích