Hệ thống phanh khí nén: Phân loại, thành phần và ưu nhược điểm

Hệ thống phanh khí nén là giải pháp an toàn cho xe tải, xe buýt và xe đầu kéo, sử dụng khí nén để tạo lực phanh mạnh mẽ. Với cấu trúc bền bỉ, khả năng phanh hiệu quả và hệ thống dự phòng an toàn, đây là công nghệ không thể thiếu trên các phương tiện hạng nặng.

Hệ thống phanh khí nén là gì?

Hệ thống phanh khí nén, hay còn gọi là hệ thống phanh hơi, là một loại hệ thống phanh sử dụng khí nén để truyền lực từ người lái đến các cơ cấu phanh ở bánh xe. Trong kiến thức ô tô, hệ thống này được phân biệt rõ với hệ thống phanh dầu thông thường, bởi thay vì sử dụng chất lỏng thủy lực, nó tận dụng áp suất của không khí được nén để tạo ra lực ma sát, giúp giảm tốc độ hoặc dừng hoàn toàn chiếc xe.

Phân loại hệ thống phanh khí nén

Trong quá trình phát triển, hệ thống phanh khí nén đã trải qua nhiều cải tiến và được phân loại dựa trên cấu trúc và nguyên lý hoạt động. Dưới đây là ba loại hệ thống phanh khí nén phổ biến nhất:

Phanh khí nén 1 dòng (Single-Circuit Air Brake)

Hệ thống này có một đường ống dẫn khí nén từ bình chứa đến các xi-lanh phanh. Khi người lái đạp phanh, khí nén truyền lực đến má phanh, giúp xe giảm tốc. Nhược điểm lớn của hệ thống này là nếu xảy ra rò rỉ, toàn bộ hệ thống phanh sẽ mất tác dụng, gây nguy hiểm. Vì lý do an toàn, phanh khí nén 1 dòng hầu như không còn được sử dụng trên các phương tiện hiện đại.

Phanh khí nén 2 dòng (Dual-Circuit Air Brake)

Được cải tiến để khắc phục rủi ro của phanh 1 dòng, hệ thống này có hai mạch độc lập, mỗi mạch điều khiển một nhóm bánh xe. Nếu một mạch gặp sự cố, mạch còn lại vẫn hoạt động, đảm bảo xe có thể phanh an toàn. Đây là tiêu chuẩn bắt buộc trên hầu hết các xe thương mại và xe tải hạng nặng.

Phanh dừng khẩn cấp (Emergency & Parking Brake)

Phanh dừng giữ xe đứng yên khi đỗ và hỗ trợ dừng xe khi phanh chính hỏng. Hệ thống hoạt động theo nguyên lý “phanh bằng lò xo, nhả bằng khí nén” – khi mất áp suất khí nén, lò xo ép má phanh vào đĩa hoặc trống phanh, giữ chặt bánh xe. Để nhả phanh, khí nén sẽ nén lò xo lại. Phanh dừng được điều khiển bằng cần gạt hoặc nút bấm, nhưng không nên dùng để phanh gấp khi xe đang chạy nhanh vì có thể gây mất lái.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh khí nén

Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống phanh khí nén dựa trên việc sử dụng áp suất của không khí nén để tạo ra lực phanh. Quá trình này diễn ra theo các bước chính sau:

• Tạo khí nén: Một máy nén khí được dẫn động bởi động cơ sẽ hút không khí từ bên ngoài và nén nó lại, tạo ra khí nén có áp suất cao.
• Lưu trữ khí nén: Khí nén được tạo ra sẽ được lưu trữ trong một hoặc nhiều bình chứa khí nén (air tank/reservoir). Các bình này có nhiệm vụ duy trì một lượng khí nén dự trữ đủ để đáp ứng nhu cầu phanh của xe.
• Điều khiển áp suất khí nén: Khi người lái tác động lên bàn đạp phanh, các van điều khiển sẽ được kích hoạt, cho phép khí nén từ bình chứa được dẫn đến các cơ cấu phanh ở bánh xe. Lượng khí nén được truyền đi và áp suất của nó sẽ được điều chỉnh tùy thuộc vào lực đạp phanh của người lái.
• Tạo lực phanh: Khí nén được dẫn đến các xi-lanh phanh (brake chamber), nơi nó tác động lên một piston hoặc màng cao su. Lực đẩy của piston hoặc màng cao su sẽ được truyền qua các cơ cấu trung gian (như cần đẩy, cam quay) để ép má phanh vào đĩa phanh hoặc trống phanh, tạo ra lực ma sát và làm giảm tốc độ quay của bánh xe.
• Xả khí nén: Khi người lái nhả bàn đạp phanh, các van điều khiển sẽ thay đổi trạng thái, cho phép khí nén trong các xi-lanh phanh được xả ra ngoài khí quyển. Áp lực lên má phanh giảm xuống, và lò xo hồi vị sẽ kéo má phanh trở lại vị trí ban đầu, giải phóng phanh và cho phép bánh xe quay tự do.

Thành phần chính của hệ thống phanh khí nén

Để thực hiện các chức năng trên, hệ thống phanh khí nén bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Dưới đây là mô tả chi tiết về các thành phần chính:

Máy nén khí (Air Compressor)

Máy nén khí tạo khí nén cho hệ thống phanh, thường là loại piston, dẫn động bằng dây đai hoặc bánh răng. Nó hút không khí, nén và đẩy vào bình chứa. Để hoạt động bền bỉ, máy nén có hệ thống bôi trơn, làm mát và van an toàn để kiểm soát áp suất.

Bình chứa khí nén (Air Tank/Reservoir)

Bình chứa khí nén lưu trữ khí nén do máy nén tạo ra, đảm bảo hệ thống phanh luôn có đủ áp suất. Thường làm từ thép hoặc nhôm, bình chịu được áp suất cao và giúp làm mát, tách nước, dầu khỏi khí nén để bảo vệ hệ thống. Van xả nước ở đáy bình giúp loại bỏ cặn bẩn định kỳ.

Van điều khiển (Control Valves)

Van điều khiển điều hướng và điều chỉnh dòng khí nén trong hệ thống phanh, gồm các loại chính:

• Van chân phanh: Điều khiển khí nén từ bình chứa đến xi-lanh phanh, giúp kiểm soát lực phanh theo lực đạp.
• Van rơ-le: Rút ngắn thời gian tác động phanh, đặc biệt trên xe dài hoặc nhiều trục.
• Van bảo vệ áp suất thấp: Cảnh báo khi áp suất khí nén xuống mức nguy hiểm.
• Van một chiều: Ngăn khí nén chảy ngược, duy trì áp suất ổn định.
• Van xả nhanh: Xả khí nén nhanh khi nhả phanh, giúp má phanh hồi vị nhanh chóng.
• Van hạn chế áp suất: Giảm áp suất đến một số cơ cấu phanh để tránh bó cứng bánh xe.

Van xả nước (Drain Valve)

Van xả nước, lắp ở đáy bình chứa khí nén, giúp loại bỏ nước và cặn bẩn tích tụ, ngăn ăn mòn và duy trì hiệu suất phanh. Có hai loại: thủ công (người lái tự mở/đóng) và tự động (xả nước theo chu kỳ hoặc khi đạt mức nhất định).

Bộ điều chỉnh áp suất (Pressure Regulator)

Bộ điều chỉnh áp suất có nhiệm vụ duy trì áp suất khí nén trong hệ thống ở một phạm vi an toàn và hiệu quả. Nó điều khiển hoạt động của máy nén khí, ngắt máy nén khi áp suất đạt đến mức tối đa và khởi động lại khi áp suất giảm xuống mức tối thiểu. Điều này giúp bảo vệ máy nén khí khỏi bị quá tải và đảm bảo luôn có đủ khí nén dự trữ.

Cụm phanh (Brake Chamber & Actuator)

Cụm phanh chuyển đổi khí nén thành lực cơ học để tác động lên cơ cấu phanh. Gồm hai phần chính:

• Buồng khí nén (Brake Chamber): Xi-lanh kín chứa màng cao su hoặc piston, khi có khí nén, màng hoặc piston sẽ tạo lực đẩy.
• Cơ cấu chấp hành (Actuator): Truyền lực từ buồng khí nén đến guốc phanh (phanh trống) hoặc piston (phanh đĩa), ép má phanh vào đĩa hoặc trống phanh để giảm tốc.

Cụm phanh dừng khẩn cấp thường là loại tác động kép, gồm phanh chính điều khiển bằng khí nén và phanh dừng bằng lò xo.

Bàn đạp phanh (Brake Pedal)

Bàn đạp phanh là bộ phận điều khiển chính của hệ thống phanh, được tác động bởi người lái. Lực đạp của người lái lên bàn đạp sẽ điều khiển van chân phanh, quyết định lượng khí nén được truyền đến các cơ cấu phanh và do đó, quyết định lực phanh tác động lên bánh xe.

Hệ thống phanh khẩn cấp (Emergency Brake System)

Hệ thống phanh khẩn cấp (thường kết hợp với phanh đỗ) là một hệ thống độc lập, hoạt động dựa trên nguyên lý lò xo ép và nhả bằng khí nén. Nó được điều khiển bằng một cần gạt hoặc nút bấm riêng biệt và có chức năng dừng xe trong trường hợp khẩn cấp hoặc giữ xe đứng yên khi đỗ.

Ưu và nhược điểm của hệ thống phanh khí nén

Giống như bất kỳ hệ thống nào khác, hệ thống phanh khí nén cũng có những ưu và nhược điểm riêng:

Ưu điểm:

• Lực phanh mạnh mẽ: Khí nén có khả năng tạo ra lực ép lớn, phù hợp với các phương tiện có trọng tải lớn.
• Độ tin cậy cao: Hệ thống có cấu trúc tương đối đơn giản và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ so với hệ thống phanh thủy lực.
• Khả năng cung cấp khí nén liên tục: Máy nén khí có thể tạo ra khí nén liên tục khi động cơ hoạt động, đảm bảo luôn có đủ áp suất cho hệ thống.
• Hệ thống an toàn dự phòng: Với hệ thống phanh 2 dòng và phanh dừng khẩn cấp độc lập, hệ thống phanh khí nén có tính an toàn cao.
• Dễ dàng tích hợp các hệ thống hỗ trợ phanh: Các hệ thống như ABS (chống bó cứng phanh), EBS (hệ thống phanh điện tử) và ESP (chương trình ổn định điện tử) có thể được tích hợp dễ dàng vào hệ thống phanh khí nén.
• Ít rò rỉ hơn hệ thống thủy lực: Mặc dù rò rỉ khí nén vẫn có thể xảy ra, nhưng nó thường dễ phát hiện và ít gây mất phanh hoàn toàn như rò rỉ dầu phanh.

Nhược điểm:

• Thời gian tác động chậm hơn: Do cần thời gian để khí nén được truyền đi và tích áp trong các xi-lanh phanh, thời gian phản ứng của hệ thống phanh khí nén thường chậm hơn so với hệ thống phanh thủy lực.
• Cần bảo dưỡng định kỳ: Hệ thống cần được bảo dưỡng thường xuyên để đảm bảo không có rò rỉ khí nén, xả nước định kỳ từ bình chứa và kiểm tra các thành phần khác.
• Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn: Các thành phần của hệ thống phanh khí nén thường có chi phí cao hơn so với hệ thống phanh thủy lực.
• Yêu cầu kỹ năng lái đặc biệt: Người lái xe sử dụng hệ thống phanh khí nén cần được đào tạo để làm quen với đặc điểm và cách sử dụng hệ thống này, đặc biệt là cách kiểm soát lực phanh và xử lý trong các tình huống khẩn cấp.
• Tiếng ồn: Máy nén khí có thể tạo ra tiếng ồn trong quá trình hoạt động.

Phân biệt giữa phanh khí nén và phanh thuỷ lực

Sự khác biệt cơ bản giữa phanh khí nén và phanh thủy lực nằm ở môi chất truyền lực:

Dưới góc nhìn kỹ thuật, phanh khí nén và phanh thủy lực là hai hệ thống phanh phổ biến trên ô tô, mỗi loại có nguyên lý hoạt động, cấu tạo và phạm vi ứng dụng khác nhau. Dưới đây là hình ảnh so sánh chi tiết giúp bạn dễ hình dung sự khác biệt:

Ứng dụng của hệ thống phanh khí nén

Nhờ những ưu điểm vượt trội về lực phanh và độ tin cậy, hệ thống phanh khí nén được ứng dụng rộng rãi trên các loại phương tiện có trọng tải lớn và yêu cầu phanh an toàn cao:

Xe tải hạng nặng

Xe tải hạng nặng với khối lượng hàng hóa lớn đòi hỏi một hệ thống phanh có khả năng tạo ra lực hãm mạnh mẽ và ổn định. Hệ thống phanh khí nén đáp ứng tốt yêu cầu này, cho phép xe giảm tốc độ và dừng lại một cách an toàn ngay cả khi chở đầy tải. Hệ thống phanh 2 dòng và phanh dừng khẩn cấp cũng là những yếu tố quan trọng đảm bảo an toàn cho người lái và hàng hóa.

Xe Bus

Xe buýt chở nhiều hành khách, vì vậy hệ thống phanh phải đảm bảo an toàn tuyệt đối. Phanh khí nén với khả năng phanh mạnh mẽ, ổn định và hệ thống dự phòng đáng tin cậy là lựa chọn lý tưởng cho xe buýt. Ngoài ra, việc tích hợp các hệ thống hỗ trợ phanh hiện đại như ABS và EBS trên nền tảng phanh khí nén giúp nâng cao hơn nữa tính an toàn khi vận hành.

Xe đầu kéo

Xe đầu kéo kéo theo rơ moóc hoặc sơ mi rơ moóc có tổng trọng lượng rất lớn. Hệ thống phanh khí nén không chỉ được trang bị trên xe đầu kéo mà còn được kết nối với hệ thống phanh của rơ moóc thông qua các đường ống khí nén. Điều này cho phép người lái điều khiển hệ thống phanh của cả đoàn xe một cách đồng bộ và hiệu quả. Các van điều khiển đặc biệt trên xe đầu kéo giúp phân phối lực phanh hợp lý giữa xe đầu kéo và rơ moóc, đảm bảo an toàn khi phanh gấp hoặc trên đường trơn trượt.

Ngoài ra, hệ thống phanh khí nén còn được sử dụng trên nhiều loại xe công nghiệp khác như xe trộn bê tông, xe ben, xe cứu hỏa, và các loại máy móc xây dựng có kích thước lớn.

Hệ thống phanh khí nén đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho các phương tiện hạng nặng nhờ lực phanh mạnh mẽ, độ tin cậy cao và khả năng tích hợp với các hệ thống hỗ trợ hiện đại. Tuy nhiên, nó cũng đòi hỏi bảo dưỡng định kỳ để duy trì hiệu suất tối ưu.

Phụ Tùng Đức Anh hy vọng bài viết này đã cung cấp những thông tin hữu ích giúp bạn hiểu rõ hơn về hệ thống phanh khí nén. Nếu cần tư vấn hoặc tìm kiếm phụ tùng xe sang chất lượng, hãy liên hệ ngay qua Zalo: 0979722210 để được hỗ trợ nhanh chóng.