Khi bạn lái xe trên đường và đạp phanh, công nghệ phanh trên xe hơi sẽ giúp chiếc xe giảm tốc độ và dừng lại một cách an toàn. Nhưng bạn đã bao giờ tò mò về cách mà hệ thống phanh hoạt động chưa? Tại sao lực đạp của chân bạn có thể được khuếch đại đến mức đủ lớn để dừng một chiếc xe hơi to lớn? Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về những nguyên lý cơ bản của hệ thống phanh trên xe hơi.
Nguyên Lý Hoạt Động Của Bộ Ly Hợp
Hệ thống phanh là một trong những thành phần quan trọng nhằm đảm bảo an toàn khi lái xe. Không chỉ các loại xe hơi, mà bất kỳ phương tiện vận chuyển nào cũng cần phải có hệ thống phanh để giảm tốc độ và dừng lại theo ý muốn của người điều khiển. Trên hầu hết các dòng xe hơi, bạn sẽ gặp hai loại phanh cơ bản, đó là phanh chính (thường sử dụng thủy lực) và phanh tay. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung khám phá về hệ thống phanh chính, còn hệ thống phanh tay sẽ được nghiên cứu sâu hơn trong một bài viết khác.
Những Nguyên Lý Cơ Bản Trong Hệ Thống Phanh
Để hiểu rõ hơn về hệ thống phanh, chúng ta cần biết rằng nếu chỉ sử dụng lực của người lái, không thể dừng lại một chiếc xe hơi lớn và nặng. Do đó, hệ thống phanh trở nên vô cùng quan trọng. Khi bạn đạp phanh, lực từ chân bạn sẽ được truyền từ hệ thống thủy lực thông qua áp suất chất lỏng trong ống thủy lực. Để tăng cường lực phanh đến mức cần thiết để dừng xe, hệ thống phanh sử dụng hai cơ cấu trợ lực là đòn bẩy và thủy lực. Lực phanh sau đó được truyền đến bánh xe dưới dạng lực ma sát, giúp xe dừng lại.
Hình ảnh mô tả các thành phần chính của hệ thống phanh trên xe hơi
Trước khi đi vào chi tiết hơn về hệ thống phanh, chúng ta sẽ tóm tắt 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
Cơ cấu thủy lực và khí nén hoạt động tương tự nhau, nhưng trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào mô tả cơ cấu thủy lực để dễ hiểu hơn. Đồng thời, hầu hết các 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
Trong hình minh họa bên trên, có một lực F được tác động lên đầu bên trái của đòn bẩy. Phần bên trái dài hơn gấp đôi so với phần bên phải, do đó, lực đẩy lên bên phải cũng có độ lớn gấp đôi so với lực đẩy xuống bên trái. Nếu thay đổi vị trí lực đẩy bên trái, bội số cũng sẽ thay đổi tương ứng. Đây chính là nguyên lý cơ bản của cơ cấu đòn bẩy. Khi kết hợp ý tưởng đòn bẩy với cơ cấu thủy lực, chúng ta có thể khuếch đại lực phanh trên xe hơi.
Về cơ bản, hệ thống trợ lực phanh trên xe hơi hoạt động khá đơn giản: Lực được truyền từ chân người lái đến các điểm khác nhau thông qua một chất lỏng không thể bị nén, thường là dầu nhớt. Dưới đây là một hình minh họa cho một hệ thống thủy lực đơn giản.
2 piston (màu đỏ) được lắp vừa vặn bên trong xy lanh chứa dầu
Trong hình trên, hai piston (màu đỏ) được lắp vừa vặn bên trong xy lanh chứa dầu. Hai xy lanh được kết nối với nhau thông qua một ống dẫn cũng chứa dầu. Nếu bạn đẩy một piston xuống, lực sẽ được truyền qua dầu và đẩy piston khác lên. Vì tính chất của dầu trong ống dẫn là khó nén lại, nên hầu hết lực được truyền qua lại giữa hai piston. Đồng thời, lợi điểm của cơ cấu thủy lực là chúng ta có thể tạo ra ống dẫn có bất kỳ hình dạng và kích thước nào 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 theo tỷ lệ yêu cầu.
Với ví dụ hình ảnh bên trên, giả sử piston bên trái có đường kính 5,08 cm và piston bên phải có đường kính 15,24 cm. Bằng cách tính toán đơn giản, ta có diện tích của piston bên trái và piston bên phải lần lượt là 20,26 cm² và 182,41 cm². Diện tích piston bên phải lớn gấp 9 lần so với piston bên trái. Điều đó có nghĩa là bất kỳ lực nào được áp dụng lên piston bên trái sẽ được khuếch đại lên gấp 9 lần tại piston bên phải. Ví dụ, nếu bạn áp dụng một lực đẩy 100N lên piston bên trái, piston bên phải sẽ di chuyển lên với một lực 900N (bỏ qua ma sát và các lực kháng cự khác). Đồng thời, bạn chỉ cần di chuyển piston bên trái xuống 22,86 cm để piston bên phải được đẩy lên 2,54 cm.
Nguyên Lý Của Sự Ma Sát
Trên lý thuyết, ma sát là một lực kháng xuất hiện giữa hai bề mặt vật chất nhằm ngăn chặn sự di chuyển tương đối giữa hai bề mặt đó. Trong ví dụ đơn giản sau, cả hai khối được ghép lại từ những viên gạch, nhưng khối bên phải nặng hơn bên trái 4 lần. Bạn sẽ cần áp dụng lực nhiều hơn để đẩy khối bên phải di chuyển. Tại sao vậy?
Mỗi vật liệu sẽ có cấu trúc vi mô khác nhau.
Mặc dù bề mặt gạch trông rất mượt mà khi nhìn bằng mắt thường, nhưng khi phóng đại bằng kính hiển vi, bạn sẽ thấy bề mặt của gạch không phẳng như bạn nghĩ. Đồng thời, gạch cũng có trọng lượng và luôn bị trọng lực kéo xuống theo hướng dọc. Vì vậy, gạch càng nặng và có bề mặt gồ ghề, nó càng có khả năng bám chắc lên bề mặt khác.
Mỗi vật liệu sẽ có một cấu trúc vi mô khác nhau. Ví dụ, thép sẽ trượt trên thép dễ dàng hơn so với việc trượt cao su lên cao su. Đó là lý do tại sao chúng ta có khái niệm về hệ số ma sát trượt để thể hiện tỷ lệ giữa lực ma sát trượt của vật liệu và trọng lượng tác động lên vật thể. Ví dụ, nếu hệ số ma sát trượt là 1, bạn cần áp dụng một lực 100N để đẩy một vật có trọng lượng 100N. Nhưng nếu hệ số ma sát trượt là 0,1, bạn chỉ cần áp dụng một lực 10N để đẩy vật có trọng lượng 100N.
Đến đây, chúng ta đã hiểu rõ hơn về những nguyên lý vật lý cơ bản trong quá trình hoạt động của hệ thống phanh. Tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá nguyên lý hoạt động của một hệ thống phanh cụ thể.
Hệ Thống Phanh Cơ Bản
Trong hình mô tả, bạn có thể thấy khoảng cách từ cần phanh đến điểm tựa (x) dài gấp 4 lần khoảng cách từ điểm tựa đến xy lanh (4x). Do đó, lực đạp cần phanh sẽ được khuếch đại lên gấp 4 lần khi được truyền đến xy lanh. Đồng thời, bạn cũng thấy rằng đường kính của xy lanh cuối (3y) lớn hơn xy lanh đầu (y) gấp 3 lần, điều đó tương tự với diện tích lớn gấp 9 lần. Kết hợp toàn bộ hệ thống, lực đạp phanh của người lái sẽ được khuếch đại lên gấp 36 lần. Ví dụ, nếu bạn đạp phanh với một lực 10N lên cần phanh, thì lực 360N sẽ được áp dụng lên má phanh.
Hình mô tả hệ thống phanh
Khi nghiên cứu đến đây, một câu hỏi đặt ra là nếu dầu rò rỉ ra ngoài thì sao? Nếu dầu rò rỉ, sẽ không còn đủ chất lỏng trong xy lanh và ống dẫn, dẫn đến hệ thống phanh không hoạt động. Để khắc phục điều này, các kỹ sư đã phát triển một hệ thống phanh với xy lanh chủ và các tổ hợp van. Chúng ta sẽ tìm hiểu cách hoạt động của hệ thống này.
Xy lanh dầu chủ được chia thành 2 buồng thông với nhau và cung cấp áp suất cho cả 2 hệ thống ống dẫn dầu
Như bạn có thể thấy trong hình, xy lanh dầu chủ được chia thành 2 buồng liên thông và cung cấp áp suất cho cả 2 hệ thống ống dẫn dầu. Khi bạn đạp cần phanh, piston đầu tiên sẽ di chuyển lên và áp suất dầu trong buồng sẽ tăng lên. Khi đó, áp suất giữa piston đầu và piston thứ hai sẽ đẩy piston thứ hai đi về phía trước. Dầu sẽ được đẩy đến hệ thống phanh như thông thường. Trong trường hợp có rò rỉ dầu tại một trong hai ống, ống đó sẽ không duy trì áp suất ban đầu, nhưng áp suất trong ống còn lại vẫn đủ để truyền đến cơ cấu phanh trên bánh xe. Khi đó, người lái phải đạp cần phanh mạnh hơn, tuy nhiên, xe vẫn được phanh một cách an toàn.
Đến đây, chúng ta đã hiểu rõ hơn về những nguyên lý cơ bản trong quá trình hoạt động của hệ thống phanh nói chung và phanh trên xe hơi nói riêng để trả lời cho các câu hỏi có trong phần mở đầu. Tuy nhiên, hệ thống phanh trên xe hơi còn nhiều vấn đề khác như phân loại và ưu nhược điểm của từng hệ thống phanh, cũng như các công nghệ hỗ trợ phanh. Trên tinh thần này, bài viết kết thúc và hy vọng rằng bạn đã có thời gian thú vị để tìm hiểu về hệ thống phanh trên xe hơi. Chúc bạn có những chuyến đi an toàn và vui vẻ!
Tham khảo: SDT, Overdrive, Auto (1), (2), Bosch
