Những nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh xe hơi (Phần 1)

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.

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 hai 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 hai 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 ba nguyên tắc cơ bản của một 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 hai 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.

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

 Các bạn có thể thấy, hai piston (màu đỏ) được lắp vừa vặn bên trong xy lanh chứa đầy dầu. Hai xy lanh được kết nối với nhau bằng một ống dẫn cũng chứa đầy dầu. Nếu bạn đẩy một 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 hai 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 một piston chủ truyền lực cho nhiều piston con. Và chúng ta đã bắt đầu thấy được, đạp chân tại một điểm nhưng lực phanh được phân phối ra tới hai 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.

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 hai 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 chín 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 chín 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.