Giới thiệu về các công nghệ phanh hiện đại

15 năm qua, làng xe thế giới đã chứng kiến sự ra đời của những công nghệ cải tiến lớn ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu suất của hệ thống phanh xe hơi hiện đại, trong đó phải kể đến phanh carbon-gốm, phanh khí động và túi phanh.

Phanh carbon-carbon ứng dụng trên dòng môtô thể thao.

Phanh carbon-gốm

Trước khi được ứng dụng cho dòng xe tính năng cao hiện nay, phanh gốm carbon phải trải qua một chặng đường phát triển rất dài. Vật liệu chính làm nên thiết bị này là carbon gia cố bằng sợi carbon (carbon - carbon). Thực chất, đây là một khuôn grafit gia cố bằng sợi carbon ban đầu vốn được dùng cho tên lửa đạn đạo xuyên lục địa trong suốt thế chiến thứ hai. Nhiều thập kỷ sau, cụ thể là vào năm 1976, loại vật liệu này được đội đua Brabham ứng dụng cho hệ thống phanh của dòng xe Công thức 1.

Đến nay, nhờ tính năng tản nhiệt và lợi thế giảm tỷ số trọng lượng, phanh đĩa carbon kết hợp yên phanh là giải pháp lý tưởng cho dòng xe F1 nói riêng cũng như các giải đua hàng đầu trên toàn thế giới nói chung. Thử tưởng tượng xem, trong một vòng đua hạng trung, một chiếc F1 phải giảm tốc từ hơn 200 km/h (hoặc thậm chí 300 km/h) xuống chỉ còn 70 km/h mà chỉ có thời gian vỏn vẹn vài giây. Quá trình này tăng nhiệt độ của đĩa và má phanh lên hơn 1.000°C với số lần lặp lại khoảng 800 cho mỗi vòng đua. Vì vậy, phanh carbon-carbon quả thật là giải pháp lý tưởng nhất.

Về giá thành, phanh carbon cực đắt, thậm chí khi đem so với tiêu chuẩn F1. Lý do là vì cả đĩa và má phanh đều được sản xuất từ carbon chuỗi dài. Các khâu có thể kéo dài quá trình sản xuất một chiếc đĩa phanh lên đến hơn 4 tháng. Ngoài chi phí, phanh carbon còn có một nhược điểm lớn khác, đó là tạo ra phản hồi bàn đạp phi tuyến tính do đòi hỏi một khoảng thời gian nhất định (khá nhỏ nhưng hiện hữu) trước khi đạt nhiệt độ cực đại. Các tay đua F1 buộc phải đối mặt với vấn đề này nhưng trong tình huống giao thông đời thường thì lại gây nguy hiểm. Mặc dù vậy, một số nhà sản xuất vẫn cố gắng ứng dụng loại phanh này cho phiên bản xe thể thao thương mại (ví dụ như Venturi). Hiển nhiên, họ không gặt hái được thành công.

Trong khi đó, một loại vật liệu dẫn xuất mang tên cacbua silicon gia cố bằng sợi carbon (C/SiC) lại được các kỹ sư đường sắt người Anh sử dụng vào cuối những năm 1980 để phát triển phanh carbon-gốm cho tàu cao tốc French TGV. Vật liệu tổng hợp mới có độ bền cao hơn so với loại thuần carbon-carbon. Sau đó đến lượt ngành công nghiệp hàng không ứng dụng giải pháp này, giúp phanh carbon-gốm trở thành một thiết bị quen thuộc trên những dòng máy bay thương mại trong thập niên 1980. Cylinderella là phân khúc xe hơi có công khai sinh ra mẫu xế hộp thương mại đầu tiên trang bị phanh carbon-gốm mang tên 2000 (năm sản xuất) Mercedes CL 55 AMG F1 phiên bản hữu hạn sau hơn một thập kỷ “thai nghén”. Một năm trước đó, cái tên C-Brake do “bố già” Mercedes đặt cho công nghệ mới đã từng xuất hiện khi hãng này giới thiệu bản scan cũng như ra mắt mẫu concept 1999 Mercedes Benz Vision SLR.

Công nghệ phanh C-Brake của hãng Mercedes-Benz.

“Đứa con” thần đồng mang đến rất nhiều lợi ích cho người sử dụng nhờ tính năng của loại vật liệu tổng hợp mới. Đầu tiên là việc chấm dứt tình trạng mất phanh với hệ thống đĩa và má phanh chịu được nhiệt độ lên đến 1.400°C. Sự giãn nở nhiệt thấp làm giảm hiện tượng rung khi phanh nóng. Loại đĩa/má phanh bằng sắt đúc thông thường cũng phải chào thua trong điều kiện thời tiết giá lạnh vì carbon-gốm rất ít ồn và rung ở nhiệt độ thấp. Bên cạnh đó là lợi thế về trọng lượng. Phanh đĩa carbon nhẹ hơn 60% so với loại sắt đúc thông thường, từ đó giảm tổng trọng lượng của xe. Thêm vào đó, khi ma sát, phanh carbon-gốm không tạo ra bụi như loại bằng sắt, nhờ vậy người sử dụng ít phải lau chùi vành đĩa thường xuyên. Lợi ích cuối cùng nằm ở độ bền. Phanh carbon-gốm có thể “sống sót” trong quãng đường khoảng 300.000 km, tức là gấp 3 hoặc 4 lần loại sắt đúc.

Khi ý tưởng dần trở nên phổ biến, các nhà sản xuất hàng đầu thế giới bắt đầu sử dụng phanh carbon-gốm cho dòng sản phẩm hạng sang của mình. Loại phanh này có mặt trên rất nhiều sản phẩm nổi tiếng như 2004 Porsche Carrera GT, 2005 Bugatti Veyron… như một thiết bị tiêu chuẩn. Trong vài năm gần đây, phanh carbon-gốm luôn có tên trong danh sách những lựa chọn truyền thống cho dòng xe thể thao high-end cũng như xế hộp hạng sang. Thêm vào đó, hãng Ferrari đã quyết định trang bị phanh carbon-gốm cho toàn bộ sản phẩm từ năm 2008, từ đó nảy sinh tranh cãi giữa các khách hàng cũng như phô bày bộ mặt thực của loại phanh này trước mắt giới hâm mộ. Lý do khá đơn giản: tương tự mọi công nghệ dẫn đầu khác, phanh carbon-gốm cũng có rất nhiều nhược điểm. Thứ hai, không phải lúc nào nó cũng có tác dụng rút ngắn khoảng cách phanh mà chỉ cho khả năng loại trừ cao. Thứ ba, đĩa carbon-gốm dễ vỡ hơn loại bằng sắt, do đó khả năng chống chịu chấn động thấp. Nhược điểm lớn nhất chính là chi phí vận hành của thế hệ phanh carbon-gốm hiện tại: đối với trường hợp của Ferrari, tuy chỉ đóng vai trò thiết bị tùy chọn nhưng nó cũng ngốn đến 18.000 USD. Loại phanh tương tự cài đặt trên Porsche có giá 8.000 USD. Chi phí bảo dưỡng cũng không kém phần đắt đỏ. Ví dụ, giá của bộ phanh mới (4 đĩa và má phanh) có thể gấp đôi con số ban đầu mua từ nhà sản xuất.

Phanh carbon-gốm trên Porsche Carrera GT.

Có thể nói, công nghệ càng lan rộng thì phương thức sản xuất càng tốn kém. Một số công ty đã khẳng định họ đang nỗ lực phát triển loại phanh carbon-gốm rẻ hơn, phù hợp cho nhiều loại xe hơn. Vào thời điểm hiện tại, dường như một thiết bị đắt tiền như vậy chỉ dành riêng cho những lái xe đam mê tốc độ cao.

Phanh khí động

Một công nghệ giảm tốc khác hiện đang có mặt trong ngành công nghiệp xe hơi là phanh khí động. Tương tự phanh carbon, phanh khí động bắt nguồn từ một ứng dụng quân sự. Cụ thể hơn, đây là phanh dùng cho máy bay ném bom bổ nhào phát triển trong suốt thế chiến thứ nhất. Loại thiết kế này cần phanh bổ nhào có tác dụng giảm tốc độ để tăng độ chính xác. Tuy không còn xuất hiện trong thế chiến thứ hai nhưng phanh khí động vẫn tiếp tục được trang bị cho nhiều loại máy bay hiện đại ngày nay và đến tai các nhà sản xuất xe hơi.

Năm 1955, Alfred Neubauer nguyên giám đốc hãng Mercedes đã ứng dụng loại phanh này cho mẫu xe đua 300 SLR. Phần mui đặt phía sau hành khách được nâng lên và hạ xuống bằng lực cơ học theo chuyển động của bàn đạp phanh. Trong giải đua Le Mans năm đó, giải pháp phanh khí động bắt đầu được triển khai. Có lẽ không cần nói mọi người cũng biết vụ tai nạn kinh hoàng trong đó một chiếc SLR lao vào đám đông khán giả cướp đi sinh mạng của 84 người cộng thêm cả tay đua. Nếu tính về tổng số người thiệt mạng thì đây quả là vụ tai nạn thảm khốc nhất lịch sử làng đua xe. Đó chính là lý do tại sao hãng Mercedes ngừng tham gia các giải đua đến tận thập niên 1980 sau khi vô địch năm đó. Tuy nhiên, may mà công nghệ phanh khí động không phải chịu bất kỳ trách nhiệm nào trong vụ tai nạn khủng khiếp kể trên.

Mẫu xe đua 1955 Mercedes 300 SLR.

Mãi đến năm 1993, phanh khí động bắt đầu được ứng dụng cho dòng xe thương mại. Nhờ sở hữu hệ thống phanh khí động bên cạnh hàng loạt thiết bị “trên trời rơi xuống”, dòng xế Isdera Commendatore 112i đồ sộ mới có cơ hội tỏa sáng trong thời đại siêu xe. Năm 2003, “bóng ma” Mercedes SLR Race của thập niên 1950 trở lại dưới cái tên Mercedes-Benz SLR Mclaren Hypercar phiên bản thương mại. Điểm đặc biệt của nó nằm ở hệ thống phanh khí động. Tương tự Isdera, mẫu xe này cũng sở hữu tấm lệch dòng sau tùy chỉnh tự động. Từ vị trí 10º, tấm lệch dòng có thể chuyển sang nghiêng 30º hoặc thậm chí 65º theo yêu cầu của người lái nhằm giảm lực kéo khi phanh gấp.

Ngoài hai cái tên kể trên, chỉ còn một mẫu xe thương mại khác cũng ứng dụng phanh khí động, đó là Bugatti Veyron ra mắt năm 2005. Trong 0,4 giây đầu tiên sau khi đạt vận tốc 200 km/h, hệ thống phanh khí động của Veyron sẽ tự động kích hoạt. Lúc này, tấm lệch dòng sẽ nâng lên và nghiêng 55º so với đường thẳng nằm ngang tưởng tượng, hỗ trợ cho hệ thống phanh carbon-gốm.

Hệ thống phanh khí động của Bugatti Veyron.

Ưu điểm của phanh khí động không chỉ là giảm tốc bằng cách tạo ra lực kéo mà còn tăng lực ép cho trục sau, từ đó cải thiện độ bám phanh của bánh sau đồng thời cân bằng xe trong suốt quá trình phanh.

Tuy nhiên, nguyên tắc chức năng của nó lại hạn chế ứng dụng lái trên đường bộ. Nói cách khác, phanh khí động chỉ hữu dụng khi xe chạy ở tốc độ cao vốn rất khó duy trì đối với người sử dụng. Dù vậy, phanh khí động vẫn hoạt động hiệu quả hơn hẳn loại carbon-gốm.

Như các bạn đã thấy, cả hai loại phanh kể trên đều là những đột phá về công nghệ xe hơi nhưng không thiết thực cho mục đích sử dụng hàng ngày. Để giải quyết vấn đề đó, một công nghệ giảm tốc mang tên túi phanh đã ra đời. Thực chất, đây là một loại túi khí bên ngoài dùng để phanh do chính hãng Mercedes-Benz thiết kế.

Túi phanh

Túi phanh là một loại túi khí đặt bên dưới trục trước và được bảo vệ bằng một tấm chắn. Nó được kích hoạt khi cụm cảm ứng xe báo hiệu va chạm tiềm ẩn. Hãng Mercedes sử dụng một hệ thống tiền va chạm tích hợp hàng loạt cảm ứng và bộ xử lý có nhiệm vụ quyết định thời điểm xảy ra tai nạn. Khi nở, túi phanh tạo ra ma sát với mặt đường, từ đó giảm tốc cho xe trước khi va chạm. Theo hãng Mercedes, khi túi phanh hoạt động, độ giảm tốc của toàn bộ chiếc xe sẽ vượt quá 2g. Đồng thời, chiếc xe được nâng lên 8 cm bù cho tác động bổ nhào do hệ thống phanh thông thường gây ra.

Mẫu xe an toàn thử nghiệm 2009 Mercedes S-class ứng dụng công nghệ túi phanh mới.

Hiện nay, Mercedes vẫn đang tiếp tục thử nghiệm công nghệ này. Giải pháp túi phanh đã từng xuất hiện như một phần trong mẫu xe an toàn thử nghiệm 2009 Mercedes S-class. Tuy nhiên, hãng xe đến từ Đức mới chỉ chứng minh được tác dụng của công nghệ khi va chạm trực diện còn chi tiết về việc túi phanh ảnh hưởng thế nào đến khả năng đổi hướng xe vẫn còn là bí ẩn. Cũng theo lời hãng Mercedes, ý tưởng thiết kế một thiết bị phanh tiếp xúc mặt đường đã xuất hiện từ rất lâu khi họ chứng kiến những người đánh xe sử dụng chêm bánh để giảm tốc.

Trước đó một thời gian dài, túi phanh đã được ứng dụng trong ngành công nghiệp đường sắt hạng nhẹ, có mặt trên những chiếc xe toa kéo San Francisco nổi tiếng hay dùng để phanh khẩn cấp tại phần lớn các đường tàu.

An Huy

Theo Bưu điện Việt Nam