Chợ thông tin Ô Tô - Xe hơi Việt Nam (OTSN) - Hệ thống lái với trợ lực điện

Ngày nay, một số ô tô con đã chuyển sang sử dụng hệ thống trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS). Hệ thống EPS đã thay thế hoàn toàn hệ thống lái trợ lực thuỷ lực (Hydraulic Power Steering – HPS hay PS). Đồng thời với việc các ứng dụng Cơ-điện tử (Mechatronic) trong hệ thống trợ lực lái, hệ thống được hoàn thiện trên cơ sở sau:
- Khả năng trợ lực cần tăng cao khi mô men cản quay vòng lớn.
- Khả năng trợ lực cần giảm khi tốc độ ở vùng cao

HÌnh 1: Đặc tính yêu cầu của trợ lực lái

Đồ thị không gian 3 chiều mô tả đặt tính trợ lực yêu cầu thể hiện trên hình 1. Đồ thị biểu diễn quan hệ của mô men trên vành lái Mvl với sự thay đổi mô men cản ở các bánh xe dẫn hướng Mcan và sự thay đổi tốc độ ô tô v (km/h).
Các khả năng này trên hệ thống HPS khó đáp ứng được tốt. Trong thực tế chỉ có thể đáp ứng được khi sử dụng hệ thống trợ lực thuỷ lực có hỗ trợ bởi điện tử (Electric Hydraulic Power Steering – EHPS).
Tuy nhiên, đây không phải là giải pháp hoàn hảo vì vừa tạo nên hệ thống thủy lực cồng kềnh, lại vừa phức tạp kết cấu. Do vậy, hoàn hảo hơn là sử dụng hệ thống EPS
Với hệ thống trợ lực lái truyền thống bằng thủy lực, sử dụng nguồn năng lượng trợ lực từ động cơ đốt trong gặp phải nhược điểm chính là phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ liên tục thay đổi theo yêu cầu công suất phát ra. Điều đó gây trở ngại cho việc trợ lực ở các trạng thái sau:
- Ô tô ra vào chỗ đỗ, động cơ sử dụng số vòng quay thấp, dẫn tới áp suất trợ lực làm việc nhỏ, lực vành lái gia tăng;
- Khi động cơ hoạt động ở chế độ chạy chậm, việc gia tăng tải cho động cơ có thể gây chết máy;
- Khi ô tô đi ở tốc độ cao, động cơ làm việc ở chế độ vòng quay lớn, khả năng trợ lực lớn và có thể gây mất cảm giác trên vành lái…
Các trở ngại được khắc phục trên một số ô tô bằng cách bố trí thêm bộ điều áp với các chương trình định sẵn. Tuy nhiên, ngày nay cùng với sự phát triển của khu vự cơ – điện tử, vấn đề này đã giải quyết hoàng thiện hơn đối với các trở ngại kể trên, nhằm loại trừ sự phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ đốt trong. Cùng với các loại trợ lực thủy lực được điều khiển bằng điện tử, trong thời gian gần đây đã xuất hiện các dạng hệ thống lái trợ lực khác nhau (hình 2).

HÌnh 2: Các dạng hệ thống lái điều khiển bằng các dạng điện tử

Hệ thống EHPS (Electric Hydraulic Power Steering): dùng năng lượng trợ lực từ ắc quy, điều khiển bơm dầu tạo áp suất dầu lớn để điều khiển trợ lực bằng xi lanh lực (hình 2a). Hệ thống cũng kiểm soát chặt chẽ theo nhiều thông số làm việc của ô tô.
Hệ thống EHPS cũng sử dụng CCL trợ lực thủy lực không có nhiều khác biệc với kết cấu phổ biến hiện nay, giữ lại các ưu việc của hệ thống trợ lực, tuy nhiên giá thành hệ thống cao và cần nhiều cụm chi tiết chính xác và phức tạp.
- Hệ thống EMPS (Electric Mechanic Power Steering) hay còn viết tắt là EPS: dùng năng lượng trợ lực từ ắc quy điều khiển mô tơ điện trợ lực cho vành lái (hình 2b). Hệ thống lái gồm: CCL bánh răng – thanh răng 1 không trợ lực và bố trí: Mô tơ điện DC 2, Hộp số truyền 3, cảm viến góc quay vành lái 4, cảm biến tốc độ 5, và bộ vi xử lý 6. Chương trình điều khiển mô tơ DC bao hàm các trạng thái cụ thể của kết cấu theo các tiêu chí: tốc độ ô tô, đặc tính vòng quay tĩnh của ô tô, đặc tính quay vòng động của ô tô, các trạng thái nguy hiểm, mức độ trợ lực, giảm chấn của hệ thống, các chức năng chẩn đoán và các thông tin tổng quát chung của xe (CAN). Từ những tiêu chí trên, hệ thống EPS có khả năng xử lý rộng rãi nhiều thông tin liên quan tới khả năng quay vòng của ô tô, hoàn thiện chất lượng điều khiển và quay vòng. Hệ thống cho phép điều khiển mọi chế độ trợ lực theo nhiều thông số làm việc của ô tô. Việc sử dụng năng lượng điện cho trợ lực lái tương tích với nhu cầu hoàn thiện cho ô tô theo hướng thân thiện với môi trường. Trên các ô tô ngày nay năng lượng của động cơ khi dư thừa được tích luỹ tại bình điện, và phục vụ các chế độ làm việc của các hệ thống tiêu thụ điện trong đó có hệ thống lái có trợ lực.
- Hệ thống EPS có kết cấu gọn, xong khó khăn gặp phải trong việc chế tạo các loại mô tô bước DC với công suất lớn.
A. Hệ thống EHPS:
So với hệ thống trợ lực thủy lực thông dụng, hệ thống EHPS có các đặc điểm khác cơ bản sau:
- Sử dụng bơm dầu được dẫn động bằng mô tơ điện một chiều được điều khiển thông qua ECU.
- Sử dụng cảm biến kiểm soát các trạng thái làm việc của hệ thống lái, tình trạng quay vòng, tình trạng hoạt động của ô tô, động cơ.

Hình 3: Hệ thống ESPH và đặc tính trợ lực trên ô tô con

Cấu trúc hệ thống EHPS được mô tả trên hình 4. Trên hệ thống bố trí các cụm của hệ thống trợ lực thủy lực. Bơm dầu được dẫn động bằng mô tơ điện. Các chế độ trợ lực được xem xét trên cơ sở yêu cầu chung điều khiển bánh xe dẫn hướng.
Thực hiện điều khiển trợ lực cần thiết phụ thuộc vào các yêu cầu điều khiển quay vòng ô tô. Trên đồ thị của hình biểu diễn quan hệ giữa mô men cản quay vong của hệ thống lái. Chức năng trợ lực của đa số các hệ thống trợ lực điện hiện nay theo nguyên tắc: Lực trợ lực tăng tỷ lệ với mô men đặt trên vành lái. Khi tốc độ ô tô tăng cao cần giữ nguyên hặc giảm lực trợ lực. Từ đồ thị cho thấy: ECU cần bố trí cảm biến đo tốc độ ô tô, cảm biến đo MVL từ các tín hiệu nhận được, áp suất dầu được cung cấp thỏa mãn yêu cầu nêu ra ở đồ thị nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển ô tô ra vào các chỗ đỗ xe. Mặt khác, ở tốc độ cao MVL cần ổn định hoặc giảm để tạo cảm giác tốt cho người lái. Phương pháp điều khiển áp suất dầu bằng thiết bị điện tử tương tự như đã được trình bày trên hình 4.39 trên ô tô Toyota Land Cruizer.
Các phương pháp sử dụng bơm dầu với nguồn năng lượng cung cấp bởi động cơ đốt trong không cho phép thực hiện tốt các yêu cầu của việc cung cấp linh hoạt áp suất cho trợ lực, bởi vậy trên hệ thống EHPS thực hiện tốt hơn chế độ cung cấp áp suất chất lỏng tới hệ thống trợ lực lái. Tuy nhiên nhu cầu này càng được hoàn thiện nhờ hệ thống EPS.

Hình 4: Quan hệ của Mvl và gia tốc của một ô tô con khi dùng EHPS và EPS

B. Hệ thống EPS:
Các dạng bố trí EPS cho hệ thống lái của ô tô con đang phát triển với các kết cấu bố trí mô tô điện ở các vị trí:
- Trục lái
- Trên CCL
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.

Một số ô tô con sử dụng các cảm biến gia tốc bên để đánh giá trạng thái quay vòng của ô tô (Quay vòng đủ, thiếu, thừa) và điều khiển trợ lực lái theo đồ thị trên hình 4 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 MVL nhỏ hơn trên hệ thống EHPS, điều này có thể lý giải: Khi sử dụng hệ thống EHPS, MLV cần lớn để thắng lực cản thủy lực.
Bài 2: Các dạng bố trí trợ lực lái điện
1. Bộ trợ lực lái trên thanh răng (Campry, Lexus):
Xe bố trí trợ lực điện có mô tơ DC đặt ở thanh răng (hình 1.2-a) trong CCL bánh răng thanh răng. Phần chủ động của CCL bố trí cảm biến đo mô men xoắn nhằm kiểm soát mô men tác dụng lên vành lái. Phần bị động của CCL bố trí mô tơ điện DC trong vỏ trượt của thanh răng. Mô tơ điện liên kết bằng kết cấu cơ khí với thanh răng.
Phần cơ khí bao gồm các kết cấu truyền thống: vành lái 1 thực hiện chức năng điều khiển hệ thống lái qua trực tuyến 2, cơ cấu lái bánh răng thanh răng trong CCL 7 và các đòn bên liên kết 4.

Hình 1.2-a

Hệ thống sử dụng sơ đồ kiểm soát tổng thể các thông số chính của ô tô. Sơ đồ tóm lược liên kết các kết cấu và các thông tin được mô tả trên hình 1b. Hệ thống trợ lực điện làm việc như một hệ thống điều khiển tự động. Trên sơ đồ, các khối mạch điện cơ bản bao gồm:
Bộ phận thừa hành là mô tơ điện EPS làm việc với điện áp lớn nhất 28V. Nguồn điện cung cấp cho hệ thống trợ lực là điện ắc quy 12V. Mô tơ điện được điều khiển bởi rơ le và tín hiệu của EPS – ECU.
Thực hiện xử lý thông tin trong EPS – ECU nhờ các chương trình lập sẵn và các tín hiệu cụ thể của các cảm biến và hệ thống thông tin toàn xe thông qua mạng liên kết nội bộ CAN. Thông tin toàn xe được tiếp nhận đưa vào EPS – ECU gồm các tín hiệu về động cơ ECM, hệ thống truyền lực.
Để kiểm soát được trạng thái của hệ thống trợ lực, mạng điện còn liên kết với đèn hiển thị PS, đầu nối DLC 3 . Đèn PS bố trí trên bảng tablo của buồng lái và được hiển thị như các loại đèn kiểm soát và báo lỗi hệ thống khác. Đầu nối chờ DCL 3 dùng cho việc xác định tình trạng kỹ thuật, các mã lỗi khi liên kết với các thiết bị hiển thị và đấu nối chuyên dùng hoặc máy tính (laptop). Ngoài ra trên EPS – ECU còn có đèn led báo mã lỗi khi cần thiết. Các thông tin của toàn bộ ô tô và thông tin tình trạng kỹ thuật của hệ thống được lắp với cổng nối ECU chung.
Trợ lực lái bố trí một số các cảm biến chuyên dụng: cảm biến đo mô men trên trục lái, cảm biến góc quay của vành lái và sử dụng chung một số thông tin toàn xe: tốc độ ô tô, vị trí trục cam của động cơ, đánh lửa sớm (hay góc phun nhiên liệu), gia tốc dọc, gia tốc ngang của xe, … Các tín hiệu được cung cấp cho EPS – ECU và xử lý. Các tín hiệu đưa ra cơ cấu thừa hành bao gồm mật độ xung và chiều rộng xung điều khiển để thay đổi mức độ trợ lực lái của mô tơ điện.
Kết cấu của CCL và cảm biến đo mô men trục lái được trình bày ở hình 2.
CCL bánh răng thanh răng bao gồm: Bánh răng 5 dẫn động thanh răng 6, các bộ phận điều chỉnh ăn khớp của bộ truyền giống như CCL thông dụng. Cơ cấu thực hiện chuyển động quay của bánh răng và dẫn động thanh răng chuyển động tịnh tiến. Hình dáng bên ngoài của CCL được trình bày trên hình 2a.

Hình 1.2-b: Kết cấu của CCL và mô tơ điện

Trên hình 1.2-b biểu diễn mặt cắt CCL tại chỗ bố trí mô tơ điện và cảm biến góc quay 4. Mô tơ điện được đặt bao ngoài thanh răng. Stator 3 cố định với vỏ CCL. Mặt trong cuả stator là các dây dẫn điện 7 quấn quanh các cực từ. Khi có dòng điện đưa vào các cực từ trở thành các nam châm vĩnh cửu nhiều cực (theo nguyên lý của mô tơ bước). Rotor 8 được ép chặt trong ống dẫn từ 2. Các ổ bi được cố định trên vỏ và tạo thành các ổ quay cho rotor. Ống dẫn từ tạo với rotor theo cấu trúc rotor lồng sóc của mô tơ điện một chiều. Khả năng gây từ trường quay được thực hiện nhờ việc bố trí lệch pha các cực nam châm vĩnh cửu khi cấp điện vào cuộn dây của stator.
Rotor quay trong vỏ CCL và được liên kết cơ khí với thanh răng thông qua bộ truyền trục vít vô tận êcu bi. Mặt trong của rotor cũng nên các rãnh vít tương ứng. Giữa hai rãnh lõm là các viên bi cầu 9. Viên bi chạy trong rãnh lõm được tuần hoàn thông qua các ống dẫn hồi chuyển nằm trên rotor. Khi rotor quay trên ổ bi, thông qua bộ truyền vít êcu bi thanh răng thực hiện chuyển động tịnh tiến. Giữa rotor và stator bố trí cảm biến đo góc 4, nhằm mục đích kiểm soát vị trí quay của rotor.
Mô tơ điện được dẫn động nhờ các xung điều khiển từ ECU thông qua rơ le điện. Các cuộn dây và đầu nối có tiết diện khá lớn nhằm truyền dòng điện với cường độ cao ở điện áp cực đại 28V. Bộ truyền cơ khí này cho phép có tỷ số truyền lớn giúp mô tơ điện có kích thước nhỏ gọn. Bộ truyền bánh răng thanh răng thực hiện chuyển động từ tác dụng của người lái, còn mô tơ điện thông qua bộ truyền trục vít vô tận ê cu bi tới thanh răng nhờ nguồn cấp điện. Hiệu quả trợ lực cho bộ truyền bánh răng thanh răng phụ thuộc vào mật độ cung cấp cho mô tơ điện. Nguyên lý cấp xung điện cho mô tơ bước tỷ lệ nghịch với tốc độ ô tô.
Trên hình 2c biểu diễn đồ thị đặc tính trợ lực giữa điện áp hiệu dụng của xung điều khiển và mô men trên vành lái Mvl. Khi tốc độ thấp, độ rộng xung cấp điện lớn và khi tốc độ ô tô cao, độ rộng xung nhỏ, hiệu quả trợ lực thấp.

Hình 1.3: Cấu tạo cảm biến đo góc của mô tơ điện

Cảm biến đo góc quay của CCL được lắp cạnh mô tơ điện và được trình bày trên hình 1.3.
Cảm biến đo góc quay của mô tơ điện bao gồm vành cực từ 1, gắn liền trên rotor của mô tơ điện. Cuộn dây cố định nằm trên stator. Nguyên tắc tạo tín hiệu điện cũng tương tự như các loại cảm biến đo góc quay khác.
Vị trí tức thời của CCL là một thông tin cần thiết giúp cho quá 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 hình 4a 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 vòng 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 vòng 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 cám biến đặt trên vỏ CCL, và được chế tạo thành các vấu dẫn từ có các vòng dây cảm ứng cuốn quanh.
Nguyên lý đo mô men xoắn được trình bày trên hình 1. 4b.

Hình 1.4: Kết cấu của cảm biến đo mô men trục lái

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 mô 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 thông số chính để EPS – ECU quyết định tín hiệu điều khiển mô tơ điện.
2.Bộ trợ lực lái nằm trên trục lái
Bộ trợ lực lái bằng điện bố trí trên trục lái của hệ thống lái được trình bày trên hình 6. Khác với cấu trúc được trình bày ở trên, bộ trợ lực sử dụng động cơ điện một chiều 2 có cổ góp 14 để điều khiển sự chuyển động của bộ phận nối cơ khí: trục vít 9 bánh vít 15.
Động cơ điện một chiều bố trí trên trục lái và nối với bộ giảm tốc trục vít bánh vít 6 bằng ống nối then hoa mịn 18. Bánh vít 15 được lắp chặt trên trục lái, tạo nên khả năng trợ lực cho trục lái 9 khi được cấp điện áp tới mô tơ điện.
Mô tơ điện bố trí trên trục lái cho phép giảm nhẹ được mô men tạo nên bởi mô tơ điện, và điện áp sử dụng cho động cơ điện tương thích với hệ thống nguồn 12V.

Hình 1.5: Các dạng bố trí mô tơ điện trên CCL

Hình 1.6: Kết cấu bộ trợ lực lái điện trên trục lái

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 mô tơ trợ lực.
Một số dạng bố trí mô tơ điện trên CCL hiện nay trình bày trên hình 1.7: 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 mô men vành lái được đặt trên trục lái.
3. Nhận xét chung
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:
- Không phụ thuộc vào tốc độ vòng quay của động cơ.
- 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…)

Hình 1.7: Các dạng bố trí mô tơ điện trên hệ thống lái

oto-hui