Trên ô tô và các phương tiện cơ giới khác, hệ thống trợ lực lái giúp người lái điều khiển phương tiện bằng cách tăng thêm lực đánh lái cần thiết để quay vô lăng, giúp xe quay đầu, chuyển hướng hoặc điều khiển dễ dàng hơn. Hệ thống lái trợ lực bổ sung mô-men xoắn mà người lái tác dụng cho vô lăng. Hệ thống lái trợ lực truyền thống là hệ thống thủy lực, nhưng hệ thống lái trợ lực điện (EPS) đang trở nên phổ biến hơn nhiều. EPS loại bỏ nhiều thành phần như bơm thủy lực, ống mềm (ống dầu thủy lực), chất lỏng (dầu trợ lực), dây đai truyền động và ròng rọc. Vì lý do này, hệ thống lái trợ lực điện có xu hướng nhỏ hơn và nhẹ hơn hệ thống thủy lực.
Hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering – EPS) hay còn gọi là Trợ lực lái dẫn động bằng động cơ (Motor-Driven Power Steering – MDPS) sử dụng động cơ điện để hỗ trợ người lái xe khi đánh lái. Hệ thống bao gồm động cơ điện dẫn động, các cảm biến, mô-đun điều khiển và hệ thống lái cơ bản (cơ khí).
Cơ bản, hệ thống lái trợ lực điện hoạt động theo các bước đơn giản:
- Cảm biến tại cột lái phát hiện góc lái và mô-men xoắn;
- ECU phân tích các tín hiệu và xác định lượng hỗ trợ cần thiết;
- Một động cơ điện lắp ở trục lái hoặc thanh răng tác động lực trợ lực theo chỉ dẫn của ECU.
Bộ truyền động điện bổ sung năng lượng có kiểm soát cho cơ cấu lái, do đó người lái có thể giảm thiểu nỗ lực để quay vô lăng khi lái xe ở tốc độ thông thường và giảm đáng kể nỗ lực vật lý cần thiết để quay vô lăng khi xe dừng hoặc chuyển động chậm. Hệ thống lái trợ lực cũng có thể được thiết kế để cung cấp một số phản hồi nhân tạo của các lực tác động lên hệ thống lái.
Trong bài viết này, chúng ta đi tìm hiểu cơ bản các loại kiến trúc trợ lực lái, tùy thuộc theo cách bố trí động cơ điện, cơ chế truyền động. Chi tiết về từng loại sẽ được viết trong các bài sau, rất mong mọi người tiếp tục theo dõi.
Trợ lực cột lái – Column EPS
EPS loại cột lái có lịch sử lâu đời nhất. Trên thực tế, EPS đầu tiên trên thế giới được giới thiệu cho Suzuki Cervo vào năm 1988 là loại này, mặc dù loại đó chỉ hoạt động như hỗ trợ đỗ xe. Trong Column EPS, động cơ được lắp ở cột lái và dẫn động trục lái trực tiếp. Ưu điểm của nó là kết cấu đơn giản và giá thành rẻ. Vì động cơ được đặt bên trong bảng điều khiển, nó không phải chịu nước và nhiệt độ khắc nghiệt, do đó chi phí sản xuất có thể được hạ thấp hơn nữa.
Nhược điểm, EPS cột lái khét tiếng với cảm giác tê liệt, vì việc kết nối trực tiếp động cơ với cột lái làm tăng ma sát cơ học. Hơn nữa, vì động cơ được lắp ở đầu trục lái, nên khớp nối của nó phải được tăng cường để tránh bị xoắn bởi mô-men xoắn của động cơ điện. Điều này làm tăng quán tính, ma sát từ đó tê liệt hơn. Tải trọng cầu trước càng nặng thì vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng. Vì những lý do này, EPS cột lái thường được dành cho những chiếc xe nhỏ giá rẻ.
Trợ lực lái điện thanh răng đơn – Single-Pinion EPS
Trợ lực lái thanh răng đơn EPS tích hợp cơ cấu trợ lực điện vào trục bánh răng lái sơ cấp. EPS thanh răng đơn có lực động cơ tác dụng trực tiếp lên răng trên thanh răng. Nó sẽ cho cảm giác tốt hơn loại EPS cột lái, nhưng nó có một nhược điểm nghiêm trọng: do động cơ nằm ngay phía trước bàn đạp, trong trường hợp va chạm từ phía trước, động cơ có thể bị đẩy vào chân người lái, gây ra không gian chật hẹp và dễ gây thương tích. Do nhược điểm an toàn này, nhiều nhà sản xuất đã chuyển sang hệ thống thanh răng kép.
Trợ lực lái điện thanh răng kép – Dual-Pinion EPS
Trợ lực lái điện thanh răng kép thêm hàng răng thứ hai vào thanh răng. Động cơ điện dẫn động hàng răng bổ sung này. Vì động cơ được lắp cách xa cột lái nên nguy cơ bị thương ở chân khi va chạm có thể giảm đáng kể. Hơn nữa, bằng cách tách động cơ khỏi cột lái, cảm giác lái có thể được cải thiện.
EPS thanh răng kép sản xuất hàng loạt đầu tiên được ZF phát triển và áp dụng cho nền tảng Volkswagen Golf V từ năm 2003, sau đó được mở rộng cho Passat và nhiều nhà sản xuất khác. Ngày nay, hầu hết các xe phân khúc C đều sử dụng loại EPS này. Tuy nhiên, nó không đủ mạnh để xử lý các loại xe nặng hơn.
Trợ lực lái điện trục song song – Parallel Axis EPS
Trợ lực lái điện trục song song (Parallel Axis EPS) đắt hơn tất cả các loại trên, nhưng nó cũng mạnh mẽ và chính xác hơn, do đó nó được sử dụng rộng rãi cho các xe hạng sang cỡ lớn, xe cao cấp nhấn mạnh tính năng động học cũng như xe thể thao, bao gồm cả Porsche 991.
Động cơ điện được lắp song song với thước lái. Nó dẫn động thước lái thông qua dây đai răng và hộp số step-down.
Hộp số truyền chuyển động quay sang chuyển động dọc trục qua nhiều viên bi chạy quanh các rãnh trên thước lái. Khi các viên bi thoát ra từ một đầu, chúng tuần hoàn trở lại phía trước thông qua một kênh đặc biệt. Cấu tạo như vậy tương tự như hệ thống lái bi tuần hoàn thông thường. Nhờ các viên bi này, ma sát được giữ ở mức tối thiểu. Càng ít ma sát được thêm vào hệ thống, thì thông tin thực càng có thể được chuyển đến tay bạn (cảm giác lái). Do đó, EPS trục song song sẽ cảm thấy dễ chịu hơn. Hơn nữa, nhờ hộp số step-down, động cơ có thể được điều khiển chính xác hơn.
