Tổng quan các hệ thống trợ lực lái hiện nay

Trợ lực tay lái thủy lực (trợ lực dầu) – Hydraulic Power Steering (HPS)

Đây là hệ thống trợ lực ra đời đầu tiên và được biết đến nhiều nhất nhờ vào kết cấu đơn giản, chi phí lắp đặt cũng như bảo trì bảo dưỡng thấp. Dòng xe phổ biến tại Việt Nam trước đây có trang bị tay lái trợ lực dầu có thể kể đến Toyota Corolla.

Các bộ phận chính của hệ thống gồm: bơm dầu, van phân phối, xi-lanh trợ lực và hộp cơ cấu lái. Tùy vào bố trí của van phân phối sẽ có 3 loại trợ lực dầu chính: van phân phối và xi-lanh kết hợp trong cơ cấu lái, van phân phối và xi-lanh kết hợp trong đòn kéo, van phân phối và xi-lanh bố trí riêng biệt.

Sơ đồ bố trí của hệ thống trợ lực dầu

Bơm trợ lực sẽ nhận công suất từ động cơ và tạo ra áp suất dầu cần thiết. Khi tài xế đánh vô-lăng, van phân phối sẽ hoạt động và đưa áp suất dầu vào xi-lanh, từ đó piston sẽ di chuyển thanh răng lái và điều khiển bánh xe dẫn hướng.

Nhờ áp suất dầu thuỷ lực mà lực tác dụng lên tay lái giảm đi và không phải quay tay lái quá nhiều. Do bơm dầu nhận công suất từ động cơ nên hệ thống chỉ hoạt động khi nổ máy, việc đánh tay lái khi dừng xe và tắt động cơ sẽ gặp nhiều khó khăn. Ngoài ra khi ở vận tốc cao, áp lực dầu lớn có thể khiến tay lái nhạy qua mức cần thiết. Hư hỏng thường gặp nhất là thiếu dầu trợ lực, nguyên nhân có thể do các nút chặn cao su lão hóa hoặc bình chứa dầu bị thủng dẫn đến rò rỉ.

Bình dầu của hệ thống trợ lực thủy lực

Một biến thể khác của trợ lực dầu là hệ thống trợ lực thủy lực phi tuyến tính

variable-assist power steering hay speed sensitive steering (PSS).

Cơ cấu này vận hành tương tự như trợ lực dầu thông thường: sử dụng áp lực dầu để hỗ trợ lực lái. Nhưng điểm khác biệt là lực tay lái sẽ là như nhau ở mọi vận tốc mà xe di chuyển chứ không phụ thuộc vào tốc độ động cơ.

Hệ thống PSS trang bị trên Mercedes-AMG GT 2016

Ưu điểm là tay lái nhẹ ngay cả ở vận tốc thấp, và khi xe ở vận tốc cao thì vô-lăng “khá nặng”, cho cảm giác điều khiển ổn định và chắc chắn. Hệ hống này được giới thiệu lần đầu tiên ở mẫu xe Pháp Citroën SM năm 1970.

Citroën SM 1970

Trợ lực tay lái điện – thủy lực (Electro-hydraulic power steering – EHPS)

Hệ thống trợ lực điện – thủy lực còn được gọi là “hệ thống trợ lực lai” (hybrid) sử dụng cơ cấu trợ lực tương tự như trợ lực dầu thông thường nhưng áp suất thủy lực được cung cấp từ một motor điện, động cơ dẫn động motor này thông qua một dây đai hoặc có một bộ điều khiển điện tử điều chỉnh hoạt động.

Cơ chế hoạt động của hệ thống trợ lực điện – thủy lực

Năm 1965, Ford thử nghiệm kiểu thiết kế tay lái “xoay cổ tay” trên mẫu xe Mercury Park Lane với hai vành lái nhỏ 5-inch (127mm) dành cho mỗi bên tay điều khiển, thay thế cho vô-lăng truyền thống. Tỉ lệ truyền tay lái 15:1 cho phản hồi nhanh nhạy và một máy bơm dầu chạy điện trong trường hợp  động cơ không hỗ trợ cho hệ thống trợ lực.

Tay lái có một không hai của Mercury Park Lane 1965

Mẫu Subaru XT6 năm 1988 được trang bị một hệ thống trợ lực lái thủy lực – điện độc đáo với tên gọi Cybrid có khả năng thay đổi mức hỗ trợ vô-lăng tương ứng vận tốc của xe.

Subaru XT6

Toyota vào năm 1990 đã ra mắt chiếc MR2 thế hệ thứ hai cùng hệ thống trợ lực tay lái điện-thủy lực mà các đường dầu không ảnh hưởng đến giá đỡ cột tay lái.

Toyota MR2 thế hệ 1990

Tiếp đó vào năm 1994, Volkswagen sản xuất Mark 3 Golf Ecomatic với bơm điện, đồng nghĩa rằng lực hỗ trợ cho tay lái vẫn có kể cả khi động cơ dừng và sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Mark 3 Golf Ecomatic của Volkswagen

Hệ thống trợ lực thủy lực – điện được trang bị cho các dòng xe của  Ford, Volkswagen, Audi, Peugeot, Citroën, SEAT, Skoda, Suzuki, Opel, MINI, Toyota, Honda, và Mazda.

Những ưu điểm chính của hệ thống trợ lực tay lái thủy lực – điện bao gồm:

• Bơm hoặc motor điện có kích thước nhỏ gọn hơn bơm thủy lực thông thường và được bố trí gọn gàng, hợp lý hơn.
• Áp lực dầu vẫn có được kể cả khi động cơ không hoạt động.
• Bộ phận điều khiển bơm, motor điện chỉ tạo ra áp lực dầu cần thiết cho những tình huống cụ thể khi lái xe, nhờ đó tiết kiệm được năng lượng lên đến 20%.
• Các thông số tay lái (góc đánh lái, lực lái, độ nhạy, tốc độ phản hồi) có thể được cài đặt cho tùy từng loại xe khác nhau thông qua bộ điều khiển điện tử.

Trợ lưc tay lái điện tử

Electric power assisted steering (EPS/EPAS) hay Motor driven power steering (MDPS)

Hệ thống trợ lực điện tử sử dụng motor điện để đẩy thanh răng lái thay cho áp lực dầu như hai hệ thống trợ lực trên. Điều khiển motor điện là một ECU điện tử, nhận thông tin về góc đánh lái, mô-men của cột vô-lăng từ cảm biến.

Cách hoạt động của EPAS/EPS

Kết cấu này cho phép cung cấp nhiều khả năng hỗ trợ người lái tùy theo điều kiện hoạt động cụ thể của phương tiện. Các kỹ sư có thể thiết lập các thông số như tỉ lệ truyền tay lái dựa vào hoạt động của hệ thống treo và các yếu tố khác để tối ưu hóa khả năng kiểm soát vô-lăng cũng như vận hành ổn định cho từng mẫu xe riêng biệt.

Đối với hệ thống EPAS, năng lượng của động cơ sẽ không bị hao hụt để tạo ra áp lực như trợ lực thủy lực, đồng thời khả năng cung cấp lực hỗ trợ đa dạng và việc thay thế, bảo trì đơn giản và tiết kiệm hơn chính là lợi thế.

Tuy nhiên khi mới xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1988 trên chiếc Suzuki Cervo hay cả với dòng xe danh tiếng Porsche 911, trợ lực điện nhận được khá nhiều phản hồi về việc thiếu cảm giác với mặt đường.

Suzuki Cervo 1988

Ngày nay, EPAS/EPS được cải tiến hơn trước rất nhiều nhờ vào những công nghệ tiên tiến và có khả năng mang đếm cảm giác tay lái chân thật cho tài xế, bên cạnh đó ưu điểm giúp tiết kiệm nhiên liệu khiến cho trợ lực lái điện tử được ứng dụng rộng rãi từ những hãng xe phổ thông như Toyota, Ford hay những nhà sản xuất xe sang như Mercedes, BMW và Audi.

Hệ thống trợ lực tay lái điện của Nissan trang bị trên Infiniti G37S

Lấy ví dụ tại Việt Nam, các dòng xe của Ford như Ranger, EcoSport, Focus hay Fiesta có được trang bị hệ thống EPAS hiện đại. Hệ thống EPAS  của Ford không phụ thuộc vào động cơ nên ngay cả khi xe đứng im thì hệ thống lái vẫn được trợ lực. Điều này giúp cải thiện tiêu hao nhiên liệu đến 5%, do chức năng điều chỉnh trợ lực vô-lăng chỉ được thực hiện khi ở tốc độ cao hoặc khi điều kiện đường sá và thời tiết đòi hỏi.

Hệ thống trợ lực tay lái điện lắp đặt trên xe Ford

Đi kèm là tính năng chống rung lắc chủ động giúp hạn chế tác động mà lốp xe gây ra, giúp tay lái êm ái và dễ điều khiển hơn, đặc biệt là khả năng “bù lệch hướng” liên tục tự điều chỉnh để giữ cho xe ổn định khi mặt đường không bằng phẳng hoặc có gió tạt ngang.

Tính năng tự động bù lệch hướng cho tay lái trên xe Ford

Ngoài ra còn có một kiểu trợ lực khí nén, chuyên sử dụng cho các xe tải và xe đầu kéo hạng nặng. Hệ thống này trang bị máy nén khí để tạo ra áp lực cho xi-lanh khí nén, từ đó vận hành tương tự như kiểu trợ lực dầu. Do đặc thù về giá thành cao, kích thước và trọng lượng lớn cũng như kết cấu phúc tạp, bảo trì khó khăn nên trợ lực khí nén chỉ được trang bị cho những dòng xe tải trọng lớn.