luận vănNghiên cứu động học hệ thống lái trên xe SUV sản xuất lắp ráp tại Việt Nam

LỜI NÓI ĐẦU
Vận tải đường sắt, đường sông, đường biển, đường hàng không và
đường bộ đã hình thành nên một hệ thống vận tải chung của một đất nước.
Vận tải ô tô là một bộ phận của hệ thống vận tải đó, nó có một vai trò quan
trọng trong sự phát triển kinh tế, xã hội và phục vụ các nhu cầu của con
người. Ô tô là loại phương tiện vận tải không thể thiếu được và đã có những
đóng góp to lớn cho sự phát triển của xã hội. Cùng với sự phát triển của khoa
học công nghệ, ngành công nghiệp ô tô không ngừng phát triển, ngày càng
đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của vận tải và nhu cầu của con người. Đó là các
yêu cầu về độ tin cậy và an toàn trong khai thác sử dụng, tốc độ chuyển động,
độ bền lâu, bảo vệ môi trường, tiện nghi sử dụng tốt, chi phí nhiên liệu thấp,
giá thành hạ.
Do tính thông dụng và tiện lợi của phương tiện, ngày nay ngành công
nghiệp ô tô vẫn không ngừng phát triển, các nghiên cứu khoa học tiếp tục
phát triển để hoàn thiện ô tô hơn nữa. Các hướng nghiên cứu ưu tiên giải
quyết các vấn đề đó là: Đảm bảo an toàn trong khai thác sử dụng, bảo vệ môi
trường, sự tiện nghi, và độ tin cậy trong sử dụng. Để đảm bảo an toàn trong
khai thác sử dụng ô tô thì hệ thống lái có vai trò quan trọng, nó giúp cho việc
điều khiển ô tô đi đúng quỹ đạo được an toàn, chuyển hướng, quay vòng xe
theo ý muốn. Ngày nay nhờ vào sự phát triển của khoa học công nghệ, các
nhà nghiên cứu và sản xuất đã chế tạo ra những chiếc ô tô có hệ thống lái đáp
ứng được yêu cầu đặt ra.
Cuối tháng 4 năm 2004, Bộ công nghiệp (nay là Bộ công thương) đã
hoàn thành quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ôtô trong giai đoạn 20052010, tầm nhìn 2020. Trong đó có một điều đáng chú ý là: khuyến khích các
doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực đáp ứng các yêu cầu về tỉ lệ nội địa hoá.
Riêng đối với cụm hệ thống lái hiện nay chưa có doanh nghiệp nào nội địa
1


hoá được. Do vậy, để khuyến khích các doanh nghiệp nghiên cứu và chế tạo
các chi tiết trong cụm hệ thống lái, đáp ứng chỉ tiêu nội địa hoá thì việc

nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng hoạt động cụm hệ thống lái là
quan trọng và cần thiết, đồng thời có thể tiến hành kiểm tra đánh giá được
chất lượng hệ thống lái.
Với kiến thức đã học hỏi và tìm hiểu thực tế của bản thân, dưới sự
hướng dẫn tận tình của Tiến Sỹ Lê Hồng Quân cùng sự giúp đỡ và tạo mọi
điều kiện của các thầy cô trong khoa công nghệ ô tô trường Đại học công
nghiệp hà nội, em
đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu động học hệ thống lái trên
xe SUV sản xuất lắp ráp tại Việt Nam”.
Nội dung của đề tài:
Phần 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
- Tổng quan về hệ thống lái, tình hình nghiên cứu hệ thống lái trên
thế giới và ở việt nam.
Phần 2: Nghiên cứu động học hệ thống lái
- Đặt vấn đề
- Sơ đồ tính toán hệ thống lái
- Mô phỏng hoạt động hệ thống lái
- Nghiên cứu kiểm tra đánh giá chất lượng hệ thống lái ở Việt
Nam
Phần 3: Thí nghiệm hệ thống lái
-

Thí nghiệm trên đường
Hà nội, ngày

2

tháng năm 2015

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÁI
1.1.1. Giới thiệu về hệ thống lái
Hệ thống lái là một thành phần kết cấu quan trọng của ôtô có chức năng
duy trì hoặc thay đổi hướng chuyển động khi cần thiết của ôtô. Trong quá
trình chuyển động trên đường, hệ thống lái có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ
trung bình và tính an toàn chuyển động của xe, đặc biệt khi xe chạy ở tốc độ
cao. Về nguyên tắc, hệ thống lái phải đảm bảo những yêu cầu sau:
Đảm bảo cho xe quay vòng ngoặt trong thời gian ngắn, trên diện tích
nhỏ nhất có thể được;
Đảm bảo quay vòng đúng cho các bánh xe dẫn hướng, tránh trượt lê
gây mòn lốp xe;
Có khả năng ngăn cản được các chấn động va đập của các bánh xe dẫn
hướng lên vành tay lái;
Các bánh xe dẫn hướng có khả năng tự động xoay trở về vị trí hướng
chuyển động thẳng sau khi ngừng các tác động làm đổi hướng chuyển động
của các bánh xe dẫn hướng, giữ cho xe chuyển động thẳng ổn định;
Có cấu tạo đơn giản, điều khiển nhẹ nhàng và thuận lợi; chăm sóc, bảo
dưỡng, sửa chữa dễ dàng, giá thành chi phí hạ. Hệ thống lái có thể phân loại.
Theo kết cấu của cơ cấu lái:
-

Loại trục vít - bánh vít (với cung răng, con lăn và trục vít)

-

Loại trục vít - đòn quay (với một hoặc hai ngõng quay)

-

Loại trục răng - thanh răng

-

Loại trục vít - đai ốc bi tuần hoàn

Theo số bánh dẫn hướng:
3


-

Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu trước

-

Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở cầu sau

-

Hệ thống lái với các bánh xe dẫn hướng ở tất cả các cầu

Theo nguyên lý làm việc của bộ phận trợ lực lái:
-

Loại trợ lực lái thủy lực

-

Loại trợ lực lái khí nén (hoặc chân không)

-

Loại trợ lực lái cơ khí

-

Loại trợ lực lái dùng điện.

1.1.2. Quay vòng thừa và quay vòng thiếu
Xét sự điều khiển của người lái xe, tại một góc quay ổn định, góc lệch
bên lốp cầu sau nhỏ hơn góc lệch bên cầu trước, đó chính là hiện tượng quay
vòng thiếu. Dưới các điều khiển khác, góc lệch bên của lốp cầu sau lớn hơn
cầu trước, đó là trường hợp quay vòng thừa của ôtô. Khi ta điều khiển góc
lệch bên của lốp cầu trước và cầu sau bằng nhau đó là vị trí trung lập. Trong
trường hợp này tâm quay của ôtô là một nửa khoảng cách trục. Hình 1.1 (a)
quay vòng thiếu, góc lệch bên lốp cầu trước lớn hơn góc lệch bên lốp cầu sau,
hình 1.1 (b) góc quay vòng thừa của xe, góc lệch bên cầu sau lớn hơn góc
lệch bên cầu trước.
Khi x = L/2, Hình 1.2, trường hợp góc lệch bên là 5 độ và khoảng cách
trục là 2,75 m, cho ta bán kính R o = 15,75 m, tại 25 km/h gia tốc ngang là
0,31 g. Nếu góc lệch bên của loại lốp ra đi an là 2,5 độ sẽ cho R o = 31,5 m và
gia tốc ngang là 0,3 g tại vận tốc là 35 km/h. Điều kiện vệt bánh xe cầu trước
và sau trùng nhau, góc lái cầu trước bằng với góc lệch bên lốp cầu sau, ví dụ,
5 độ hoặc 2,5 độ, được quyết định bởi kiểu loại của lốp và sự điều khiển. Để
đạt được góc lái này phải là tổng góc lệch bên cầu trước và sau. Khi chạy ở
tốc độ cao bán kính đó sẽ sinh ra vệt quay vòng của ôtô và nó liên quan đến
hướng chuyển động của cầu trước.
4

Hình 1.1 Sơ đồ xe quay vòng
(a) Quay vòng thiếu, (b) Quay vòng thừa

Hình 1.2 Sơ đồ tính toán khi góc lệch bên cầu trước và sau bằng nhau
Trong đó: ψfo, ψfi -góc lệch bên cầu trước, ψro, ψri-góc lệch bên cầu sau

5


Trong điều khiển, để tránh sự va chạm với những vật thể khác, vật tĩnh,
người lái xe phải luôn nhớ rằng anh ta phải tính đến ảnh hưởng bề rộng của
phần sau xe ôtô khi quay vòng lớn hơn khoảng cách tĩnh thực giữa hai mép
ngoài của xe. Mặc dù điều này không có thật với bánh xe cầu trước.
1.1.3. Lực trong hệ thống lái khi xe đứng yên
Lực lớn nhất trong một hệ thống lái là khi bánh xe quay ở trạng thái
tĩnh, công thức gần đúng tính toán mômen ở trạng thái tĩnh khi lốp quay:
3

T=

µW 2
1

3P 2

(1.1)

Trong đó:

T = mômen (Nm)
µ = hệ số ma sát
W = tải trọng (N),
P = áp suất lốp (N/m2)
Trên đường bê tông hoặc nhựa khô ráo µ có thể lấy bằng 1,0. Lốp xe và
mặt đường tiếp xúc nhau tạo nên diện tích tiếp xúc, đường tâm chốt trụ đứng
nằm trên mặt đường trong phạm vi tiếp xúc.
Trong trường hợp xe thường xuyên hoạt động trên đường địa hình (như
xe ôtô thông dụng, ôtô nông dụng) thì ta lông của lốp thường cao hơn so với
loại xe hay hoạt động trên đường cao tốc và khi đó mômen xuất hiện trên chốt
trụ lái cũng sai khác nhau và lớn hơn 1,5 đến 1,75 lần. Tính toán ứng suất
trong các cụm chi tiết của hệ thống lái cho phép ta có thể xác định được tần số
xuất hiện các hư hỏng nằm ngoài vùng giới hạn bền của vật liệu.
1.1.4. Lực trong hệ thống lái khi xe chuyển động
Mômen lái lớn nhất khi xe chuyển động bằng 1/3 lần mômen ở trạng
thái tĩnh. Một ví dụ của đường quan hệ giữa sự thay đổi mômen giữ chuyển
động thẳng và lực góc thể hiện trên hình 1.3. Tải trọng lốp 5340 N (544 kg),
6


giả thiết áp suất lốp là 207 kN/m2, mômen tĩnh cho bởi phương trình (1.1) sẽ
là 286 Nm bằng 3,4 lần giá trị lớn nhất trong hình 1.4. Gough đã đề nghị giá
trị lớn nhất trong thực tế cho mômen giữ chuyển động thẳng là 0,1µW3/2/P1/2
bằng 1/3,3 mômen ở trạng thái tĩnh, xem hình 1.3.

6
5

3

tg -1
0,2(W

0,5 µW

4

/P)1/2

2
1

O

1

2

3

4

M« men chuyÓn ®éng
3/2

5

µW
10 P1/2

Hình 1.3 Đồ thị Gough

7

6


(N)

Gãc tr­ît (®é)
5

0,6

3000
0,5
0,4
0,3

HÖ sè gãc

2000

4
3

2
1000

0,2

1

0,1

O

20

40

60

80

M« men chuyÓn ®éng (Nm)

Hình 1.4 Đồ thị quan hệ giữa mômen chuyển động thẳng, góc trượt
1.1.5. Góc nghiêng dọc trụ đứng
Quan hệ góc nghiêng dọc trụ đứng với mô men chuyển động thẳng
được thể hiện trên hình 1.5. Có ba đường cong thể hiện mômen chuyển động
thẳng: âm 3 độ, 0 độ, dương 3 độ của góc nghiêng dọc trụ đứng. Nhược điểm
đường cong mômen tương ứng khi góc nghiêng dọc trụ đứng âm 3 độ là trong
điều kiện hệ số bám µ thấp khả năng ổn định của bánh xe là không tốt.
Góc nghiêng dọc trụ đứng bằng 0 có ưu điểm là vẫn duy trì một phần nhỏ
mômen tại chốt trụ đứng trước khi tới giới hạn bám. Điều này dường như
không tốt cho đường cong có góc nghiêng dọc trụ đứng là 3 độ, tuy nhiên, tại
thời điểm gần tới giới hạn trượt của các bánh xe cầu trước sẽ làm giảm bớt tỷ
lệ tăng của mômen chốt trụ đứng và tăng gia tốc ngang (gia tốc lật). Góc
nghiêng dọc trụ đứng phụ thuộc vào từng loại xe, đặc điểm lốp xe, các phần
khác, trợ lực lái và bản chất của bơm trợ lực.

8


(N)
0,6

0o

-3 o

+3 o

3000
4

0,5

0,4

3

0,3

2

2000

1000

0,2

1

4

4

3

2

2

1

3

1

0,1

0,1

40

80

120

160
M« men (Nm)

Hình 1.5 Đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng dọc trụ đứng với mô men chuyển
động thẳng.
1.1.6. Hiệu suất hệ thống lái
Phần lớn những hệ thống lái bánh xe cầu trước hoạt động rất tốt mà
không có vấn đề gì, bởi vì hiệu suất của chúng thấp. Một vài thiết kế đầu dẫn
động bánh xe cầu trước (FDW) với hiệu suất cao, đến năm 1965 Oldsmobile
Toronado và Citroen SM là các mẫu xe có giới hạn hiệu suất đặc biệt từ tác
động mômen lái, trong khi phần lớn những thiết bị đương thời có vấn đề đáng
lo ngại khi công suất ngoài của chúng tăng. Trong những năm 1960 tạp chí
Autocar đã tiến hành rất nhiều những cuộc kiểm tra trên thiết bị cho các xe
ôtô có lái cầu trước với hiệu suất cao.
Nguyên nhân đầu tiên của hiện tượng này, một trong các nguyên nhân
gây tai nạn của nhiều ôtô có hệ thống lái 4 bánh ngày nay, đó là sự thay đổi

9


của góc trục truyền tại phía ngoài kết nối dạng khớp, nó sinh ra mômen quay
ngay trên bánh xe về chốt trụ lái.
Trong hình vẽ một kiểu của trục truyền bánh xe cầu trước xem hình
1.6, phía ngoài của kết nối dạng khớp quay thường xuyên không thẳng hàng
với trục quay bánh xe, bởi vì sự thay đổi chiều cao sinh ra nhiều véc tơ biến
đổi, tải trọng xe, góc của thân trục quay hoặc tác dụng của tải trọng khi xe
phanh. Tuy nhiên có nhiều khớp thẳng đứng giữa trục truyền và trục quay
bánh xe, cặp lực này sinh ra về một trục thẳng đứng tại chốt trụ quay. Tuy
nhiên hệ thống lái khi quay cũng có khớp ngang, đấy là nguyên nhân một cặp
lực giống nhau sinh ra trong mặt phẳng thẳng đứng tương tự trùng với trục

bánh xe. Lực tác động theo trục ngang từ góc quay bánh xe thường cân bằng
và đối xứng với cạnh còn lại của xe, các vị trí khác thì không. Nếu không,
chúng dễ bị mỏi bởi hệ thống treo. Cặp lực sinh ra trên trục thẳng đứng thì rất
quan trọng và bằng T.tgθ/2, trong đó T là mô men lái và θ là góc của khớp
trong kết nối dạng khớp quay.

Hình 1.6 Kết cấu hệ thống treo trước và hệ thống lái
1.1.7. Sự vẫy của bánh xe dẫn hướng

10


Một trong những đặc điểm của hệ thống lái đã được các kỹ sư nghiên
cứu tỉ mỉ trong nhiều năm qua, đó là sự vẫy của bánh xe trước. Nguồn gốc
của vấn đề là do khối lượng và tính mềm dẻo theo phương ngang của các
thành phần quanh trụ đứng. Khi quan tâm tới dao động trong sự đổi hướng
của xe thì khối lượng phần sau xe coi như không đáng kể, cũng như các thay
đổi nhỏ của qũy đạo chuyển động của xe. Khoảng cách giữa các trục bánh xe
đủ dài để có thể không tính đến các yếu tố đó. Hệ thống có thể mô tả như trên
hình 1.7. Chốt trụ quay đứng quay quanh điểm p, đó là điểm xác định góc
nghiêng dọc trục đứng, bằng khoảng 1/6 khoảng tiếp xúc phía sau tâm bánh
xe. Trong đó p là một khoảng cách nhỏ phía sau điểm giao của trụ quay đứng
giao với mặt đất.

Hình 1.7 Sơ đồ dao động của hệ thống lái
Giữa các chốt trụ xoay đứng này và phần khối lượng thực phía trước xe
tồn tại một lò xo nén. Nếu các bánh xe quay về một phía và khối lượng lúc
đầu bị nén sau đó được giải phóng thì sẽ xuất hiện sự lúc lắc, khối lượng và
các bánh xe chuyển động về các hướng ngược nhau. Với các xe đang chuyển
động, điểm p được dịch chuyển về phía gần với góc bánh xe. Dịch chuyển

này có khuynh hướng giữ cho lò xo S phía bên trái hình 1.7 ở trạng thái nén
và vì vậy tích thêm năng lượng cho hệ thống.
1.1.8. Hệ thống lái bánh xe sau
11


Mặc dù đã được đưa vào sản xuất hàng loạt lần đầu tiên vào năm 1986
đối với các mẫu xe của Nhật nhưng cũng không có gì đặc biệt mới đối với hệ
thống lái bánh xe sau. Hệ thống lái bánh xe sau được sử dụng trên xe tải tự đổ
và xe nâng để tăng tính linh hoạt, trên máy bay có càng bánh trượt và trên các
xe đẩy tay ở siêu thị. ý tưởng về xe ôtô có hệ thống lái phía sau đã nung nấu
trong các kỹ sư thiết kế trong nhiều thập kỷ.
Vào cuối những năm 60 đầu những năm 70 của thế kỷ trước người ta
chú ý vào khả năng đỗ xe linh hoạt của hệ thống lái bánh xe sau. Các kỹ sư
Audi đã cải tạo một trong 100 chiếc ôtô con đầu tiên, chuyển hầu hết hệ thống
lái cũ bằng cách thêm một hình thang lái ở các bánh sau, với một thanh liên
kết cứng cho sự chuyển động chuẩn. ý tưởng này được khôi phục bởi hãng
Madaz vào năm 1982 ở các dòng xe tiên tiến lần đầu tiên xuất hiện tại triển
lãm ôtô Birmingham.

Hình 1.8 Hệ thống lái bánh xe sau

12


Trong đó: 1 - Giá đỡ hệ thống treo; 2 - Thanh chống; 3 - Thanh kéo; 4 Đệm lò xo bằng không khí; 5 - Xi lanh điều khiển lái cầu sau; 6 - Thanh
chống; 7 - Càng chữ A; 8 - Thanh giằng.
Hệ thống lái bánh sau thực tế phát triển tinh vi hơn thế rất nhiều, nó là
một phần chủ động của hệ thống treo của cầu sau, hãng Porsche Weissach sử
dụng trên xe Porsche 928 kể từ khi nó được đưa vào hoạt động năm 1976 và

xuất hiện trở lại có thêm bộ điều khiển thuỷ lực năm 1985 trên xe Nissan
Bluebird saloon và Nissan Mid-4 Couple. Năm 1986 nó lần đầu tiên được lắp
trên xe Honda Prelude và đã được nghiên cứu chuyên sâu bởi các nhà chế tạo
lớn khác.
1.1.9. Hệ thống lái bánh xe sau có trợ lực bằng điện
Cuối năm 1991, hãng xe BMW đưa vào giới thiệu hệ thống lái bánh
sau điều khiển máy tính được sử dụng cho xe Coupe 850i. Có thể nhìn thấy
trên hình 1.9, nó tương tự như hệ thống HICAS của Nissan. Điều khiển lái
cầu sau được trợ lực thuỷ lực lên tới 1,5 lần so với cầu trước tuỳ thuộc vào tốc
độ điều khiển lái.
Các phần tử thuỷ lực của hệ thống lái trên bao gồm một bình chứa, một
bơm dầu điều khiển bởi động cơ, một bình tích áp suất, một pittông lực và
một hệ thống ba đòn dẫn. Pittông lực được đặt nằm ngang so với khung sàn
phụ và điều khiển các đòn nối thấp của hệ thống treo, chúng được treo bởi các
đòn ngắn nối với nhau bằng khớp nối. Van điều khiển được điều khiển bởi
chương trình máy tính có thuật toán phụ thuộc vào các tín hiệu nhận từ đồng
hồ tốc độ xe, tốc độ mỗi bánh trước (thông qua hệ thống ABS) và một cảm
biến góc đánh lái.

13


Hình 1.9 Ôtô lái bốn bánh trước và sau
Trong đó: 1 - Cảm biến tốc độ bánh xe; 2 - Bơm ba ngả; 3 - Đồng hồ
báo; 4 - Bộ điều khiển; 5 - Bơm trợ lực; 6 - Bộ xử lý; 7 - Bộ đo tốc độ; 8 Cảm biến góc quay vành lái.
Hệ thống được sử dụng trong cầu xe Porsche Weissach, sau đó được sử
dụng trên Opel/Vauxhall Omega/Carlton và dòng xe salon Senator. Các hệ
thống treo đó được cải thiện tính ổn định trong quá trình tăng tốc bằng cách
nối các đòn hệ thống treo sau bằng các ống lót cứng không đối xứng để tạo ra
các lực giảm tốc (các ống lót trước của mỗi đòn hệ thống treo sau thì mềm

hơn các ống lót sau vì vậy nó có thể ‘lái’ đòn treo rất nhẹ nhàng). Hệ thống lái
bánh sau chủ động của BMW và Nissan điều khiển các bánh xe sau sinh ra
lực chống lại lực ngang tạo ra khi quỹ đạo chuyển động thay đổi ở tốc độ cao.
Theo hãng BMW, các phân tích ngẫu nhiên cho thấy 4% các tai nạn
trên đường là do các ôtô đổi hướng chuyển động không nằm trong phạm vi
kiểm soát đường, ví dụ ở những chỗ đường cong đột ngột. Với một hệ thống
lái thông thường thì cầu sau tham gia quá trình lái một cách bị động. Sau khi
người lái xe đánh lái các bánh trước thì tải trọng ngang lúc đầu xuất hiện ở
các bánh xe trước, sau đó từ từ truyền ngược lại phía sau theo chiều dọc của
xe để tác động tới các bánh xe sau làm cho các bánh xe sau quay theo. Cầu
14


sau thông dụng được phát triển sao cho đáp ứng nhanh và êm dịu với điều
khiển lái, mặc dù trong một số trường hợp có thể gây ra trạng thái kích thích
và không ổn định ở các điều kiện chuyển tiếp nhanh, đặc biệt khi người lái xe
quay vành lái quá nhanh. Khuynh hướng này bị hạn chế ở các xe sản xuất
hàng loạt nhưng nó được áp dụng ở các xe đại tu để tăng tính chấp hành khi
điều khiển.
Theo các nghiên cứu chuyên sâu và các thí nghiệm kiểm tra trên
đường, BMW đã thấy rằng, tốt hơn nên thay đổi quan hệ góc đánh lái trước
và sau như là một hàm của lực ngang sinh ra hơn là cung cấp tỉ số truyền lái
cố định cân bằng (như Honda đã làm ở hệ thống truyền động Prelude). Hệ
thống lái sau chỉ có lợi khi lực trọng trường bên khá lớn. Họ cũng chỉ ra rằng
điều khiển lái phía sau quá nhiều sẽ làm giảm khả năng điều khiển lái phía
trước, điều này làm giảm đi phản ứng đánh lái. Hệ thống lái điều khiển bằng
điện vì vậy sẽ tính toán tải trọng trọng trường bên từ tốc độ xe, sự chênh lệch
vận tốc các bánh xe trái và phải phía trước, góc quay vành lái và tốc độ quay
vành tay lái. Từ đó xác định được một khoảng thời gian trễ nằm giữa thời
điểm đánh lái của người lái xe và phản ứng lái phía sau, vì vậy sự đáp ứng

xảy ra chính xác ở cùng thời điểm khi lực đánh lái từ phía trước truyền tới các
bánh xe sau.
Do tất cả các bộ phận của hệ thống lái đòi hỏi độ an toàn tới hạn vì vậy
BMW đã tốn rất nhiều công sức để tạo ra độ tin cậy ở tất cả các chi tiết trong
hệ thống. Ngoài hệ thống thuỷ lực với các ống nối, bộ phận điều khiển được
trang bị các mạch vi xử lý và cơ cấu hãm cơ khí – thuỷ lực đặc biệt để khoá
piston lực ở vị trí trung gian nếu có bất kỳ một vấn đề gì về thủy lực, điện
hoặc máy tính. Hệ thống sau đó sẽ trở về trạng thái động học đàn hồi chuẩn
của nó và đèn cảnh báo sẽ sáng. Các chíp nhớ trong máy tính sẽ lưu lại các dữ
liệu chẩn đoán để phục vụ cho các kỹ sư sửa chữa.
15


1.1.10. Trợ lực lái
Có nhiều nguyên nhân kết hợp với nhau làm cho mômen lái khi tính
toán lớn hơn, đó là: lốp prôfin thấp, lốp hướng kính, cầu trước chủ động và do
tải trọng phân bố ở cầu trước lớn hơn. Các nhà sản xuất Mỹ lần đầu tiên áp
dụng trợ lực cho hệ thống lái ôtô trên dây chuyền sản xuất hàng loạt. Rất
nhiều các hệ thống trợ lực trước đó đã thất bại trong trong việc giảm số lần
đánh lái tính từ hai vị trí khoá biên và cải thiện khả năng lái ở các điều kiện
khẩn cấp. Tính thuận lợi chủ yếu của bộ trợ lực lái bây giờ đã được giải
quyết, trước đây các bộ trợ lực lái giảm chỉ khoảng 2 vòng đánh lái nhưng bây
giờ giảm 2,5 đến 3 vòng đánh lái là rất phổ biến.
Citroen, với model DS cho ra đời bộ trợ lực lái kết hợp với truyền động
lái kiểu bánh răng trụ – thanh răng, và mẫu này đã được sử dụng ở nhiều loại
xe khác sau đó.
Trước những thành công khi dùng bộ trợ lực lái, các nhà sản xuất Mỹ
muốn phát huy hết hiệu quả của nó. Có thể nhận thấy rằng việc duy trì cảm
giác đánh lái là quan trọng, có thể cảm nhận được khi mômen cân bằng bắt
đầu giảm cùng với sự tăng lên của gia tốc bên khi vào chỗ ngoặt là một tín

hiệu hữu ích khi mà gần đạt tới giới hạn bám và vì vậy đây là một nhân tố an
toàn quan trọng.
Tỉ lệ trợ lực lái phụ thuộc vào mômen lái. Một trong những phương
tiện để cảm nhận mômen này là một trục đường kính nhỏ (với các cữ chặn để
giới hạn góc xoắn lớn nhất và đảm bảo sự điều khiển lái thậm chí ngay cả khi
bơm trợ lực lái bị hỏng). Có rất nhiều cách để sử dụng sự quay tương đối của
trục với sự hoạt động của van. Một cách khác để cảm nhận mômen xoắn với
cơ cấu lái thanh răng - trục răng, vỏ trục răng chuyển động trong khoảng tự do
giới hạn của thanh răng và chống lại lò xo hồi vị. Chuyển động tương đối này
điều khiển hoạt động của van.
16


100

¸p suÊt

80

60

40

20

0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Giíi h¹n ®­êng kÝnh lç tiÕt l­u

Hình 1.10 Đồ thị quan hệ giữa áp suất và diện tích lỗ tiết lưu
Việc giảm diện tích pisttông phụ thuộc áp suất trợ lực cần thiết. Không
cần thiết phải có một loại bơm có đủ khả năng làm cho bánh xe chuyển động
nhanh, hoạt động thắng lại dòng áp suất lớn liên tục. Nó có thể tiêu thụ công
suất không cần thiết và có thể gây nên sự tăng nhiệt độ quá mức của dầu trong
hệ thống lái. Thường bộ trợ lực được trang bị một van trượt hoặc van xoay
cho phép dầu chuyển động trên cùng một đường theo hai phía, một phía về trợ
lực và trên cùng đường đó hồi về bình chứa. Khi có mômen đánh lái và van
chuyển động thường đóng một phía của pittông và mở phía còn lại. Hình 1.10
thể hiện mối quan hệ giữa sự giảm áp suất tổng cộng theo sự giảm diện tích lỗ
hạn chế và sự tăng diện tích tương ứng của đường mở phía đối diện. Hình
1.11 thể hiện hai đường cong thực tế của áp suất trợ lực theo mômen quay
bánh xe đánh lái; đường đầu tiên là của ôtô thông dụng, đường thứ hai là của
ôtô hạng nặng.
17


¸p suÊt (kg/cm2 )

70
60
50
40
30
20
10
5

4

3

2

1

0

1

2

3

5
4
M« men (kgm)

Hình 1.11 Đồ thị quan hệ mômen đánh lái và áp suất bơm trợ lực
Thiết kế này để được như ý phải chọn từ việc xác định trợ lực bằng
việc so sánh mômen quay bánh xe ở trạng thái xe chạy bình thường và giá trị
lớn nhất khi xe đỗ.
Với những bơm trợ lực đặc biệt, mômen lớn nhất của bánh xe quay
quanh trục có thể lớn hơn mô men sinh ra tại lốp xe khi một bánh xe nằm
ngoài lề đường. Duy nhất trường hợp này phải giảm áp suất lốp khi quay
vòng. ứng suất trong một số phần của hệ thống lái có thể giữ nguyên khi nâng
công suất của bơm trợ lực lái.
Tác động trợ lực này bị ảnh hưởng bởi những xung lực được sinh ra do
kích động của mặt đường khi bánh xe quay. Khi đó mômen tại bánh xe dẫn

hướng sẽ lớn lên để chống lại các xung lực. Tác dụng trợ lực này sẽ trở nên
vô nghĩa nếu như bơm không hoạt động hoặc đường dầu bị rò rỉ. Tỷ số truyền
của hệ thống lái đảm bảo cho xe quay vòng tốt trong trường hợp không có trợ
lực với gia tốc xe nằm trong giới hạn cho phép.
1.1.11. Bơm trợ lực lái
18


Vấn đề chính với bơm trợ lực điều khiển bởi động cơ là nó phải trợ lực
lớn nhất khi thay đổi quỹ đạo chuyển động, khi đỗ, khi tốc độ động cơ thấp và
trợ lực ít khi động cơ ở tốc độ cao, tỉ số tốc độ động cơ khi quay không tải
(800 – 1000 vòng/phút) và khi công suất động cơ tối đa (khoảng 6000
vòng/phút) là khoảng 1/6 và thậm chí trong một số trường hợp là nhỏ hơn.
Như chúng ta đã thấy, chuyển động của van điều khiển là các dịch
chuyển tương đối nhỏ tương ứng với mômen đánh lái và tiết diện van. Nếu
lưu lượng gấp 6 lần lưu lượng lúc đỗ xe (khoảng 0,15 l/s) thì có thể làm giảm
áp suất không cần thiết, tổn thất công suất và làm dầu nóng lên. Để tránh điều
này thì bơm nên có một van hạn chế. Đây là một dạng phát triển của một loại
van trước đó mà không đáp ứng theo áp suất cửa ra. Đặc tính đáp ứng theo áp
suất cửa ra rất được mong đợi bởi vì yêu cầu phải giảm đáng kể lưu lượng qua
van điều khiển khi không có trợ lực. Theo các yêu cầu này có thể giảm tối đa
tổn thất công suất và sự tăng nhiệt độ dầu ở điều kiện hoạt động lâu. Hầu hết
các nhà chế tạo đã không nhận ra được sự cải tiến cần thiết này, vì vậy các
loại van trước đó đã không có đặc điểm như vừa nói. Lưu lượng dư được hồi
về lối vào của bơm, tránh sự chảy rối và sự va chạm với dầu sạch lấy từ bình
chứa.
Tất cả loại bơm đều yêu cầu phải cung cấp áp suất, một trong những
nhà cung cấp lớn nhất của ngành công nghiệp ôtô Anh Quốc là HobournEaton, một trong những loại bơm của họ là loại bơm rôto (rotor-roller), được
thiết kế dạng cân bằng áp suất với biên dạng cam gần giống dạng elip cho hai
chu trình trên mỗi vòng quay. Một đĩa điều áp giảm sự lọt dầu qua các khe

cuối các răng của rôto; rôto cân bằng áp suất có thể sử dụng ổ trượt. Có thể sử
dụng các loại bơm bánh răng trong hoặc bánh răng ngoài và một vài loại van.
áp suất thực tế sử dụng có khuynh hướng tăng từ 6,9 MN/m 2 (là giá trị ở thời
điểm thường sử dụng) lên 10 MN/m2 hoặc thập trí 14 MN/m2.
19


Tiếng ồn là vấn đề đối với bất kỳ xe nào. Căn nguyên vấn đề ồn của hệ
thống lái có trợ lực là tất cả các loại bơm khi được sử dụng đều gây ra tiếng
va đập do áp suất. Tiếng va đập do áp suất và các tác động của nó cần được
giảm thiểu tối đa. Bộ lọc xung là thiết bị yêu cầu đầu tiên, một ống dài đàn
hồi cao su và có thể co giãn được lắp từ bơm tới van điều khiển. Yêu cầu thứ
hai đòi hỏi phải cách ly cơ cấu lái với kết cấu của xe, nên có một khớp nối
mềm nằm giữa đầu vào bót lái và vành lái.
Bình chứa dầu được kết hợp với bơm dầu để tránh các mối liên kết
không cần thiết phía bên ngoài và khả năng truyền tiếng ồn đi xa. Mối liên kết
duy nhất cần thiết là đường dẫn áp suất từ bơm tới van điều khiển và một ống
dẫn về từ van tới bình chứa.
1.1.12. Góc quay bánh xe dẫn hướng
Giả sử góc lệch bên của lốp được biểu thị trên hình 1.12, từ đó chúng ta
thấy rằng góc lái phụ thuộc vào mỗi bánh xe là khác nhau, và sự khác nhau
giữa hai bánh xe tăng lên bằng sự giảm bán kính quay - tuy nhiên bán kính
quay vòng ta tính được, dựa vào hình 1.12. Khoảng cách 2 bánh xe cầu trước
Tfk, là khoảng cách giữa hai đường tâm của chốt trụ lái. Nếu e là khoảng cách
từ phần tiếp xúc mặt đất và đường tâm chốt trụ quay, thì Tfk = Tf – 2e. Phương
trình quan hệ giữa góc quay và bán kính quay như sau (xem hình 1.12).
Giả thiết θi góc quay bánh xe dẫn hướng trong:
L

tgθ i =

Rri + e +

→ Rri + e +

(T

r

− Tf

)

(1.2)

2

(T

r

− Tf
2

)

T

= tgθ
i

2,75

→ Rfi = sin θ
i

(1.3)
(1.4)

20


e
Tf

Tfk

L
Tr

θo
R fo

θi
Rfi

Rri

Hình 1.12 Sơ đồ tính toán góc quay bánh xe dẫn hướng
L

tgθ0 = R − e − Tr − T f 
ro
 2 
L

Rfo = sin θ
o

(1.5)

(1.6)

1.1.13. Sự khác nhau góc quay bánh xe dẫn hướng trong và ngoài
Sự khác nhau góc quay bánh xe dẫn hướng trong và ngoài là bởi sự phụ
thuộc các góc quay bánh xe dẫn hướng. Thông thường ta quy ước, trục dùng 4
vết đơn được thể hiện trên hình 1.13. Nếu chúng ta giả thiết rằng chúng ta biết
θi và θo, góc quay lớn nhất bánh xe dẫn hướng trong và ngoài, T fk là cố định,
ϕ - góc chụm của bánh xe dẫn hướng cầu trước.

21


x'
O

y

x

y' r

α

δ

A'

L tr

γ

O'

x''

β

y''

r

Bϕ

A θi

ϕ

Tfk

B'

θo

Hình 1.13 Sơ đồ tính toán sự khác nhau góc quay bánh xe trong và ngoài
Một cách gần chính xác, giá trị diễn tả bởi hình vẽ 1.13. Nó có thể được
dùng để kiểm tra các lượng giác. Bắt đầu từ điểm cuối bên trái, hình 1.13, O
là tâm trụ quay tại một vết, cho một bán kính r và góc ϕ, từ biểu thức x =
rsinϕ và y = rcosϕ. Một vị trí mới A/ được xác định, với góc AOA/ = θi , x/ =
rsin(ϕ+θi) và y/ = rcos(ϕ+θi). Tâm của trụ quay phải tại vết O /. Độ dài vết
bánh xe Ltr = Tfk – 2x. Nối A/ tới O, góc:
α = tg

-1

AO =
/

/

 y / 

/ 
 T fk − x 

(1.7)

T fk − x /

(1.8)

cos β

Từ hình tam giác A/O/B chúng ta biết A/O/, O/B/ = r và A/B/ = Ltr
A / O / 2 + r 2 − L2tr
cosβ =
2 A/O / r

(1.9)

A / O / sin β
sinδ =
Ltr

(1.10)

Góc quay bánh xe dẫn hướng ngoài:
θ0 = α + β + ϕ - 900
Vị trí của điểm B được định nghĩa, x// = rsin(θ0-ϕ) và y// = r cos (θ0-ϕ)
Chúng ta tìm góc điều khiển γ. Đỉnh góc OA/O/ là:

22


1800 - α - A/OO/ = 1800 - α - (90 - ϕ - θi)
= 900 - α + ϕ + θi
Góc O/A/B/ = 1800 - β - δ, bởi vậy
γ = 1800 – (900 - α + ϕ + θi) – (1800 - β - δ)
= α + β + δ - ϕ - θi – 900

(1.11)

1.1.14. Hệ thống lái với hệ thống treo độc lập
Hệ thống treo độc lập thường được sử dụng đối với các loại xe du lịch,
bao gồm 2 chạc xương đòn hoặc thanh giằng liên kết, bánh răng và thanh răng
của bót lái bị xoắn không đều nhau tạo những góc θi và θ0 đạt được từ sự cân
bằng và dịch chuyển đối diện của phần bên trong đường tròn bán kính r. Sự
thay đổi chiều dài mức đánh lái được xác định cùng với việc bỏ qua hay xem
xét sự dịch chuyển của thanh răng, góc ϕ và lực tại vị trí cuối của đường tròn.
x'

c

θi
y'' y

θo

y'
r

b

L tr

x''

a
b

x

Hình 1.14 Sơ đồ tính toán các thông số hệ thống lái và hệ thống treo
Từ hình 1.14 chúng ta thấy rằng, giả thiết chúng ta bắt đầu với L tr và a,
đầu tiên chúng ta thiết lập c và tiếp theo b, từ góc quay bánh xe dẫn hướng
ngoài. Hình 1.15 (a) cho thấy:
c = Ltrcosγ + x

(1.12)

tại x = rsinϕ và:

23


 y − a


-1  Ltr 
γ = sin

y = r cosϕ
Tại b chúng ta tiếp tục tính toán vị trí quay bánh xe dẫn hướng ngoài,
hình 1.15 (b) dùng thiết lập b, thanh giằng di chuyển từ chuyển động thẳng
đến quay hết bánh lái.
x/ = rsin(ϕ+θi) và y/ = rcos(ϕ+θi)
Trong trường hợp này:
b + c = x/ +Ltrcosγ/

(1.13)

Dấu của γ/ thì không quan trọng, hình 1.15 (c), chúng ta biết c-b. góc
 a 


//
-1  (c − b) 
α = tg

vµ d// =

(c − b )
cos α ,,

(1.14)
C

α
(a)

y

γ

d

β

ϕ

r

L tr

x

24

a


c+b
(b)

α'
β'

y'

r

L tr

ϕ+ θ i

d'

a

γ'

x'

c-b

α ''
(c) y''

β''
r

a

d''

L tr

γ ''

x''
Hình 1.15 Sơ đồ tính toán các thông số khi quay vành tay lái
(a) Trường hợp xe đi thẳng, (b) Trường hợp đánh lái sang trái và (c)
Trường hợp đánh lái sang phải.
cosβ’’ =

d ''2 + r 2 − L2tr
2rd ''

(1.15)

θ0 = α’’ + β’’ + ϕ - 900

(1.16)

Góc điều khiển cho hình 1.15 (b) là
900 – (ϕ+θ) - γ’

(1.17)

25