Hệ thống lái chủ động AFS trên xe BMW ( Active Front Steering )

Trong hệ thống lái thường, góc quay vô-lăng luôn được truyền đến bánh xe theo một tỷ lệ cố định giữa góc lái và góc đặt bánh trước, nếu có bộ trợ lực lái cũng chỉ đơn thuần là lực vần lái.



BMW đã tiến hành cuộc cách mạng về hệ thống lái của mình qua việc giới thiệu Active Steering (hệ thống lái chủ động). Đây là hệ thống lái hiện đại kiểm soát vị trí góc lái các bánh trước một cách chính xác theo yêu cầu người lái. Với Active Steering, BMW đã đưa ra tiêu chuẩn mới về độ linh hoạt, thoải mái và an toàn. Trong khi những nhà sản xuất khác tập trung sự cải tiến của mình vào hệ thống điều khiển bằng điện, bỏ qua mối liên kết cơ giữa tay lái và bánh xe thì tay lái của BMW lại có được sự liên kết này.
Như vậy, tỷ lệ truyền lái lý tưởng ở tốc độ cao, lại nặng nhọc ở tốc độ thấp. Và ngược lại. Hệ thống lái truyền thống luôn bất lực khi tìm sự thỏa mãn giữa hai thái cực này. BMW giải quyết những mâu thuẫn đó không dựa trên thỏa hiệp với các trị số trung bình hay điện tử hóa . Hệ thống lái chủ động mới của BMW là sự phối hợp các ưu điểm của hệ thống lái điện và cơ cấu lái cơ khí và được dựa trên nguyên tắc điều khiển góc chồng lấn.

Thước lái của xe BMW 530i (2003) có hệ thống Active Steering do Bosch-ZF chế tạo

Hệ thống Active Steering BMW dựa trên một bộ bánh răng hành tinh với 2 trục vào và 1 trục ra thành 1 cụm riêng rẽ cùng với trụ lái. Một trục vào được nối trực tiếp với cơ cấu lái, trục vào còn lại được điều khiển bởi 1 môtơ điện thông qua một phanh hãm điều khiển bằng điện tử và sẽ đóng vai trò làm giảm tỷ số truyền lực. Toàn bộ góc lái được quyết định bởi trục ra và được xác định bởi chuyển động của vô lăng và mô tơ điện. Lực khi đánh lái không được quyết định bởi môtơ điện mà bởi hệ thống trợ lực của cơ cấu lái nguyên thuỷ.
Tương tự như cơ cấu được sử dụng trong hầu hết các hộp số tự động. Bộ bánh răng hành tinh gồm có 3 bộ phận chính:



1. Bánh răng định tinh Sun gear ( hay còn gọi là bánh răng trung tâm ) nằm ở giữa
2. Các bánh răng hành tinh nhỏ Planetary gear (ăn khớp và xoay quanh bánh răng định tinh) cùng với lồng hành tinh mang chúng ( Planet Pinion Carier )
3. Vòng răng ( ngoài cùng bao quanh và ăn khớp trong với các bánh răng hành tinh nhỏ )
Trên hệ thống Active Steering BMW, bộ bánh răng hành tinh này được đặt ở đuôi trụ lái (dưới vị trí khớp các đăng lái ) giữa van kiểm soát trợ lực và cơ cấu thanh răng lái. BMW gọi cơ cấu này là cơ cấu bánh răng chồng.
Một trong 3 bộ phận trên đều có thể nhận và truyền mômen xoắn trong điều kiện 1 hoặc 2 bánh răng còn lại bị giữ cố định. Như vậy nó sẽ cung cấp tỷ số truyền thay đổi khi cơ cấu thanh răng di chuyển sang trái hoặc phải.
Trên hệ thống Active Front Steering BMW, hai bộ phận là bánh răng định tinh và lồng hành tinh luôn giữ vai trò nhận và truyền mômen xoắn. Bề mặt ngoài của Vòng răng ngoài được lắp với một khớp phanh giữ không cho vòng răng có chuyển động quay, khớp này được dẫn động bởi 1 môtơ điện được điều khiển bằng máy tính. Khi vòng răng ngoài được giữ cố định bởi môtơ điện, tỷ số truyền của bộ bánh răng là không đổi. Tuy nhiên, khi máy tính kích hoạt môtơ điện và nhả khớp phanh để vòng răng chuyển động (tại thời điểm người lái tác động vào vô lăng dịch chuyển bánh xe dẫn hướng), lúc này tỷ số truyền động của cơ cấu lái sẽ thay đổi. Hiệu quả làm việc của hệ thống rất đáng ngạc nhiên. Trong trường hợp đỗ xe, máy tính sẽ tính toán và thay đổi tỷ số truyền sao chỉ cần 2 lần xoay vôlăng là kích hoạt khoá hãm để khoá bánh xe( khoảng 3 lần trên xe thông thường ). Khi ô tô tăng tốc độ, tỷ số truyền thay đổi sao cho phù hợp với tốc độ di chuyển của bánh xe và tăng độ ổn định của xe. Để giảm va đập trong hệ thống thấp nhất, bánh răng định tinh và hành tinh được lắp căng khít bởi những phanh hãm đàn hồi nhỏ.
Hoạt động của môtơ điện đã được định rõ dù lực dẫn động từ người lái là tăng hay giảm. Tỷ số truyền của hệ thống lái sẽ nằm trong khoảng 10:1 đến 20:1 và hoạt động rất nhẹ nhàng khiến người lái không thể nhận ra sự hoạt động của chúng. Tỷ số truyền của 1 hệ thống lái bình thường khoảng 18:1 (không có sự can thiệp của môtơ điện)



Bên cạnh việc mang đến sự thay đổi của tỷ số truyền, máy tính còn kết nối trực tiếp với hệ thống kiểm soát độ ổn định DSC ( Stability Control System ) để trợ giúp định hướng ổn định xe. Khi chiếc xe chạy trên đường cao tốc, 2 yếu tố là bề mặt đường và sức gió mạnh có thể ảnh hưởng tới độ ổn định của chiếc xe. Chiếc xe của bạn có thể đi chệch đường hoặc lạng về 1 bên, như nhiều trường hợp gặp phải khi bạn lái chiếc xe có kéo theo moóc khi gặp gió mạnh. Cảm biến trên xe sẽ tự động nhận biết những hành trình đột ngột xảy ra không được định trước và máy tính sẽ điều khiển Môtơ điện của hệ thống Active Steering và cơ cấu bánh răng căn thiệp trực tiếp để tạo độ ổn định cho chiếc xe. Lúc này người lái hoàn toàn không can thiệp được vào sự dịch chuyển của bánh xe.
Nếu xe bị trượt khi chạy trong điều kiện mặt đường xấu, Hệ thống Active Steering sẽ nhận phản ứng từ những thông tin qua bộ cảm biến hành trình và sẽ tự động điều chỉnh góc lái của bánh xe (khoảng 5o theo hướng hành trình được lập sẵn) để tạo độ ổn định cho xe. Quá trình xử lý này xảy ra nhanh hơn rất nhiều so với thao tác mà người lái có thể phản ứng (khoảng 150/nghìn giây). Nếu góc lái được điều chỉnh bởi hệ thống Active Steering chưa đủ thì ngay sau đó hệ thống Kiểm soát độ ổn định DSC ( Stability Control System ) mới can thiệp vào để giúp chiếc xe có độ ổn định tốt hơn.
Nói tóm lại, Hệ thống Active Steering có 3 ưu điểm sau:
- Ở tốc độ dưới 45 mph, khả năng truyền động của cơ cấu lái nhanh hơn 44% => tạo sự nhanh nhậy và linh hoạt hơn cho xe
- Ở tốc độ trên 75 mph, khả năng truyền động của cơ cấu lái chậm hơn 11% => tăng độ ổn định của xe.
- Trên mặt đường xấu gồ ghề, Active Steering nhanh chóng hiệu chỉnh cân bằng lái để giữ cho đuôi xe không bị dao động (vẫy đuôi).
An toàn là mục tiêu hàng đầu của hệ thống Active Steering. Cảm biến góc lái gắn trên trụ lái có khả năng nhận biết hướng mà người lái muốn di chuyển và hệ thống chỉ can thiệp nếu độ ổn định của chiếc xe ở dưới giới hạn cho phép. Nếu có một lỗi hoặc một sự cố xảy ra trong hệ thống điện, máy tính sẽ ngắt môtơ điện, khoá vòng răng ngoài của hệ thống bánh răng hành tinh và như vậy tỷ số truyền sẽ không thay đổi. Cuối cùng, nếu có một sự cố xảy ra trong cơ cấu bánh răng hành tinh (một sự cố ngoài ý muốn) thì với 2 trục chạy suốt từ đuôi trụ lái đến cơ cấu thanh răng lái(trục vào nối trực tiếp với cơ cấu lái và trục ra như đã trình bày ở trên), cơ cấu lái trở về cơ cấu bánh răng thanh răng nguyên thuỷ.
Trong quá trình điều khiển xe trên đường, hệ thống làm việc êm đến mức người lái hầu như sẽ không cảm nhận được hoạt động của nó, dù cố gắng cũng chỉ cảm thấy là không đáng kể khi môtơ làm việc. Chiếc xe dường như rất ổn định ở mọi tốc độ của xe. Khi đỗ xe cũng chỉ nghe thấy 1 tiếng "tách" rất nhỏ của cơ cấu khoá bánh xe dẫn hướng. Cảm nhận dễ nhận thấy nhất chính là sự khác biệt khi bạn ngồi vào và điều khiển một chiếc xe khác không có hệ thống Active Steering, hệ thống lái dường như không nhạy, đây là điều chứng tỏ rõ rệt những cải tiến về mặt kỹ thuật hoàn thiện hơn nữa mà hệ thống Active Steering mang lại trong quá trình điều khiển xe.


Video mô tả hoạt động của hệ thống lái chủ động active steering của BMW