Chúng ta sẽ đi vào tìm hiều đôi nét về lịch sử ra đời và phát triển của một trong những bộ phận quan trọng, ra đời gần như song hành với chính bản thân những chiếc ô tô.
Bài kiểm tra lớn đầu tiên cho hệ thống phanh xe diễn ra vào năm 1902 trên một con đường không lát đá tại New York City mang tên Riverside Drive. Ransom E. Olds đã sắp xếp một cuộc thử nghiệm tác động của hệ thống phanh mới so với hệ thống phanh lốp xe của một chiếc xe 4 ngựa và hệ thống phanh đùm (Drum Brakes) trên một chiếc xe chở hàng không ngựa kéo thời Vitoria.
Chiếc Oldmobile của ông cho thấy một thanh thép không gỉ linh hoạt đơn quấn quanh một cái thùng hình ống quanh trục sau. Khi pedal phanh bị nhấn, thanh thép sẽ co lại để kìm chặt thùng hình ống. Olds đã đưa chiếc xe của mình tham gia giải đua 100 dặm Blue Ribbon Contest diễn ra vào tháng 8 và muốn chắc chắn rằng hệ thống phanh ngoài của mình phù hợp cho thiết kế thùng hình ống bên trong má phanh mở rộng của một chiếc xe Victoria. Và hệ thống phanh lốp của xe ngựa – một miếng lót được đặt vào lốp xe bởi một đòn bẩy dài. Nó kìm hãm lốp xe cao su đặc khá nhanh, và hệ thống phanh lốp này đã được sử dụng rất phổ biến trên xe ngựa, xe chở hàng và rất nhiều mẫu ô tô đầu tiên.
Từ tốc độ 14 dặm/giờ, chiếc Oldsmobile có thể dừng lại trong khoảng cách 21.5 ft, chiếc Vitoria là 37ft, và xe ngựa (có thể ngựa không chạy đến vận tốc 14 dặm/giờ, nhưng cũng chẳng có hệ thông phanh nào hỗ trợ chúng cả) dừng lại ở 77.5ft.
Chiếc Oldsmobile giành hai trong số 9 giải thưởng của cuộc đua. Hệ thống phanh của nó đã gây ấn tượng sâu sắc cho các nhà sản xuất ô tô khác và một năm sau, hầu hết họ đều sử dụng hệ thống này trên xe mình. Năm 1904, tất cả các nhà sản xuất ô tô đều chế tạo ra những chiếc xe với hệ thống phanh ngoài trên trục bánh sau.
Cùng thời gian đó, hệ thống phanh này cũng cho thấy một số thiếu sót nghiêm trọng trong sử dụng thường ngày. Ví dụ khi đi trên đồi, hệ thống sẽ không có tác dụng tức thời mà để cho xe tiếp tục đi sau nhiều giây nhấn phanh. Một lái xe nếu không may bị chết máy trong khi đang leo dốc sẽ sớm phát hiện ra mình đang lăn lùi về phía sau.
Vì lý do đó, các tấm chèn là dụng cụ hết sức quan trọng cho mỗi chuyến đi. Thời kì này, người ta dễ dàng bắt gặp cảnh một hành khách nhảy ra khỏi xe với một miếng gỗ trong tay để chèn bánh xe.
Ngoài ra, hệ thống phanh ngoài còn thể hiện nhiều hạn chế khác như không được bảo vệ khỏi các cú drift nên các thanh thép và thùng hình ống sẽ nhanh chóng bị bào mòn. Một hệ thống phanh này chỉ hoạt động tốt nhất trong cho 200 đến 300 dặm đường đâu tiên.
Những hạn chế sau này được giải quyết khi hệ thống phanh trong ra đời. Chỉ cần các má phanh vẫn chịu lực tác động, thì chũng sẽ vẫn nhấn lên các thùng ống để kìm giữ chiếc xe khỏi lăn ngược trở lại chân dốc. Và, kể từ khi các bộ phận phanh được cải tiến bên trong thùng ống để bảo vệ chúng khỏi hao mòn, lái xe có thể đi được chặng đường tới 1,000 dặm giữa hai lần bảo dưỡng phanh.
Phanh đùm, như cái tên nó được gọi ngày nay, đã thống trị hoàn toàn trong ngành công nghiệp ô tô Mỹ. Có một số tài liệu khác cho rằng hệ thống phanh đùm hiện tại được phát minh năm 1902 bởi Louis Renault, dù một thiết kế ít tiến bộ hơn đã từng được sử dụng trên xe của Maybach một năm trước đó.
Tại châu Âu, đặc biệt là ở Anh, vị trí của nó phải chia sẻ với hệ thống phanh đĩa (Disc Brakes). Phanh đĩa ít nhiều đã trở thành tiêu chuẩn trên những chiếc xe hơi châu Âu trong những năm 50, 20 năm trước khi chúng được các nhà sản xuất ô tô Mỹ bắt đầu sử dụng (từ năm 1973).
Điều này nghe có vẻ nực cười vì hệ thống phanh đĩa điểm (Spot-type Disc Brake) là một phát minh của người Mỹ. Năm 1898, Elmer Ambrose Sperry ở Cleveland, Ohio đã thiết kế một chiếc xe điện với hệ thống phanh đĩa bánh trước.
Hệ thống phanh đĩa điểm Ông đã tạo ra một đĩa lớn kết hợp với trục moay-ơ ở mỗi mỗi bánh xe. Các nam châm điện được sử dụng để tạo lực nhấn những đĩa nhỏ hơn, đã được trạng bị ổ bi trượt để giảm ma sát, vào những điểm trên một đĩa quay nhằm chặn bánh xe tiếp tục quay. Các lò xo đẩy những đĩa điểm này trở về vị trí khi việc phanh xe ngừng lại.
Trong khi đó tại Anh, một bằng sáng chế được trao năm 1902 cho F.W.Lanchester với phát minh hệ thống phanh đĩa điểm không chạy điện, hoạt động với những nguyên lý rất giống những hệ thống phanh mà chúng ta có ngày nay. Vấn đề lớn nhất là hệ thống của Lanchester hoạt động khá ầm ĩ. Sự cọ sát trực tiếp các tấm kim loại giữa lớp lót bằng đồng và đĩa kim loại tạo ra một tiếng rít lớn gây cho người nghe cảm giác ớn lạnh chạy dọc cơ thể.
Vấn đề này được giải quyết năm 1907 khi Herbert Frood, một người Anh khác, phát triển ý tưởng tạo ra những miếng đệm bằng Amiăng. Chất liệu mới này nhanh chóng được các nhà sản xuất ô tô sử dụng cho cả hệ thống phanh đĩa lẫn phanh đùm. Amiăng cũng bền hơn các chất liệu chịu ma sát khác nhờ một mép rộng. Với cải tiến này, hệ thống phanh đĩa lúc bấy giờ có thể chịu đựng được quãng đường lên tới 10.000 dặm
Khi đường xá được cải tiến và xe hơi bắt đầu có thể đi với tốc độ cao, các nhà sản xuất nhận ra sự cần thiết phải tạo ra những hệ thống phanh có sức mạnh thậm chí lớn hơn rất nhiều. Hệ thống phanh dần dần được cải tiến và thêm vào những hệ thống phụ trợ như chúng ta thấy ngày nay.
Một giải pháp nhằm tăng sức mạng cho phanh xuất hiện trong cuộc đua Elgin năm 1915. Một chiếc xe hiệu Duesenberg chạy trên đường tằng với tốc độ 80 dặm/giờ, sau đó đột ngột giảm tốc tạo ra tiếng kêu rít chói tai khi lao vào một khúc cua hẹp. Bí mật của sức mạnh đáng kinh ngạc mà hệ thống phanh Duesenberg có được chỉ đơn giản là sử dụng phanh trong trên mỗi bánh xe cả trước và sau.
Năm 1918, một nhà phát minh trẻ tên Malcolm Lougheed (sau này tự đổi cách đánh vần tên của mình thành Lockheed) đã thêm bộ phận thuỷ lực vào hệ thống phanh. Ông sử dụng các xylanh và ống chuyển áp suất chất lỏng nhằm tạo lực nhấn lên các má phanh. Năm 1921, chiếc xe chở khách đầu tiên được trang bị hệ thống phanh thuỷ lực (Hydraulic Brakes) bốn bánh xuất hiện, đó chính là chiếc Model A Duesenberg.
Các nhà sản xuất xe không chuyển sang sử dụng hệ thống phanh thuỷ lực một cách ào ạt như những phát minh trước đó. 10 năm sau chiếc Model A Duesi, năm 1931, mới chỉ có Chrysler, Dodge, Desoto, Plymouth, Auburn, Franklin, Reo và Graham trang bị phanh thuỷ lực mà thôi. Tất cả những hãng xe khác vẫn sử dụng hệ thống phanh cơ học. Thực tế cho đến tận năm 1933, Ford mới gia nhập và trở thành nhà sản xuất ô tô cuối cùng chuyển sang sử dụng hệ thống phanh thuỷ lực.
Hệ thống phanh cơ bản chúng ta có ngày nay được sử dụng khá nhiều vào năm 1921, bao gồm một số những trang bị mà cho đến tận bây giời vẫn còn được đề cao như bộ phận trợ lực.
Trợ lực, thực chất, đã được sử dụng từ năm 1903 khi một chiếc xe tên là Tincher xuất hiện với trang bị phanh khí. Nhưng chiếc xe đầu tiên sử dụng các ống trợ lực dẫn động chân không tương tự những thiết bị bạn đang thấy ngày nay xuất hiện năm 1928 với tên Pierce-Arrow. Nó sử dụng áp suất thấp từ các ống dẫn khí vào để giảm đáng kể lực cần thiết phải tác động lên các má phanh. Các ống chân không từ đó đến nay vẫn giữ nguyên thiết kế.
Bộ phận chệch hướng mở rộng của hệ thống trợ lực chân không đầu tiên xuất hiện năm 1985. Một vài chiếc xe của GM những năm 80 sử dụng một ống phanh lái điện tử, cái nhỏ và nhẹ hơn so với những ống chân không thông thường, tạo ra một hệ thống thuỷ lực toàn phần.
Chiếc xe đầu tiên sử dụng hệ thống phanh tự cân bằng là chiếc Cole năm 1925. Nguyên mẫu của các hệ thống ngày nay xuất hiện năm 1946, trên chiếc Studebaker. Cỗ máy do Wagner Electric Co. chế tạo trang bị một tấm đệm cân bằng bên dưới nơi chịu tác động của lực lò xo khi dãn ra. Có vai trò như lớp lót chống mòn, một đầu ống lùi lại để đẩy một chốt và thanh bẩy đè lên lò xo. Điều này khiến cho tấm đệm cân bằng chống lại má phanh, giúp giữ nó ở một khoảng cách nhất định so với thùng hình ống.
Hệ thống chống bó cứng (antilock hay còn gọi là antiskid) hiện nay đang được sử dụng rất động rãi cũng hoàn toàn chẳng mới mẻ gì. Thực chất, hệ thống chống bó cứng phanh mang tên Maxaret đã được sử dụng từ năm 1958 bởi Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Đường bộ của Anh và được lắp đặt lần đầu tiên trên chiếc Sedan thể thao Jensen FF năm 1966.
Ba năm sau, tức năm 1969, Lincoln Continental Mark III được trang bị một hệ thống chống bó cứng phanh của Auto-Linnerdo Kelsey Hayes phát triển. Các cảm biến ở bánh sau xe sẽ truyền tính hiệu lên một “máy tính” bán dẫn đằng sau hộp dụng cụ. Máy tính này sẽ điều khiển van dẫn động chân không ở phanh sau để điều chỉnh lực phanh vừa phải lên phanh sau khi các thiết bị cảm ứng báo về cho máy tính rằng các phanh đang khoá.
Các vấn đề về chi phí và kĩ thuật khiến cho hệ thống này bị xếp lên giá. Nhưng giờ đây, các phiên bản cập nhật tạo khả năng điều chỉnh chống trượt bốn bánh được trang bị trên hầu hết tất cả các mẫu xe ngày nay, mặc dù ban đầu, nó chỉ có trên những dòng xe cao cấp như Lincoln, Mercedes, và một vài thương hiệu xe châu Âu khác.
Lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống phanh ô tô đã trải qua một chặng đường dài, tuy vậy lời khuyên về việc sử dụng chúng được đăng trên cuốn The American Cyclopedia of the Automobile (Từ điền Bách Khoa nước Mỹ về Ô tô) xuất bản đầu tiên năm 1909 đến nay vẫn giữ nguyên giá trị:
“Lái xe tốt trong giao thông được thể hiện bằng số lần sử dụng phanh một cách tối thiểu.”
Bài kiểm tra lớn đầu tiên cho hệ thống phanh xe diễn ra vào năm 1902 trên một con đường không lát đá tại New York City mang tên Riverside Drive. Ransom E. Olds đã sắp xếp một cuộc thử nghiệm tác động của hệ thống phanh mới so với hệ thống phanh lốp xe của một chiếc xe 4 ngựa và hệ thống phanh đùm (Drum Brakes) trên một chiếc xe chở hàng không ngựa kéo thời Vitoria.
Chiếc Oldmobile của ông cho thấy một thanh thép không gỉ linh hoạt đơn quấn quanh một cái thùng hình ống quanh trục sau. Khi pedal phanh bị nhấn, thanh thép sẽ co lại để kìm chặt thùng hình ống. Olds đã đưa chiếc xe của mình tham gia giải đua 100 dặm Blue Ribbon Contest diễn ra vào tháng 8 và muốn chắc chắn rằng hệ thống phanh ngoài của mình phù hợp cho thiết kế thùng hình ống bên trong má phanh mở rộng của một chiếc xe Victoria. Và hệ thống phanh lốp của xe ngựa – một miếng lót được đặt vào lốp xe bởi một đòn bẩy dài. Nó kìm hãm lốp xe cao su đặc khá nhanh, và hệ thống phanh lốp này đã được sử dụng rất phổ biến trên xe ngựa, xe chở hàng và rất nhiều mẫu ô tô đầu tiên.
Từ tốc độ 14 dặm/giờ, chiếc Oldsmobile có thể dừng lại trong khoảng cách 21.5 ft, chiếc Vitoria là 37ft, và xe ngựa (có thể ngựa không chạy đến vận tốc 14 dặm/giờ, nhưng cũng chẳng có hệ thông phanh nào hỗ trợ chúng cả) dừng lại ở 77.5ft.
Chiếc Oldsmobile giành hai trong số 9 giải thưởng của cuộc đua. Hệ thống phanh của nó đã gây ấn tượng sâu sắc cho các nhà sản xuất ô tô khác và một năm sau, hầu hết họ đều sử dụng hệ thống này trên xe mình. Năm 1904, tất cả các nhà sản xuất ô tô đều chế tạo ra những chiếc xe với hệ thống phanh ngoài trên trục bánh sau.
Cùng thời gian đó, hệ thống phanh này cũng cho thấy một số thiếu sót nghiêm trọng trong sử dụng thường ngày. Ví dụ khi đi trên đồi, hệ thống sẽ không có tác dụng tức thời mà để cho xe tiếp tục đi sau nhiều giây nhấn phanh. Một lái xe nếu không may bị chết máy trong khi đang leo dốc sẽ sớm phát hiện ra mình đang lăn lùi về phía sau.
Vì lý do đó, các tấm chèn là dụng cụ hết sức quan trọng cho mỗi chuyến đi. Thời kì này, người ta dễ dàng bắt gặp cảnh một hành khách nhảy ra khỏi xe với một miếng gỗ trong tay để chèn bánh xe.
Ngoài ra, hệ thống phanh ngoài còn thể hiện nhiều hạn chế khác như không được bảo vệ khỏi các cú drift nên các thanh thép và thùng hình ống sẽ nhanh chóng bị bào mòn. Một hệ thống phanh này chỉ hoạt động tốt nhất trong cho 200 đến 300 dặm đường đâu tiên.
Những hạn chế sau này được giải quyết khi hệ thống phanh trong ra đời. Chỉ cần các má phanh vẫn chịu lực tác động, thì chũng sẽ vẫn nhấn lên các thùng ống để kìm giữ chiếc xe khỏi lăn ngược trở lại chân dốc. Và, kể từ khi các bộ phận phanh được cải tiến bên trong thùng ống để bảo vệ chúng khỏi hao mòn, lái xe có thể đi được chặng đường tới 1,000 dặm giữa hai lần bảo dưỡng phanh.
Phanh đùm, như cái tên nó được gọi ngày nay, đã thống trị hoàn toàn trong ngành công nghiệp ô tô Mỹ. Có một số tài liệu khác cho rằng hệ thống phanh đùm hiện tại được phát minh năm 1902 bởi Louis Renault, dù một thiết kế ít tiến bộ hơn đã từng được sử dụng trên xe của Maybach một năm trước đó.
Tại châu Âu, đặc biệt là ở Anh, vị trí của nó phải chia sẻ với hệ thống phanh đĩa (Disc Brakes). Phanh đĩa ít nhiều đã trở thành tiêu chuẩn trên những chiếc xe hơi châu Âu trong những năm 50, 20 năm trước khi chúng được các nhà sản xuất ô tô Mỹ bắt đầu sử dụng (từ năm 1973).
Điều này nghe có vẻ nực cười vì hệ thống phanh đĩa điểm (Spot-type Disc Brake) là một phát minh của người Mỹ. Năm 1898, Elmer Ambrose Sperry ở Cleveland, Ohio đã thiết kế một chiếc xe điện với hệ thống phanh đĩa bánh trước.
Hệ thống phanh đĩa điểm
Trong khi đó tại Anh, một bằng sáng chế được trao năm 1902 cho F.W.Lanchester với phát minh hệ thống phanh đĩa điểm không chạy điện, hoạt động với những nguyên lý rất giống những hệ thống phanh mà chúng ta có ngày nay. Vấn đề lớn nhất là hệ thống của Lanchester hoạt động khá ầm ĩ. Sự cọ sát trực tiếp các tấm kim loại giữa lớp lót bằng đồng và đĩa kim loại tạo ra một tiếng rít lớn gây cho người nghe cảm giác ớn lạnh chạy dọc cơ thể.
Vấn đề này được giải quyết năm 1907 khi Herbert Frood, một người Anh khác, phát triển ý tưởng tạo ra những miếng đệm bằng Amiăng. Chất liệu mới này nhanh chóng được các nhà sản xuất ô tô sử dụng cho cả hệ thống phanh đĩa lẫn phanh đùm. Amiăng cũng bền hơn các chất liệu chịu ma sát khác nhờ một mép rộng. Với cải tiến này, hệ thống phanh đĩa lúc bấy giờ có thể chịu đựng được quãng đường lên tới 10.000 dặm
Khi đường xá được cải tiến và xe hơi bắt đầu có thể đi với tốc độ cao, các nhà sản xuất nhận ra sự cần thiết phải tạo ra những hệ thống phanh có sức mạnh thậm chí lớn hơn rất nhiều. Hệ thống phanh dần dần được cải tiến và thêm vào những hệ thống phụ trợ như chúng ta thấy ngày nay.
Một giải pháp nhằm tăng sức mạng cho phanh xuất hiện trong cuộc đua Elgin năm 1915. Một chiếc xe hiệu Duesenberg chạy trên đường tằng với tốc độ 80 dặm/giờ, sau đó đột ngột giảm tốc tạo ra tiếng kêu rít chói tai khi lao vào một khúc cua hẹp. Bí mật của sức mạnh đáng kinh ngạc mà hệ thống phanh Duesenberg có được chỉ đơn giản là sử dụng phanh trong trên mỗi bánh xe cả trước và sau.
Năm 1918, một nhà phát minh trẻ tên Malcolm Lougheed (sau này tự đổi cách đánh vần tên của mình thành Lockheed) đã thêm bộ phận thuỷ lực vào hệ thống phanh. Ông sử dụng các xylanh và ống chuyển áp suất chất lỏng nhằm tạo lực nhấn lên các má phanh. Năm 1921, chiếc xe chở khách đầu tiên được trang bị hệ thống phanh thuỷ lực (Hydraulic Brakes) bốn bánh xuất hiện, đó chính là chiếc Model A Duesenberg.
Các nhà sản xuất xe không chuyển sang sử dụng hệ thống phanh thuỷ lực một cách ào ạt như những phát minh trước đó. 10 năm sau chiếc Model A Duesi, năm 1931, mới chỉ có Chrysler, Dodge, Desoto, Plymouth, Auburn, Franklin, Reo và Graham trang bị phanh thuỷ lực mà thôi. Tất cả những hãng xe khác vẫn sử dụng hệ thống phanh cơ học. Thực tế cho đến tận năm 1933, Ford mới gia nhập và trở thành nhà sản xuất ô tô cuối cùng chuyển sang sử dụng hệ thống phanh thuỷ lực.
Hệ thống phanh cơ bản chúng ta có ngày nay được sử dụng khá nhiều vào năm 1921, bao gồm một số những trang bị mà cho đến tận bây giời vẫn còn được đề cao như bộ phận trợ lực.
Trợ lực, thực chất, đã được sử dụng từ năm 1903 khi một chiếc xe tên là Tincher xuất hiện với trang bị phanh khí. Nhưng chiếc xe đầu tiên sử dụng các ống trợ lực dẫn động chân không tương tự những thiết bị bạn đang thấy ngày nay xuất hiện năm 1928 với tên Pierce-Arrow. Nó sử dụng áp suất thấp từ các ống dẫn khí vào để giảm đáng kể lực cần thiết phải tác động lên các má phanh. Các ống chân không từ đó đến nay vẫn giữ nguyên thiết kế.
Bộ phận chệch hướng mở rộng của hệ thống trợ lực chân không đầu tiên xuất hiện năm 1985. Một vài chiếc xe của GM những năm 80 sử dụng một ống phanh lái điện tử, cái nhỏ và nhẹ hơn so với những ống chân không thông thường, tạo ra một hệ thống thuỷ lực toàn phần.
Chiếc xe đầu tiên sử dụng hệ thống phanh tự cân bằng là chiếc Cole năm 1925. Nguyên mẫu của các hệ thống ngày nay xuất hiện năm 1946, trên chiếc Studebaker. Cỗ máy do Wagner Electric Co. chế tạo trang bị một tấm đệm cân bằng bên dưới nơi chịu tác động của lực lò xo khi dãn ra. Có vai trò như lớp lót chống mòn, một đầu ống lùi lại để đẩy một chốt và thanh bẩy đè lên lò xo. Điều này khiến cho tấm đệm cân bằng chống lại má phanh, giúp giữ nó ở một khoảng cách nhất định so với thùng hình ống.
Hệ thống chống bó cứng (antilock hay còn gọi là antiskid) hiện nay đang được sử dụng rất động rãi cũng hoàn toàn chẳng mới mẻ gì. Thực chất, hệ thống chống bó cứng phanh mang tên Maxaret đã được sử dụng từ năm 1958 bởi Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Đường bộ của Anh và được lắp đặt lần đầu tiên trên chiếc Sedan thể thao Jensen FF năm 1966.
Ba năm sau, tức năm 1969, Lincoln Continental Mark III được trang bị một hệ thống chống bó cứng phanh của Auto-Linnerdo Kelsey Hayes phát triển. Các cảm biến ở bánh sau xe sẽ truyền tính hiệu lên một “máy tính” bán dẫn đằng sau hộp dụng cụ. Máy tính này sẽ điều khiển van dẫn động chân không ở phanh sau để điều chỉnh lực phanh vừa phải lên phanh sau khi các thiết bị cảm ứng báo về cho máy tính rằng các phanh đang khoá.
Các vấn đề về chi phí và kĩ thuật khiến cho hệ thống này bị xếp lên giá. Nhưng giờ đây, các phiên bản cập nhật tạo khả năng điều chỉnh chống trượt bốn bánh được trang bị trên hầu hết tất cả các mẫu xe ngày nay, mặc dù ban đầu, nó chỉ có trên những dòng xe cao cấp như Lincoln, Mercedes, và một vài thương hiệu xe châu Âu khác.
Lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống phanh ô tô đã trải qua một chặng đường dài, tuy vậy lời khuyên về việc sử dụng chúng được đăng trên cuốn The American Cyclopedia of the Automobile (Từ điền Bách Khoa nước Mỹ về Ô tô) xuất bản đầu tiên năm 1909 đến nay vẫn giữ nguyên giá trị:
“Lái xe tốt trong giao thông được thể hiện bằng số lần sử dụng phanh một cách tối thiểu.”
