Lịch Sử Phanh Hơi: Từ Westinghouse Đến Xe Tải Hiện Đại

Phanh hơi được phát minh bởi George Westinghouse, người đã đăng ký bằng sáng chế phanh hơi đường sắt vào năm 1869 và thành lập Công ty Phanh Hơi Westinghouse cùng năm đó. Thiết kế đầu tiên này dùng áp suất khí để siết phanh, một cơ chế nguy hiểm khi đoàn tàu bị tách rời. Năm 1872, ông đăng ký bằng sáng chế phanh hơi tự động: mỗi toa xe có bình chứa khí riêng và van ba ngả, nên bất kỳ sự sụt giảm áp suất đường ống nào cũng khiến phanh siết lại thay vì nhả ra. Chính sự đảo ngược này là lý do khí nén, chứ không phải thủy lực hay dây cáp, trở thành tiêu chuẩn trên xe hạng nặng và vẫn giữ nguyên đến ngày nay.

Vấn đề trước khi có phanh hơi

Tàu hỏa thế kỷ 19 dừng lại nhờ người phanh thủ công. Người lái tàu huýt còi, và nhân viên đi trên nóc các toa xe đang chạy để vặn từng bánh xe tay một. Quãng đường phanh phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của những người này. Va chạm xảy ra như cơm bữa, và nhiều nhân viên phanh đã thiệt mạng khi làm việc này.

Phanh hơi nước và phanh chân không đều từng được thử nghiệm. Hơi nước bị ngưng tụ và đóng băng trước khi tới được đuôi đoàn tàu dài. Hệ thống chân không hoạt động được, và vẫn được dùng ở Anh cùng nhiều nơi khác trong nhiều thập kỷ, nhưng chân không chỉ có thể tạo ra chênh áp tối đa khoảng một atmosphere, xấp xỉ 14,7 psi. Khí nén không có giới hạn như vậy: một bình nhỏ có thể chứa khoảng 120 psi và tạo lực kẹp lớn qua một buồng khí khiêm tốn. Mật độ năng lượng đó là lý do thực tế khiến khí nén chiến thắng.

Phanh hơi thẳng và phanh hơi tự động

Bằng sáng chế năm 1869 của Westinghouse được gọi là phanh hơi thẳng (straight air). Một máy bơm chạy bằng hơi nước trên đầu máy nạp khí vào bình chứa, và van của người lái tàu đưa khí xuống đường ống dọc đoàn tàu tới xy-lanh phanh trên mỗi toa. Đẩy khí vào, phanh siết. Xả khí ra, phanh nhả.

Nhược điểm hiển nhiên khi nói ra: một ống bị vỡ, khớp nối bị tách hoặc đoàn tàu bị đứt làm đôi sẽ làm mất khí trên đường ống, và mọi phanh trên tàu sẽ nhả ra vào thời điểm tồi tệ nhất.

Phanh tự động năm 1872 đảo ngược logic này. Khí từ đầu máy nạp vào bình phụ trên mỗi toa qua đường ống chính. Một van ba ngả trên mỗi toa theo dõi áp suất đường ống và thực hiện ba việc: nạp khí vào bình chứa, siết phanh, hoặc nhả phanh. Khi áp suất đường ống giảm, dù do người lái tàu ra lệnh hay do ống bị tuột, van ba ngả sẽ nối khí dự trữ riêng của toa đó vào xy-lanh phanh của chính nó. Đoàn tàu tự dừng lại. Sau này Westinghouse bổ sung van ba ngả tác động nhanh để việc siết phanh lan truyền nhanh dọc đoàn tàu dài thay vì chậm rãi từ toa này sang toa khác.

Mọi xe tải và rơ moóc dùng phanh hơi được chế tạo từ đó đến nay đều vận hành theo nguyên lý này. Mất áp suất cấp khí thì phanh lò xo sẽ siết lại. Hệ thống được thiết kế để khi hỏng sẽ dừng lại chứ không tiếp tục chạy.

Dòng thời gian: các mốc son của phanh hơi

Từ đường sắt đến đường bộ

Xe tải trở nên nặng hơn nhanh hơn tốc độ cải tiến của hệ thống phanh. Xe tải hạng nặng thời kỳ đầu dùng cơ cấu liên kết cơ khí và sau đó là thủy lực, cả hai đều khả thi trên xe cứng hai trục nhưng kém hiệu quả khi bắt đầu kéo theo rơ moóc. Mạch thủy lực phải được bịt kín, đổ đầy và xả khí; bạn không thể tùy tiện nối và tháo nó trong sân bãi lầy lội nhiều lần mỗi ngày. Nhưng khí nén thì có thể. Hai đầu nối gladhand, một cú đẩy, xong, và rò rỉ chỉ xả vô hại ra khí quyển thay vì mất chất lỏng và mất bàn đạp phanh.

Đến cuối những năm 1920 và sang những năm 1930, phanh hơi trở thành trang bị tiêu chuẩn trên xe buýt và xe tải cỡ lớn tại Hoa Kỳ. Bendix và Westinghouse bắt tay hợp tác khoảng năm 1930 để chế tạo linh kiện phanh hơi ô tô, và những tên tuổi đó, cùng với Wabco và sau này là Knorr-Bremse tại châu Âu, vẫn xuất hiện trên máy nén khí, bộ điều áp và các van dưới gầm xe tải hiện đại.

Phiên bản đường bộ tái tổ chức lại bố cục đường sắt mà không thay đổi triết lý của nó. Một máy nén khí chạy bằng động cơ thay thế cho máy bơm hơi nước. Bộ điều áp điều khiển máy nén luân phiên giữa trạng thái có tải và không tải thay vì để nó chạy hết công suất. Vai trò của van ba ngả được chia cho các van relay, van xả nhanh, và trên rơ moóc là van relay khẩn cấp sẽ siết phanh rơ moóc nếu mất đường cấp khí — chính xác là ý tưởng năm 1872 được đúc trong một hình hài khác.

Những gì hệ thống hiện đại thừa hưởng

Một chiếc xe tải chế tạo ngày nay chính là kiến trúc của Westinghouse với hàng loạt cải tiến trong suốt một thế kỷ:

• Tác động an toàn khi hỏng. Phanh lò xo bắt đầu bó khi khí xì dần và siết hoàn toàn ở khoảng 20-45 psi, tùy loại bầu phanh.
• Năng lượng dự trữ tại mỗi điểm sử dụng. Bình chứa khí trên đầu kéo và trên rơ moóc, giống như bình chứa trên mỗi toa tàu.
• Áp suất làm việc khoảng 120 psi. Bộ điều áp thường ngắt ở khoảng 120-135 psi và đóng lại ở khoảng 100-110 psi, nên một hệ thống đã nạp đầy sẽ ở mức gần 120 psi. Đèn cảnh báo và còi báo trên bảng táp-lô sẽ bật khi áp suất giảm xuống khoảng 60 psi.
• Dự phòng. Phanh dịch vụ được chia thành hai mạch độc lập để một sự cố không làm mất toàn bộ khả năng phanh — tương đương với việc không tin tưởng vào một đường ống duy nhất trên đường bộ.
• Quản lý chất lượng khí. Máy nén tạo ra khí nóng, ẩm, có lẫn chút dầu. Máy sấy và chu trình xả tồn tại vì độ ẩm và dầu đã phá hủy các van từ rất lâu trước khi có bất kỳ tiêu chuẩn nào được viết ra.

Thứ thực sự thay đổi là khâu điều khiển, không phải cơ chế tác động. ABS, EBS, kiểm soát ổn định thân xe và phanh khẩn cấp tự động đều nằm bên trên tầng khí nén, điều tiết áp suất nhanh và chính xác hơn bất kỳ bàn chân nào. Khí nén vẫn thực hiện công việc chính. Để tìm hiểu cơ chế các bộ phận này phối hợp với nhau trên xe hiện đại, hãy bắt đầu với cách hệ thống phanh hơi hoạt động, và so sánh hai triết lý này song song trong bài phanh hơi và phanh thủy lực.

Vì sao chưa từng bị thay thế

Nhiều phương án thay thế đã được đề xuất trong suốt 150 năm qua. Không phương án nào vượt qua được sự kết hợp mà khí nén mang lại: một loại chất lỏng làm việc miễn phí và vô hạn; rò rỉ xả ra khí quyển thay vì làm mất bàn đạp phanh; các khớp nối mà tài xế có thể lắp trong vài giây trong mọi thời tiết; năng lượng có thể lưu trữ trong một bình thép; và chế độ hỏng khiến xe dừng lại chứ không phải giải phóng nó.

Phanh cơ điện có thể cuối cùng sẽ thay đổi điều đó trên một số xe hạng nặng, và điều khiển điện tử đã chi phối phần lớn khâu ra quyết định. Nhưng bộ tác động ở đầu bánh xe vẫn là một màng ngăn được đẩy bởi khí nén và giữ dự phòng bởi một lò xo — một ý tưởng được cấp bằng sáng chế năm 1872 mà chưa ai cần phải thay thế.