Hệ thống lái (Steering system)

Chức năng:

Chức năng chính của hệ thống lái là chuyển đổi chuyển động quay của vô lăng thành chuyển động góc của bánh xe, cho phép phương tiện rẽ trái hoặc phải. Hệ thống này cũng phải đảm bảo các yếu tố sau:

• Độ chính xác: Cho phép người lái điều khiển hướng di chuyển một cách chính xác và ổn định.
• Truyền lực: Khuếch đại lực tác động của người lái lên vô lăng để dễ dàng điều khiển bánh xe, đặc biệt là ở tốc độ thấp. Việc khuếch đại lực này có thể thực hiện thông qua các cơ cấu cơ khí như bánh răng, hoặc sử dụng hệ thống trợ lực thủy lực hoặc điện.
• Hấp thụ rung động: Giảm thiểu rung động từ mặt đường truyền lên vô lăng, giúp người lái thoải mái hơn.
• Tự định tâm: Xu hướng đưa bánh xe trở về vị trí thẳng hàng sau khi đã rẽ. Tính năng này giúp duy trì sự ổn định của phương tiện và giảm bớt sự mệt mỏi cho người lái.

Các loại hệ thống lái:

Có nhiều loại hệ thống lái khác nhau, nhưng phổ biến nhất là:

• Hệ thống lái cơ khí (Mechanical Steering): Sử dụng hoàn toàn các liên kết cơ khí như thanh răng, bánh răng, đòn kéo để truyền lực từ vô lăng đến bánh xe. Loại này thường thấy ở các xe cũ hoặc xe tải nhỏ. Ưu điểm của hệ thống này là cấu tạo đơn giản, chi phí thấp và bảo dưỡng dễ dàng. Tuy nhiên, nó đòi hỏi người lái phải dùng nhiều sức hơn, đặc biệt là khi đánh lái ở tốc độ thấp hoặc khi xe đứng yên.
• Hệ thống lái trợ lực thủy lực (Hydraulic Power Steering): Sử dụng bơm thủy lực để hỗ trợ lực lái, giúp việc đánh lái nhẹ nhàng hơn. Dầu thủy lực dưới áp suất cao được bơm vào xi lanh thủy lực, tạo ra lực hỗ trợ xoay bánh xe. Hệ thống này mang lại cảm giác lái tốt hơn và ít tốn sức hơn so với hệ thống lái cơ khí. Nhược điểm là tiêu hao năng lượng do bơm thủy lực hoạt động liên tục, ngay cả khi không đánh lái.
• Hệ thống lái trợ lực điện (Electric Power Steering): Sử dụng motor điện để hỗ trợ lực lái. Ưu điểm của hệ thống này là tiết kiệm nhiên liệu hơn so với trợ lực thủy lực vì chỉ hoạt động khi cần thiết. Hệ thống này cũng cho phép tích hợp các tính năng hỗ trợ lái tiên tiến như hỗ trợ đỗ xe tự động.
• Hệ thống lái trợ lực điện-thủy lực (Electro-Hydraulic Power Steering): Kết hợp giữa trợ lực thủy lực và điện, sử dụng motor điện để vận hành bơm thủy lực, mang lại hiệu quả tốt hơn. Hệ thống này kết hợp ưu điểm của cả hai hệ thống trợ lực thủy lực và trợ lực điện, mang lại hiệu suất cao và tiết kiệm nhiên liệu.

Các bộ phận chính của hệ thống lái:

Một hệ thống lái điển hình (ví dụ hệ thống lái trợ lực thủy lực) bao gồm các bộ phận chính sau:

• Vô lăng (Steering Wheel): Bộ phận mà người lái sử dụng để điều khiển hướng di chuyển.
• Trục lái (Steering Column): Kết nối vô lăng với hộp số lái.
• Hộp số lái (Steering Gearbox/Steering Box): Chuyển đổi chuyển động quay của vô lăng thành chuyển động tịnh tiến hoặc quay của thanh răng. Tỷ số truyền của hộp số lái ($i = \frac{\theta{\text{vô lăng}}}{\theta{\text{bánh xe}}}$) quyết định số vòng quay của vô lăng cần thiết để xoay bánh xe một góc nhất định.
• Thanh răng, bánh răng (Rack and Pinion) hoặc cơ cấu lái khác: Chuyển đổi chuyển động tịnh tiến hoặc quay từ hộp số lái thành chuyển động góc của bánh xe. Cơ cấu thanh răng-bánh răng là loại phổ biến nhất hiện nay do cấu tạo đơn giản, hiệu quả và chính xác.
• Đòn lái (Tie Rod) và đòn kéo (Steering Arm): Kết nối thanh răng với moay-ơ bánh xe.
• Bơm trợ lực thủy lực (Power Steering Pump) (nếu có): Cung cấp dầu thủy lực dưới áp suất cho xi lanh trợ lực.
• Xi lanh trợ lực thủy lực (Power Steering Cylinder) (nếu có): Tạo ra lực hỗ trợ giúp xoay bánh xe.

Các vấn đề thường gặp:

Một số vấn đề thường gặp ở hệ thống lái bao gồm:

• Rò rỉ dầu trợ lực.
• Bơm trợ lực hỏng.
• Lỏng các khớp nối.
• Vô lăng nặng.
• Tiếng kêu khi đánh lái.

Bảo dưỡng:

Việc bảo dưỡng hệ thống lái định kỳ là rất quan trọng để đảm bảo an toàn khi vận hành. Một số công việc bảo dưỡng bao gồm:

• Kiểm tra mức dầu trợ lực: Đảm bảo mức dầu trợ lực luôn nằm trong khoảng quy định. Nếu mức dầu thấp, cần bổ sung dầu đúng loại.
• Kiểm tra các khớp nối xem có bị lỏng hay không: Các khớp nối bị lỏng có thể gây ra tiếng kêu và ảnh hưởng đến độ chính xác khi đánh lái.
• Kiểm tra độ mòn của các bộ phận: Các bộ phận như thanh răng, bánh răng, đòn lái, rotuyn lái… cần được kiểm tra định kỳ để phát hiện và thay thế kịp thời nếu bị mòn hoặc hư hỏng.
• Kiểm tra áp suất lốp: Áp suất lốp ảnh hưởng đến cảm giác lái và khả năng phản hồi của hệ thống lái.

Các góc đặt bánh xe (Wheel Alignment):

Hiệu suất và tuổi thọ của lốp xe cũng như sự ổn định khi lái phụ thuộc rất nhiều vào các góc đặt bánh xe. Việc cân chỉnh góc đặt bánh xe giúp tối ưu hóa khả năng bám đường, giảm mài mòn lốp và cải thiện khả năng điều khiển xe. Các góc này bao gồm:

• Camber (Độ nghiêng): Góc nghiêng của bánh xe so với mặt phẳng thẳng đứng nhìn từ phía trước hoặc phía sau xe. Camber dương (+) là khi phần trên của bánh xe nghiêng ra ngoài, camber âm (-) là khi phần trên của bánh xe nghiêng vào trong.
• Caster (Góc nghiêng trục lái): Góc nghiêng của trục quay bánh xe so với mặt phẳng thẳng đứng nhìn từ bên hông xe. Caster dương (+) là khi điểm tiếp xúc của bánh xe với mặt đường nằm phía sau trục quay, giúp bánh xe tự định tâm.
• Toe (Độ chụm/xoè): Khoảng cách giữa hai mép trước của bánh xe so với khoảng cách giữa hai mép sau của bánh xe khi nhìn từ trên xuống. Toe-in (chụm) là khi khoảng cách phía trước nhỏ hơn khoảng cách phía sau, toe-out (xoè) là khi khoảng cách phía trước lớn hơn khoảng cách phía sau.

Hệ thống lái tỷ số biến thiên (Variable Steering Ratio):

Một số hệ thống lái hiện đại sử dụng tỷ số truyền biến thiên, nghĩa là tỷ số truyền $i = \frac{\theta{\text{vô lăng}}}{\theta{\text{bánh xe}}}$ thay đổi theo góc đánh lái. Ở góc đánh lái nhỏ (khi đi thẳng), tỷ số truyền lớn giúp xe ổn định hơn. Ở góc đánh lái lớn (khi quay đầu xe), tỷ số truyền nhỏ giúp việc đánh lái nhẹ nhàng hơn.

Hệ thống lái bốn bánh (Four-Wheel Steering):

Trong hệ thống này, cả bánh trước và bánh sau đều có thể đánh lái, giúp tăng khả năng cơ động của xe, đặc biệt là khi đi với tốc độ thấp và khi đỗ xe. Hệ thống này giúp xe xoay trở linh hoạt hơn trong không gian hẹp.

Hệ thống lái chủ động (Active Steering):

Hệ thống lái chủ động sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển điện tử để điều chỉnh góc đánh lái của bánh xe một cách tự động, giúp tăng cường tính ổn định và an toàn của xe trong các tình huống khẩn cấp.

Tác động của hệ thống lái đến tính năng vận hành:

Hệ thống lái ảnh hưởng trực tiếp đến:

• Khả năng điều khiển (Handling): Một hệ thống lái tốt sẽ giúp xe phản ứng nhanh nhạy và chính xác với các thao tác của người lái.
• Độ ổn định (Stability): Hệ thống lái góp phần quan trọng vào việc duy trì sự ổn định của xe, đặc biệt là khi đi ở tốc độ cao hoặc trên đường trơn trượt.
• Độ êm dịu (Ride Comfort): Hệ thống lái có khả năng hấp thụ rung động tốt sẽ giúp người lái cảm thấy thoải mái hơn.

• Gillespie, T. D. (1992). Fundamentals of vehicle dynamics. Society of Automotive Engineers.
• Reimpell, J., Stoll, H., & Betzler, J. W. (2001). The automotive chassis: Engineering principles. Society of Automotive Engineers.
• Milliken, W. F., & Milliken, D. L. (1995). Race car vehicle dynamics. Society of Automotive Engineers.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa hệ thống lái trợ lực thủy lực và hệ thống lái trợ lực điện là gì? Ưu điểm và nhược điểm của từng loại là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở nguồn cung cấp năng lượng hỗ trợ lực lái. Trợ lực thủy lực sử dụng bơm thủy lực và dầu, trong khi trợ lực điện sử dụng motor điện.

• Trợ lực thủy lực: Ưu điểm: Cung cấp lực hỗ trợ lớn, giá thành rẻ hơn. Nhược điểm: Tiêu hao năng lượng nhiều hơn do bơm thủy lực luôn hoạt động, bảo dưỡng phức tạp hơn (thay dầu, kiểm tra rò rỉ).
• Trợ lực điện: Ưu điểm: Tiết kiệm nhiên liệu hơn do motor chỉ hoạt động khi cần thiết, bảo dưỡng đơn giản hơn, tích hợp tốt với các hệ thống điện tử khác. Nhược điểm: Lực hỗ trợ có thể kém hơn ở một số trường hợp, giá thành cao hơn.

Làm thế nào để xác định tỷ số truyền của hộp số lái ($i$) nếu biết số vòng quay của vô lăng và góc xoay của bánh xe?

Trả lời: Tỷ số truyền $i$ được tính bằng công thức: $i = \frac{\theta{vô lăng}}{\theta{bánh xe}}$, trong đó $ \theta{vô lăng}$ là góc quay của vô lăng và $\theta{bánh xe}$ là góc quay của bánh xe. Ví dụ, nếu vô lăng quay 3 vòng (tương đương $3 \times 360^\circ = 1080^\circ$) để bánh xe xoay $30^\circ$, thì tỷ số truyền là $i = \frac{1080}{30} = 36$.

Tại sao việc căn chỉnh các góc đặt bánh xe (wheel alignment) lại quan trọng?

Trả lời: Căn chỉnh các góc đặt bánh xe đúng cách đảm bảo lốp xe mòn đều, tối ưu hóa khả năng bám đường, tăng độ ổn định khi lái và cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Ngược lại, nếu các góc đặt bánh xe không đúng, lốp xe sẽ mòn không đều, xe có thể bị lệch hướng khi lái và tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn.

Hệ thống lái bốn bánh (4WS) hoạt động như thế nào và lợi ích của nó là gì?

Trả lời: Hệ thống 4WS cho phép cả bánh trước và bánh sau cùng đánh lái. Ở tốc độ thấp, bánh sau đánh lái ngược chiều với bánh trước, giúp giảm bán kính quay vòng, tăng khả năng cơ động khi đỗ xe. Ở tốc độ cao, bánh sau đánh lái cùng chiều với bánh trước, giúp tăng độ ổn định khi chuyển làn hoặc khi vào cua.

Những dấu hiệu nào cho thấy hệ thống lái có vấn đề?

Trả lời: Một số dấu hiệu cho thấy hệ thống lái có vấn đề bao gồm: vô lăng nặng, khó đánh lái, tiếng kêu khi đánh lái, rò rỉ dầu trợ lực, xe bị lệch hướng khi lái, vô lăng rung lắc, bánh xe không tự định tâm sau khi rẽ. Khi gặp bất kỳ dấu hiệu nào trong số này, bạn nên mang xe đến gara để được kiểm tra và sửa chữa.