Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống phanh ô tô

Tầm quan trọng của phanh trong những chiếc xe hơi hiện đại là không thể bàn cãi. Hệ thống phanh là một trong những hệ thống quan trọng nhất của xe hơi ngày nay. Nhưng phanh không phải lúc nào cũng quan trọng như vậy. Vào thời kỳ đầu của ngành công nghiệp ô tô, các nhà phát minh tập trung vào việc tìm ra cách để xe chạy hơn là cách dừng lại. Lực cản bên trong của máy móc kết hợp với các phương tiện đơn giản khác là hệ thống phanh của ngày đó. Những chiếc ô tô đầu tiên được dừng lại bằng cách sử dụng đòn bẩy ép một miếng gỗ vào vành bánh xe hoặc bằng các phương tiện phanh khác được sử dụng trong xe ngựa. Trên thực tế, ô tô giống với xe ngựa và do đó có nhiều đặc điểm thiết kế giống với xe ngựa.

Tuy nhiên, không lâu sau đó, người ta nhận thấy rằng những phanh tạm thời như vậy không hiệu quả lắm. Các má phanh bằng gỗ sẽ nhanh chóng bị mòn khi tiếp xúc với bánh xe và không cung cấp đủ lực phanh trên những con đường dốc. Và mọi người muốn đi ngày càng nhanh hơn. Nhiều giải pháp khác nhau đã được thử nghiệm với mục đích chuyển đổi động năng thành năng lượng nhiệt bằng phương pháp hiệu quả hơn. Ngày càng có nhiều lớp lót hiệu quả hơn được sử dụng, ví dụ như làm bằng đồng, làm tăng lực ma sát. Tuy nhiên, chúng có một nhược điểm đáng kể - chúng rất ồn khi tiếp xúc với bánh xe bằng kim loại. Để khắc phục điều này, chúng sẽ được phủ bằng vật liệu ma sát mềm, ví dụ như amiăng, bông hoặc cao su. Các giải pháp này là đủ vì ô tô không thể đi nhanh.

Lốp xe – một thách thức mới cho phanh xe hơi

Sự phát triển của phanh chịu ảnh hưởng lớn từ lốp khí nén. Chúng mang lại sự thoải mái hơn trên địa hình không bằng phẳng và cho phép lái xe ở tốc độ cao hơn nhưng không hoạt động tốt với phanh thô sơ thời đó. Một miếng đệm ép trực tiếp vào lốp xe có thể hoạt động trên xe đạp nhưng không hoạt động trên ô tô nặng hơn nhiều. Vì vậy, một loại phanh mới đã được phát triển, loại phanh được giấu bên trong bánh xe. Trái ngược với những gì người ta có thể mong đợi, phanh tang trống và phanh đĩa được hình thành vào cùng thời điểm.

Phanh đĩa đầu tiên được phát minh vào năm 1902 bởi Frederic Wilhelm Lanchester, một kỹ sư người Anh, trong khi phanh tang trống được cấp bằng sáng chế bởi Louis Renault cùng năm đó. Các kỹ sư khác, bao gồm Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach, cũng đã thử nghiệm phanh tang trống, nhưng thiết kế của Renault đã chiếm ưu thế. Thay vì một trống gang quấn trong dây thừng, ông đã áp dụng một giải pháp hiệu quả hơn nhiều, tức là má phanh đẩy vào trống. Kiểu phanh này đã tồn tại cho đến ngày nay. Tất nhiên là không phải không có sự cải tiến.

Xem thêm: Lịch sử ra đời của lốp xe ô tô

Thủy lực trong hệ thống phanh

Phanh xe đầu tiên hoàn toàn là cơ khí và chỉ được cung cấp năng lượng bằng sức mạnh cơ bắp của người lái. Ban đầu, chỉ có bánh sau được trang bị phanh. Một chiếc xe có phanh ở cả bốn bánh xe không được hình thành cho đến năm 1909, chủ yếu là do kiến ​​thức kỹ thuật không đủ, điều này đã cản trở việc phát minh ra phanh đảm bảo sự ổn định của xe. Được điều khiển bằng các đường ống thép, các tang trống hoạt động với lực khác nhau và việc đồng bộ bốn cặp má phanh là một vấn đề nhỏ.

Một bước đột phá đã đến vào năm 1917, khi Malcolm Loughead, sau này được biết đến với cái tên Lockhead, đã cấp bằng sáng chế cho phanh thủy lực. Loại phanh này lần đầu tiên được Hugo Meyer của Đức phát minh vào năm 1895, nhưng nó không được ưa chuộng. Phanh của Lockead là phanh thủy lực sản xuất hàng loạt đầu tiên. Ứng dụng của chất lỏng thủy lực đã thay đổi rất nhiều. Đầu tiên, lực phanh đã tăng lên. Thứ hai, vấn đề nứt và lỏng cáp đã được loại bỏ, do đó phanh trở nên thuận tiện hơn khi sử dụng. Phanh thủy lực đầu tiên nổi tiếng là dễ rò rỉ, nhưng chúng đáng tin cậy hơn nhiều so với phanh cơ học.

Vài năm sau, vào năm 1928, một tính năng bổ sung đã được thêm vào – trợ lực phanh. Một bộ trợ lực phanh sử dụng áp suất âm được tạo ra trong hệ thống nạp để tăng lực phanh. Sau khi nhấn bàn đạp phanh, xi-lanh chính được kích hoạt và một van giải phóng áp suất âm khỏi ống nạp. Chênh lệch áp suất giữa hai phần của màng tạo ra một lực hỗ trợ thêm cho piston xi-lanh chính. Lực này tỷ lệ thuận với khoảng cách nhấn bàn đạp phanh. Theo cách này, người lái có thể dễ dàng kiểm soát lực phanh. Khi phanh ngày càng hiệu quả hơn, ô tô có thể chạy ngày càng nhanh hơn.

Phanh xe đầu tiên hoàn toàn là cơ khí và chỉ được cung cấp năng lượng bằng sức mạnh cơ bắp của người lái. Ban đầu, chỉ có bánh sau được trang bị phanh. Một chiếc xe có phanh ở cả bốn bánh xe không được hình thành cho đến năm 1909, chủ yếu là do kiến ​​thức kỹ thuật không đủ, điều này đã cản trở việc phát minh ra phanh đảm bảo sự ổn định của xe. Được điều khiển bằng các đường ống thép, các tang trống hoạt động với lực khác nhau và việc đồng bộ bốn cặp má phanh là một vấn đề nhỏ.

Một bước đột phá đã đến vào năm 1917, khi Malcolm Loughead, sau này được biết đến với cái tên Lockhead, đã cấp bằng sáng chế cho phanh thủy lực. Loại phanh này lần đầu tiên được Hugo Meyer của Đức phát minh vào năm 1895, nhưng nó không được ưa chuộng. Phanh của Lockead là phanh thủy lực sản xuất hàng loạt đầu tiên. Ứng dụng của chất lỏng thủy lực đã thay đổi rất nhiều. Đầu tiên, lực phanh đã tăng lên. Thứ hai, vấn đề nứt và lỏng cáp đã được loại bỏ, do đó phanh trở nên thuận tiện hơn khi sử dụng. Phanh thủy lực đầu tiên nổi tiếng là dễ rò rỉ, nhưng chúng đáng tin cậy hơn nhiều so với phanh cơ học.

Vài năm sau, vào năm 1928, một tính năng bổ sung đã được thêm vào – trợ lực phanh. Một bộ trợ lực phanh sử dụng áp suất âm được tạo ra trong hệ thống nạp để tăng lực phanh. Sau khi nhấn bàn đạp phanh, xi-lanh chính được kích hoạt và một van giải phóng áp suất âm khỏi ống nạp. Chênh lệch áp suất giữa hai phần của màng tạo ra một lực hỗ trợ thêm cho piston xi-lanh chính. Lực này tỷ lệ thuận với khoảng cách nhấn bàn đạp phanh. Theo cách này, người lái có thể dễ dàng kiểm soát lực phanh. Khi phanh ngày càng hiệu quả hơn, ô tô có thể chạy ngày càng nhanh hơn.

Sự suy giảm dần dần của phanh tang trống

Phanh tang trống đã thống trị ngành công nghiệp ô tô trong nhiều năm. Bạn vẫn có thể bắt gặp chúng trên trục sau của một số xe nhỏ và không quá mạnh, ví dụ như xe thành phố. Chúng thành công là nhờ sự tình cờ. Mặc dù chắc chắn, nhưng tang trống có khả năng chống chịu với nhiều điều kiện đường sá khác nhau và không kém hiệu quả như nhiều người nghĩ. Tuy nhiên, chúng có vấn đề với nhiệt độ cao.

Trống phanh đóng chặt khiến việc tản nhiệt trở nên khó khăn. Việc giãn nở của má phanh đòi hỏi nhiều lực và sử dụng một trống phanh lớn và nặng. Phanh tang trống cũng bị lỗi. Mặc dù chúng có thiết kế đơn giản và có vỏ kín, nhưng má phanh thường bị kẹt, dẫn đến phanh quá nhiệt. Điều này sẽ dẫn đến mất lực phanh đột ngột và dẫn đến các tình huống nguy hiểm. May mắn thay, phanh đĩa đã được phát minh.

Phanh đĩa hoạt động như thế nào

Giống như nhiều phát minh mới khác, phanh đĩa hiện đại đầu tiên đã xuất hiện lần đầu trong thể thao. Năm 1993, một chiếc Jaguar XK được trang bị bốn phanh đĩa Dunlop đã giành chiến thắng trong cuộc đua Le Mans kéo dài 24 giờ. Cuộc cách mạng của hệ thống phanh đã bắt đầu.

Không giống như lớp lót phanh bằng đồng của năm 1902, các má phanh hiện đại không kêu cót két hoặc mòn nhanh như vậy. Chẳng bao lâu sau, các lớp lót ma sát tiên tiến hơn sẽ được áp dụng, chẳng hạn như gốm sứ, hỗn hợp bán kim loại hoặc Kevlar. Amiăng, chất được phát hiện gây ung thư, sẽ sớm bị loại bỏ. Tất cả các má phanh đều sử dụng cùng một lợi thế cơ bản của phanh đĩa – hiệu suất cao hơn ngay cả khi lái xe năng động.

Chìa khóa là tản nhiệt từ phanh đĩa. Chúng được làm mát bằng gió, truyền nhiệt đến vành và có thể có thêm các lỗ thông gió đặc biệt. Chúng lý tưởng để lái xe trên núi, lái xe năng động và phanh khẩn cấp. Các piston tạo áp lực lên lớp lót ma sát và do đó, lên đĩa phanh. Chúng cũng tương thích hơn với các hệ thống hỗ trợ người lái như ABS hoặc ESP. Bóp phanh hóa ra là phương pháp phanh tốt hơn so với đẩy. Kẹp phanh chiếm ưu thế hơn giày phanh.

Tương lai của phanh ô tô

Các trung tâm nghiên cứu và phát triển tiếp tục nỗ lực thiết kế phanh hiệu quả hơn nữa. Hệ thống phanh tiếp tục thay đổi về mặt vật liệu và thiết kế. Ngày càng có nhiều nhà sản xuất áp dụng cái gọi là đốt cháy, tức là làm nóng bề mặt má phanh trong thời gian ngắn ở nhiệt độ 600-800 °C để tăng khả năng chống phai màu, tức là giảm hiệu quả lót do nhiệt độ. Các nhà sản xuất cũng chú ý nhiều hơn đến việc giảm rung động và tiếng kêu cót két. Má phanh chất lượng tốt có lớp xen kẽ giúp giảm tiếng ồn và rung động.

Có vẻ như hệ thống phanh sẽ sớm có ít việc phải làm hơn nhiều so với hiện nay. Sự phát triển của xe hybrid và xe điện khiến hệ thống thu hồi năng lượng trở thành một giải pháp thay thế ngày càng nghiêm túc cho phanh. Các hệ thống thu hồi được biết đến cho đến gần đây từ những chiếc xe Công thức 1 đang ngày càng phổ biến. Năng lượng được tạo ra trong quá trình phanh không còn được chuyển thành nhiệt và mất đi một cách không thể phục hồi, mà thay vào đó được chuyển thành năng lượng điện. Tất nhiên, thu hồi năng lượng sẽ không thay thế phanh đĩa thông thường cũng như không đủ trong quá trình phanh gấp. Tuy nhiên, nó có thể dễ dàng làm giảm sự hao mòn của đĩa phanh và má phanh trong quá trình lái xe dễ dàng hàng ngày. Chúng ta sẽ sớm tìm ra liệu các chuyên gia có đúng trong dự đoán của họ hay không.