Lựa chọn tay lái trợ lực điện hay thuỷ lực?

Tay lái trợ lực hay vô lăng trợ lực là một trong những bước tiến quan trọng của ngành công nghiệp xe hơi, hệ thống trợ lực lái trên ô tô giúp mang đến những trải nghiệm lái dễ dàng và thoải mái hơn. Tuy nhiên nhiều người vẫn còn lấn cấn với câu hỏi: “Nên chọn tay lái trợ lực dầu hay trợ lực điện? Trợ lực nào an toàn hơn?”

Những chiếc xe ô tô đang lưu hành hiện nay sử dụng 3 hệ thống tay lái là tay lái trợ lực điện, tay lái trợ lực dầu thủy lực (tay lái dầu thủy lực) và cuối cùng là tay lái không có trợ lực. Đến nay, hầu hết các mẫu xe mới sử dụng tay lái trợ lực điện (EPS). Số lượng xe sử dụng tay lái thủy lực (FPS) không còn nhiều và số lượng xe tay lái không trợ lực đang dần biến mất.

Vào năm 1886, một trong những nhà sáng lập ra hãng Mercedes là Karl Benz đã chế tạo ra hệ thống lái đầu tiên khá đơn giản. Tay lái (steering wheel) được gắn với trục lái (steering shaft). Ở đầu trục lái có bánh răng chủ động (Pinion Gear ) tác động vào thanh răng (Steering Rack ), biến mô men xoắn của tay lái thành chuyển động tịnh tiến của thanh răng. Hai đầu thanh răng liên kết với 2 bánh xe qua tay đòn để điều khiển hướng quay của bánh xe.

Do đó, khi muốn chiếc xe chuyển hướng đều phụ thuộc cả vào lực tay của tài xế, nhược điểm của kết cấu này là đánh lái cực kỳ nặng, nhất là khi xe đứng yên hay hay di chuyển ở tốc độ thấp. Để cho tay lái được nhẹ nhàng, người ta lắp đặt thêm bộ nhông số (hộp số lái). Nhông số tay lái giúp giảm lực tác động lên tay lái, và việc vận hành tay lái nhẹ hơn nhưng tác động đến hướng lái của bánh xe nên tỷ lệ đánh lái (Steering Ratio) sẽ tăng lên, lúc này người lái cần xoay vô lăng 4 vòng, xe mới rẽ được 1 góc 90 độ, khá chậm và thiếu an toàn.

Vào năm 1951, các nhà sản xuất ô tô cho ra đời tay lái với trợ lực dầu, hệ thống này được lắp cho mẫu xe thương mại Imperial và New Yorker của Chrysler. Kể từ đó, nó đã “thống trị” ngành công nghiệp ô tô hơn nửa thế kỷ.

Và những năm gần đây, trợ lực điện đang dần đến thời kỳ “hoàng kim” sau khi được ứng dụng lần đầu vào năm 2000 trên mẫu xe huyền thoại Honda S2000, với rất nhiều tính năng ưu việt. Cả 2 hệ thống đều có mục đích chung là giảm tác động lực của tay lên vô lăng và giảm thời gian vô lăng phản hồi khi người lái bắt đầu đánh lái. Tuy nhiên cơ cấu hoạt động khác nhau dẫn đến hiệu quả từng loại vô lăng mang lại cũng khác nhau.

Trợ lực thuỷ lực (HPS – Hydraulic Power Steering)

Hệ thống trợ lực lái thủy lực dùng áp suất dầu để hỗ trợ việc đánh lái. Các bộ phận chính của hệ thống bao gồm bơm trợ lực, bình chứa dầu, van phân phối, và pít-tông gắn vào thanh răng. Ở hệ thống trợ lực thủy lực, thanh răng được hàn thêm 1 pít tông, và được đặt trong ống xy lanh (rack housing). Ở 2 đầu xy lanh nối với 2 ống thủy lực được điều khiển bởi van thủy lực (hydraulic control valve), van thủy lực được điều khiển bởi trục lái.

Bơm trợ lực nhận công suất từ động cơ qua một dây đai (có thể thấy điều này khi đánh lái, kim đồng hồ vòng tua máy sẽ nhích lên một chút), tạo ra áp suất dầu cần thiết. Khi đánh vô-lăng, van phân phối đưa áp suất dầu qua đường cấp dầu cao áp vào pít-tông để đẩy thanh răng theo hướng xoay vô-lăng. Chênh lệch áp suất giữa hai đầu pít-tông tạo ra lực đẩy, giảm tác động của người lái lên vô-lăng.

1/ Van điều tiết thủy lực.

2/ Bánh răng.

3/ Ống dẫn thủy lực.

4/ Pít tông thủy lực

5/ Vỏ bọc (xy lanh) thanh răng.

Trợ lực điện (EPS – Electric Power Steering / EPAS – Electric Power Assisted Steering)

Vào khoảng năm 2000, tay lái trợ lực điện (EPS) được các nhà cung ứng giới thiệu với các nhà sản xuất ô tô. Năm 2005, EPS nhanh chóng chiếm được 25,8% thị phần xe mới, không bằng một nửa tay lái thủy lực (HPS) với 56,3%, tay lái không trợ lực vẫn được khách hàng lớn tuổi ưa chuộng chiếm 17,9% thị phần. Chỉ 6 năm sau, năm 2011, EPS nhanh chóng chiếm 58,2%, HPS thu hẹp chỉ còn 30,9% và tay lái không trợ lực còn 10,9%.

Hệ thống trợ lực điện 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.

1/ Bánh răng trục lái.

2/ Cảm ứng mô men xoắn tay lái.

3/ Vỏ bọc thanh răng và bánh răng.

4/ Động cơ điện.

5/Vít me bi (ball screw).

6/ Thanh răng lái.

7/ Dây đai.

Ngoài 7 thành phần nêu trên, còn phải kể đến bộ điều khiển trong tâm (ECU), trong đó có cảm biến tốc độ xe. ECU có nhiệm vụ tiếp nhận dữ liệu từ cảm ứng mô men xoắn tay lái và tốc độ xe và ra lệnh cho động cơ điện hoạt động. Động cơ điện tác động đến thanh răng lái thông qua vít me bi (ball screw)

Ưu và nhược điểm giữa trợ lực lái thủy lực và điện

Hệ thống trợ lực thuỷ lực có kết cấu hoàn toàn bằng cơ khí nên phản ứng với mặt đường chân thực hơn troẹ lực điện. Bạn có thể cảm nhận được lực dội ngược lên vô-lăng. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh của hệ thống trợ lực lái điện giúp cảm giác lái ngày một chân thực hơn.

Chi phí bảo dưỡng hệ thống trợ lực lái thủy lực thấp hơn, chỉ thường gặp một số hỏng hóc như rò rỉ dầu, hay hỏng van phân phối. Tuy nhiên, cần thường xuyên kiểm tra bảo dưỡng, kiểm tra dầu trợ lực lái. Hệ thống trợ lực điện ít phải kiểm tra, dễ dàng sửa chữa, nhưng nếu hỏng hóc phần cứng, các gara chuyên nghiệp thường khuyên nên thay toàn bộ, kéo theo chi phí lớn. Vì sửa chữa không thể đảm bảo tuyệt đối, gây sự cố ở hệ thống lái, thậm chí có tình huống vô-lăng quay liên tục không thể kiểm soát.

Trợ lực thuỷ lực phức tạp hơn, nặng hơn và chiếm không gian nhiều hơn trợ lực điện. HPS sử dụng dầu để vận hành, do vậy bơm thủy lực phải hoạt động liên tục đòi hỏi động cơ cũng phải hoạt động liên tục, trong khi ở EPS chỉ khi bẻ lái động cơ điện mới hoạt động nhờ nguồn điện cung cấp từ ắc quy. Nhờ đặc tính này xe sử dụng EPS có thể được trang bị công nghệ tiết kiệm nhiên liệu stop-start. Theo tính toán của các nhà chuyên môn, EPS giúp xe tiết kiệm nhiên liệu từ 2 đến 3% so với HPS.

Ở HPS, xe chạy càng nhanh tốc độ bơm thủy lực càng mạnh tay lái trở nên rất nhạy nhiều khi vượt quá khả năng kiểm soát của tài xế, trong khi EPS sử dụng cảm biến tốc độ nên mức độ trợ lực luôn thích hợp.

Trợ lực lái điện hoạt động theo cơ cấu điện tử nên được kết nối với cảm biến tốc độ, cảm biến trượt ở bánh xe, cảm biến va chạm và con quay hồi chuyển để điều chỉnh lực vô-lăng phù hợp. Chính vì thế, khi xe di chuyển chậm hay vào bãi đỗ xe, vô-lăng nhẹ nhàng và dễ dàng đánh lái. Khi đi tốc độ cao, vô-lăng tự động trở nên nặng hơn. Trợ lực lái thủy lực ngược lại, nặng ở tốc độ thấp và nhẹ ở tốc độ cao (do áp suất dầu lớn). Tuy nhiên, trợ lực lái thủy lực lại có tốc độ trả vô-lăng về trung tâm nhanh hơn, đồng nghĩa với việc giữ xe đi thẳng tốt hơn.

Về mặt công nghệ, tay lái trợ lực điện tỏ ra vượt trội khi ECU có thể điều chỉnh độ lệch cùng với độ nặng nhẹ của vô lăng ở nhiều điều kiện lái khác nhau. Trên thực tế, khi mô tơ của trợ lực điện được kết nối với các tín hiệu của cảm biến tốc độ, cảm biến trượt ở bánh xe, cảm biến va chạm và con quay hồi chuyển, các nhà sản xuất xe sẽ tạo ra các tính năng như vô lăng tự điều chỉnh khi xe chệch làn đường, hệ thống tự đỗ xe, chống trượt khi có gió tạt ngang thân xe và thậm chí là chức năng xe tự lái như trên các mẫu xe điện Tesla.

Tay lái trợ lực loại nào an toàn hơn?

Về nguyên lý, tay lái trợ lực điện sử dụng điện năng do động cơ sinh ra, hoạt động theo cơ cấu đơn giản hơn so với tay lái trợ lực dầu thủy lực. Bên cạnh đó, tay lái trợ lực điện dễ sử dụng, cho cảm giác tốt hơn tay lái trợ lực dầu thủy lực.

Tuy nhiên, do tay lái trợ lực điện thường dùng cơ cấu bánh răng – trục vít là cơ cấu tự khóa nên khi không có điện thì vô lăng sẽ bị khóa, trong trường hợp bất thường như lỗi cảm biến, mất nguồn điện cấp cho mô tơ thì vô lăng sẽ bị khóa. Nó sẽ nguy hiểm khi sự cố xảy ra khi xe đang lưu thông tên đường nên xét về góc độ an toàn thì EPS kém hơn HPS

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.

Đi kèm EPAS/EPS 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.

Tóm lại

Những gì mà cơ chế lái trợ lực làm là giảm nỗ lực cần thiết để quay tay lái của chiếc xe để thay đổi hướng xe di chuyển. Việc thiếu trợ lực lái khiến quá trình này trở nên cồng kềnh, đặc biệt là ở tốc độ thấp, dẫn đến mệt mỏi cho người lái. Nỗ lực cần thiết cũng tăng lên cùng với sự gia tăng trọng lượng của xe.

Mặc dù hệ thống lái trợ lực thủy lực vẫn còn chỗ đứng trên thị trường hiện tại. Nhưng hệ thống lái điện đã dần thay thế và là tiền đề để có thể phát triển các hệ thống trợ lực lái khác trong tương lai. Cùng với đó thì hệ thống trợ lực lái điện còn có những tính năng nổi bật như: đỗ xe tự động, hỗ trợ giữ làn đường thậm chí là tự lái – điều mà các hệ thống khác không có.

Ngày nay, những hệ thống tay lái trợ lực điện mới nhất – đặc biệt là ở những dòng xe của Porsche, Mazda và GM – giờ đã có cảm nhận trực quan, giúp tài xế biết những cảm nhận về lốp bánh trước chân thực như những hệ thống trợ lực thủy lực đã làm. Một chiếc xe với khả năng tương tác tốt thông qua vô lăng với người lái giúp người lái có nhận thức tốt hơn, lái xe an toàn và tự tin hơn trong mọi tình huống.