Đối với phanh khí nén, điều tài tình nhất là nếu toàn bộ khí bị rò rỉ hết ra ngoài thì cơ cấu phanh dừng sẽ được kích hoạt tự động và hãm cả đoàn tàu lại. Trong khi đó, nếu phanh thuỷ lực bị rò rỉ hết dầu phanh thì sẽ thực sự là một thảm họa.
George Westinghouse và lịch sử phát triển của phanh khí nén
Tàu hỏa, xe buýt và các xe đầu kéo đều lựa chọn phanh khí nén mà không sử dụng phanh thuỷ lực bởi vì dầu phanh có thể bị chảy hết khỏi hệ thống nếu có rò rỉ, còn khí nén thì không bị như vậy! Mặt khác, các phương tiện nêu trên thuộc nhóm vận tải hạng nặng (cả người và hàng hóa) nên yêu cầu về độ an toàn là tối quan trọng. Một đoàn tàu cao tốc sử dụng phanh thủy lực sẽ trở thành một đoàn tàu tử thần lao đi với tốc độ của một viên đạn nếu chẳng may dầu phanh bị rò rỉ.
Trước khi phanh khí nén ra đời, các đoàn tàu hỏa sử dụng một hệ thống phanh thô sơ cần có người điều khiển ở mỗi toa (người gác phanh) để kéo phanh tay khi có hiệu lệnh của lái tàu. Kiểu phanh thủ công thiểu hiệu quả này sau đó bị thay thế bằng hệ thống phanh khí nén trực tiếp, tức là sử dụng một máy nén cung cấp khí nén thông qua một ống dẫn vào bình chứa khí của mỗi toa. Khi lái tàu nhấn phanh, các đường ống được điền đầy khí nén để ép cứng các má phanh.
Vào năm 1869, một kỹ sư tên là George Westinghouse – người thực sự nhận ra tầm quan trọng của tính an toàn đối với ngành công nghiệp đường sắt non trẻ lúc bấy giờ – đã sáng chế ra hệ thống phanh khí nén sử dụng van ba ngả đầu tiên, dùng cho xe chở khách chạy trên đường ray. Phanh của Westinghouse có nguyên lý hoạt động ngược hẳn so với kiểu phanh khí nén trực tiếp. Van ba ngả, như tên gọi của nó, có ba cửa nối tới ba đường khí khác nhau: một cửa dành cho ống dẫn chính từ bình tích khí, một cửa dẫn tới các xi-lanh công tác của cơ cấu phanh và cửa còn lại thông với các bình chứa phụ. Và như vây, một hệ thống “van ba ngả” sẽ thực hiện các chức năng sau:
1. Nạp khí: Hệ thống cần được nạp đầy khí nén thì mới có thể nhả phanh. Nghĩa là, khi xe không hoạt động, nó luôn trong tình trạng được phanh. Chỉ khi áp suất trong hệ thống đạt tới mức thích hợp thì cơ cấu phanh dừng mới thôi tác dụng, xe sắn sàng hoạt động.
2. Tác dụng phanh: Khi người điều khiển đạp phanh thì áp suất trong hệ thống sẽ giảm xuống. Còn khi lượng khí trọng hệ thống giảm thì van ba ngả sẽ cho phép khí hồi về các bình chứa, đồng thời cơ cấu phanh thực hiện chức năng phanh.
3. Nhả phanh: Sau khi thực hiện tác dụng phanh thì một lượng khí nén sẽ bị xả ra ngoài, sau đó áp suất trong hệ thống được tăng để nhả phanh.
Thay vì dùng lực cơ học hay áp suất khí nén trực tiếp để tác dụng phanh giống như phanh thủy lực ngày nay, Westinghouse sử dụng một bình chứa luôn được cung cấp đầy khí nén ở áp suất công tác để nhả phanh. Nói cách khác, chế độ phanh trong hệ thống “van ba ngả” luôn được duy trì hoàn toàn cho đến khi có một lượng khí nén bị đẩy ra ngoài không khí. Điều tài tình nhất ở đây là giả sử toàn bộ khí nén bị rò rỉ hết ra ngoài thì mặc nhiên cơ cấu phanh dừng sẽ được kích hoạt một cách tự động và hãm cả đoàn tàu lại. Trong khi đó, nếu phanh thuỷ lực bị rò rỉ hết dầu phanh thì sẽ thực sự là một thảm họa.
Ý tưởng của Westinghouse chính là những nguyên lý cơ bản cho các hệ thống phanh khí nén hiện đại đang được sử dụng rộng rãi trên tàu hỏa, xe buýt và đầu kéo. Vậy phanh khí nén trên các phương tiện đường bộ hiện nay hoạt động như thế nào?
Hệ thống phanh trên xe tải và xe buýt
Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động của phanh khí nén trên các xe tải và xe buýt hiện nay cũng hoàn toàn giống như trên tàu hỏa với nguyên lý “van ba ngả”, khí nén chứa sẵn trong các đường ống, cách nhả phanh… Hầu như tất cả các phương tiện đường bộ sử dụng phanh khí nén hiện nay đều có chế độ nhả phân cấp – cho phép điều khiển mức độ nhả phanh từng phần tỷ lệ theo từng cấp độ gia tăng của áp suất.
Sau đây là cấu tạo của một hệ thống phanh kiểu khí nén điển hình trên xe tải và xe buýt:
– Máy nén khí (air compressor): nén và bơm khí tới các bình chứa để sẵn sàng sử dụng.
– Van điều áp của máy nén khí (air compressor governor): điều khiển thời điểm bơm khí của máy nén vào các bình chứa để đảm bảo thể tích khí đủ tiêu chuẩn.
– Các bình chứa (air reservoir tanks): chứa khí nén cho toàn hệ thống.
– Các van xả hơi nước (drain valves): nằm phía dưới thân các bình chứa, dùng để xả hơi nước lẫn trong khí nén.
– Tổng van phanh (foot valve): khi nhận tác động từ chân phanh sẽ điều khiển nhả khí nén từ các bình chứa.
– Bầu phanh (brake chambers): thường là một bình hình trụ có nhiệm vụ tạo lực đẩy lên đòn điều chỉnh khe hở má phanh thông qua một cần đẩy để quay cơ cấu cam phanh xe.
– Cần đẩy (push rod): một thanh nối bằng thép hoạt động tương tự như một pit-tông nối giữa bầu phanh với đòn điều chỉnh khe hở má phanh.
– Đòn điều chỉnh khe hở má phanh (slack adjusters): một tay đòn nối cần đẩy với cơ cấu cam kiểu chữ S để điều chỉnh khe hở giữa guốc phanh và tang phanh.
– Cam kiểu chữ S (brake s-cam): cơ cấu cam kiểu chữ S ép các guốc phanh vào sát tang phanh để phanh xe.
– Guốc phanh (brake shoes): các kim loại được phủ một lớp vỏ đặc biệt nhằm tạo ra ma sát với tang phanh.
– Lò xo hồi vị (return spring): một lò xo cứng được nối với các guốc phanh ở mõi bánh xe nhằm giữ các guốc ở vị trí không phanh khi không bị ép bởi cơ cấu cam.
Hỗ trợ phanh khẩn cấp (phanh dừng) cũng là một phần không thể thiếu của một hệ thống phanh khí nén tiêu chuẩn và có thể được kích hoạt bằng cách kéo một nút trên bàng điều khiển trung tâm, gần với đèn báo sự cố kiểm tra phanh. Trước khi vận hành một chiếc xe dùng phanh khí nén, lái xe phải ấn nút phanh khẩn cấp để nạp khí nén cho hệ thống. Ngay khi đường dẫn phanh khẩn cấp đạt đủ áp suất, phanh sẽ nhả. Nếu hệ thống có rò rỉ, áp suất sẽ giảm một cách vừa đủ để kích hoạt lại phanh khẩn cấp. Thêm vào đó, các xe tải hạng nặng thường được trang bị thêm phanh cổ xả động cơ nhằm bổ trợ cho quá trình phanh. Tuy nhiên, kiểu phanh phụ này nằm ở động cơ nên không được xem như một phần của hệ thống phanh khí nén.
Bảo dường phòng ngừa
Tất nhiên không nên chờ xe hỏng bạn mới quan tâm đến việc chăm sóc cho nó. Hơn thế nữa, phanh khí nén thường có mặt trên các phương tiện vận tải người và hàng hóa hạng nặng, cho nên chỉ một sai sót, lơ đễnh nhỏ có thể gây hậu quả khôn lường. Sau đây là một vài lời khuyên nhỏ dành cho bạn:
Duy trì áp suất tối thiểu của khí nén trong hệ thống là 85 psi đối với xe buýt và 100 psi đối với xe tải (1 psi = 6,894 kPa). Kiểm tra thời gian áp suất tăng từ 85 psi lên 100 psi trong không quá 2 phút, tại 600 – 900 vòng/phút. Duy trì áp suất mở van điều áp của máy nén khí trong khoảng 120 – 135 psi. Áp suất đóng van thấp hơn áp suất mở van khoảng 20 – 25 psi.
Bạn cũng nên chú ý nước có thể bị lẫn trong khí nén do trong không khí luôn có một lượng hơi nước nhất định. Hơi nước không được phép có mặt trong đường ống dẫn khí, đặc biệt đối với các phương tiện hoạt động trong khí hậu lạnh, nước có thể đóng băng trong đường ống làm xe bị phanh cứng. Có nhiều giải pháp hiệu quả khắc phục tình trạng này, trong đó có việc thường xuyên để ý tời các van xả hơi nước nằm ở dưới các bình chứa khí.
Các đầu nối ống dẫn khí đôi khi cũng gặp sự cố. Gioăng cao su bị mòn có thể làm rò khí. Tuy máy nén khí có thể khắc phục một lượng rò rỉ nhỏ nhưng như vậy sẽ giảm tuổi thọ của máy nén khi đi nhiều lần. Tất nhiên, như chúng ta đã biết, với phanh khí nén thì rò khí không phải là vấn đề gì quá tồi tệ nhưng cũng đủ để khiến bạn gặp rắc rối khi đang vận hành xe, nhất là khi bạn đang ở trong địa hình rừng núi chẳng hạn.
Phanh quá nhạy cũng có thể gây tai nạn, đặc biệt khi bạn mới làm quen với một chiếc xe tải hay xe buýt mới. Phanh khí nén được thiết kế cho các xe có tải trọng lớn. Bởi vậy nếu bạn nhìn thấy các vết phanh kép lớn trên đường thì đó phần lớn là “tác phẩm” của các xe tải hạng nặng bị phanh cứng cầu sau. Nếu bạn lái xe trong trời mưa hay trên đường trơn trượt thì phanh gấp hay “nhồi” phanh quá nhiều lần sẽ rất dễ bị trượt ngang, đặc biệt dễ xảy ra đối với các xe đầu kéo hay bị gập xe.
Thực tế là các xe hiện đại sử dụng phanh khí nén đều được thiết kế kiểu phanh “hai dòng”, tức là có hai dòng dẫn khí nén độc lập, chủ yếu là để có một dòng dẫn dự phòng trong trường hợp “dòng” kia bị hỏng. Ngoài ra, khái niệm “hai dòng” trên xe rơ-moóc hay sơ-mi rơ-moóc còn được hiểu theo nghĩa: từ tổng van phanh đi ra sẽ có hai dòng khí nén độc lập, một dòng để phanh đầu kéo, còn một dòng để phanh moóc kéo. Thiết kế như vậy, ngoài duy trì khả năng phanh độc lập còn giúp cho phanh ở đầu kéo luôn tác dụng sau phanh của moóc kéo một chút (khoảng thời gian rất nhỏ tính bằng giây), nâng cao đáng kể hiệu quả và an toàn phanh đối với các xe siêu trường, siêu trọng. Kết hợp với việc các phương tiện đó hầu như đều được trang bị mặc định ABS và các hệ thống bổ trợ tương tự, giúp cho việc điều khiển những chiếc xe đó đỡ căng thẳng hơn rất nhiều so với trước đây.
Như vậy, chúng ta có thể nói rằng, kiểu phanh khí nén nhìn chung là hiệu quả và đáng tin cậy. Tuy nhiên, chúng ta khó có thể hy vọng tính hiệu quả và độ tin cậy đó là như nhau trên mọi loại xe, của mọi nhà sản xuất, ở mọi quốc gia. Và còn có một thực tế khác là thiết kế phanh khí nén luôn cồng kềnh và đòi hỏi khá nhiều thao tác trong sử dụng nên không được đánh giá cao về tính tiện dụng. Cuối cùng, chúng ta phải thừa nhận với nhau rằng cho dù có hiện đại và tiện dụng đến mấy, bất kỳ một cỗ máy nào cũng không thể thiếu bàn tay điều khiển của con người. Bởi vậy, mong bạn hãy luôn lái xe cẩn thận, tôn trọng luật lệ và cư xử lịch sự với những người cùng tham gia giao thông trên đường.
