Những nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh xe hơi

Tất cả chúng ta đều biết rằng khi xe hơi đang chạy trên đường, chỉ cần bạn đạp phanh thì chiếc xe sẽ từ từ giảm tốc độ và dừng lại. Vậy thực sự điều gì đã diễn ra khi bạn đạp phanh? Lực đạp từ bàn chân bạn được truyền tới bánh xe như thế nào? Làm thế lực chân được khuếch đại đủ lớn để có thể phanh cả một chiếc xe hơi to lớn? Bài viết này sẽ cùng các bạn tìm hiểu những nguyên lý cơ bản của hệ thống phanh trên xe hơi nhằm trả lời cho những thắc mắc nói trên.

>>> Nguyên lý hoạt động của bộ ly hợp

Phanh được xếp vào danh sách những hệ thống đảm bảo an toàn trên xe hơi. Dĩ nhiên là không chỉ xe hơi mà bất cứ phương tiện vận chuyển nào cũng cần phải có hệ thống giúp giảm tốc độ và dừng lại theo ý muốn của người điều khiển. Trên hầu hết các dòng xe hơi, chúng ta sẽ bắt gặp được 2 loại phanh cơ bản nhất là phanh chính (thường vận hành bằng thủy lực) phanh tay. Trong khuôn khổ bài viết này, chúng ta sẽ khảo sát dạng phanh thứ nhất là phanh chính, phanh tay sẽ được nghiên cứu sâu hơn trong một bài viết khác.

Những nguyên lý cơ bản trong một hệ thống phanh

Đầu tiên, vấn đề ở đây là nếu chỉ sử dụng lực của người điều khiển thì không thể nào dừng cả một chiếc xe to và nặng hơn rất nhiều lần, do đó, hệ thống phanh là vô cùng cần thiết. Khi bạn đạp phanh, lực sẽ được truyền từ bàn chân xuống cơ cấu phanh thông qua áp suất chất lỏng được dẫn đi qua hệ thống ống thủy lực. Để có thể tăng cường lực phanh lên tới mức cần thiết để dừng xe, hệ thống phanh đã sử dụng 2 cơ cấu trợ lực là: đòn bẩy và thủy lực. Tiếp theo, lực phanh sẽ được truyền tới bánh xe dưới dạng lực ma sát. Đồng thời, bánh xe cũng sẽ truyền lực đó xuống tới mặt đường dưới dạng ma sát giúp xe dừng lại.

Sơ đồ các thành phần chính của hệ thống phanh trên xe hơi​

Trước khi bắt đầu khảo sát sâu hơn các chi tiết trong hệ thống phanh, chúng ta sẽ tóm tắt lại 3 nguyên tắc cơ bản của 1 hệ thống phanh trên xe hơi:

• Đòn bẩy
• Thủy lực (phanh dầu), chân không, khí nén hoặc kết hợp
• Ma sát

Về cơ bản, cơ cấu thủy lực và khí nét có hoạt động tương tự nhau nên phần sau mình sẽ chọn mô tả loại thủy lực để các bạn dễ hình dung hơn. Đồng thời, đa số xe hơi hiện nay đều sử dụng hệ thống phanh thủy lực là chủ yếu. Một số loại xe còn sử dụng kết hợp cả khí nén.

Cơ cấu đòn bẩy và thủy lực

Đòn bẩy và thủy lực

Trong hình minh họa bên trên, một lực F đã được tác động lên đầu bên trái của đòn bẩy. Phần bên trái dài hơn gấp 2 lần so với bên phải, do đó, lực hướng lên bên phải cũng có độ lớn gấp đôi so với lực đẩy xuống bên trái. Nếu thay đổi điểm đặt lực bên trái thì bội số cũng theo đổi tương ứng. Đó chính là nguyên tắc cơ bản của đòn bẩy mà chúng ta đều biết. Và khi kết hợp ý tưởng đòn bẩy với cơ cấu thủy lực, chúng ta có được bản chất của việc khuếch đại lực phanh trên xe hơi.

Về cơ bản, hệ thống trợ lực phanh trên xe hơi có cách hoạt động khá đơn giản: Lực được truyền từ bàn chân người lái đến điểm khác thông qua một chất lỏng không thể bị nén, thường là dầu nhớt. Bên dưới là hình minh họa cho một hệ thống thủy lực đơn giản.

2 piston (màu đỏ) được lắp vừa vặn bên trong xy lanh chứa đầy dầu

Các bạn có thể thấy, 2 piston (màu đỏ) được lắp vừa vặn bên trong xy lanh chứa đầy dầu. 2 xy lanh được kết nối với nhau bằng 1 ống dẫn cũng chứa đầy dầu. Nếu bạn đẩy 1 piston xuống, lực sẽ được truyền qua dầu và dẫn tới xy lanh bên kia làm nó di chuyển lên. Do tính chất của dầu bên trong ống dẫn là rất khí nén lại, nên gần như toàn bộ lực được truyền đi qua lại giữa 2 piston. Đồng thời, điểm thuận lợi của cơ cấu thủy lực là chúng ta có thể chế tạo đường ống dẫn theo bất cứ hình dạng và kích thước nào cho phù hợp với nhu cầu lắp đặt trên xe.

Chỉ cần thay đổi kích thước và dung tích của xy lanh, lực sẽ được truyền đi theo một tỷ lệ theo yêu cầu

Đồng thời, chúng ta cũng có thể chia đường ống dẫn ra, để có thể dùng 1 piston chủ truyền lực cho nhiều piston con. Và chúng ta đã bắt đầu thấy được, đạp chân tại 1 điểm nhưng lực phanh được phân phối ra tới 2 bánh xe như thế nào. Do đó, chỉ cần các kỹ sư thay đổi kích thước và dung tích của xy lanh, lực sẽ được truyền đi theo một tỷ lệ theo yêu cầu.

Hình mô tả kích thước 2 piston

Với hình mô tả bên trên, giả sử piston bên trái có đường kính 5,08cm và bên phải là 15,24cm. Với phép tính đơn giản, chúng ta sẽ có tiết diện của 2 piston bên trái, bên phải lần lượt là 20,26 cm vuông và 182.41cm vuông. Xy lanh bên phải có tiết diện lớn gấp 9 lần so với bên trái. Điều đó có nghĩa là bất cứ lực nào tác động vào piston bên trái sẽ được nhân lên gấp 9 lần tại xy lanh bên phải. Thí dụ, nếu bạn tác động lực đẩy xuống 100N vào piston trái, thì piston bên phải sẽ di chuyển lên trên với lực có độ lớn là 900N (bỏ qua ma ma sát và các lực cản khác). Đồng thời, bạn chỉ cần di chuyển piston trái xuống 22,86cm thì piston bên phải sẽ được nâng lên 2,54cm.

Nguyên lý của sự ma sát

Hình trên là cả 2 khối đều được ghép lại từ những viên gạch, nhưng khối bên phải nặng hơn bên trái 4 lần

Trên lý thuyết, ma sát là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất nhằm chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa 2 bề mặt. Trong một thí dụ đơn giản ở hình trên, cả 2 khối đều được ghép lại từ những viên gạch, nhưng khối bên phải nặng hơn bên trái 4 lần. Dĩ nhiên, bạn sẽ cần nhiều lực hơn để đẩy khối bên phải di chuyển. Tại sao vậy?

Mỗi loại vật liệu sẽ có một cấu trúc hiển vi khác nhau

Mặt dù bề mặt của những viên gạch rất trơn tru khi quan sát bằng mắt thường, nhưng khi phóng đại dưới kính hiển vi, các bạn sẽ thấy bề mặt những viên gạch không phẳng như bạn tưởng. Đồng thời, viên gạch cũng có trọng lượng và luôn được Trái Đất kéo xuống theo phương thẳng đứng. Do đó, viên gạch càng nặng, trọng lượng càng lớn cộng với bề mặt nhám sẽ giúp nó có thể bám chắc trên bề mặt.

Mỗi loại vật liệu sẽ có một cấu trúc hiển vi khác nhau. Điển hình như thép sẽ trượt trên thép dễ dàng hơn so với việc trượt cao su lên cao su. Do đó, ở đây chúng ta sẽ có khái niệm hệ số ma sát trượt, diễn tả tỷ lệ giữa độ lớn lực ma sát trượt của vật liệu và trọng lực tác động lên vật thể. Giả sử nếu hệ số ma sát trượt là 1, bạn cần dùng 1 lực 100N để đẩy 1 vật có trọng lượng 100N. Nhưng nếu hệ số ma sát trượt là 0,1, thì bạn chỉ cần dùng 1 lực 10N để đẩy vật 100N.

Đến đây, chúng ta đã nắm được những nguyên tắc vật lý cơ bản trong hoạt động của hệ thống phanh. Tiếp theo, chúng ta sẽ dễ dàng khảo sát nguyên lý hoạt động của 1 hệ thống phanh cụ thể.

Hệ thống phanh cơ bản

Hình mô tả hệ thống phanh

Trong hình minh họa, các bạn có thể thấy khoảng cách từ cần phanh tới điểm tựa (x) dài gấp 4 lần so với khoảng cách từ điểm tựa đến xy lanh (4x). Do đó, lực đạp cần phanh sẽ được nhân lên gấp 4 lần khi được truyền tới xy lanh. Đồng thời, bạn cũng nhận thấy rằng đường kính của xy lanh cuối (3y) lớn hơn xy lanh đầu (y) gấp 3 lần đồng nghĩa với tiết diện cũng lớn gấp 9 lần. Kết hợp toàn bộ hệ thống trên, lực đạp phanh của người lái sẽ được nhân lên gấp 36 lần. Nếu bạn đạp một lực 10N lên cần phanh, một lực với độ lớn 360N sẽ ép lên má phanh.

Hệ thống phanh với xy lanh chủ và các tổ hợp van

Khi nghiên cứu tới đây, mình cũng có thắc mắc rằng nếu dầu bị rò rỉ ra ngoài thì sao? Nếu dầu bị rò rỉ, tất nhiên là sẽ đến lúc không còn đủ chất lỏng trong xy lanh và ống dầu dẫn đến hệ thống phanh sẽ không hoạt động. Để khắc phục điều này, các kỹ sư đã chế tạo một hệ thống phanh với xy lanh chủ và các tổ hợp van. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu nhé.

Xy lanh dầu chủ được chia thành 2 buồng thông với nhau và sẽ cung cấp áp suất cho cả 2 hệ thống ống dẫn dầu

Như các bạn có thể thấy trong hình, xy lanh dầu chủ được chia thành 2 buồng thông với nhau và sẽ cung cấp áp suất cho cả 2 hệ thống ống dẫn dầu. Khi bạn đạp cần phanh đồng nghĩa với việc đẩy piston thứ nhất chuyển động lên phía trước và áp suất dầu bên trong sẽ tăng lên. Khi đó, áp lực giữa piston thứ nhất và piston thứ 2 sẽ đẩy piston thứ 2 tiến về phía trước. Khi đó, dầu sẽ được đẩy đi một cách bình thường đến phanh. Trong trường hợp dầu bị rò rỉ tại 1 trong 2 ống, ống đó sẽ không thể duy trì áp suất như ban đầu tuy nhiên vẫn đảm bảo áp suất trong ống còn lại đủ để truyền tới cơ cấu phanh ở bánh xe. Khi đó, người điều khiển phải nhấn cần phanh mạnh hơn, tuy nhiên, xe vẫn có thể phanh một cách an toàn.

Đến đây, chúng ta đã có thể hiểu được những nguyên lý cơ bản trong quá trình vận hành của hệ thống phanh nói chung và phanh trên xe hơi nói riêng để trả lời cho các câu hỏi đặt ra ở phần mở đầu. Dĩ nhiên, hệ thống phanh trên xe hơi còn tồn tại rất nhiều vấn đề khác như phân loại và ưu nhược điểm của từng hệ thồng phanh trên xe hơi cũng như các công nghệ hỗ trợ phanh. Tuy nhiên, trong khuôn khổ bài viết mình xin kết thúc tại phần nguyên lý cơ bản, hẹn các bạn ở những bài viết khác cụ thể về từng hệ thống phanh. Xin cám ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Chúc vui vẻ và lái xe an toàn!

Tham khảo: SDT, Overdrive, Auto (1), (2), Bosch​