Phanh khí nén là gì? Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam ngày càng phát triển, kéo theo sự quan tâm đến các hệ thống an toàn trên xe, trong đó không thể không nhắc đến hệ thống phanh. Bài viết này Ô tô Ngọc Dũng sẽ đi sâu vào tìm hiểu về phanh khí nén – một công nghệ quan trọng được ứng dụng rộng rãi trên các dòng xe thương mại.

Phanh khí nén là gì?

Phanh khí nén (phanh hơi, air brake) là hệ thống phanh sử dụng áp suất khí nén để tác động lực lên cơ cấu phanh giúp giảm tốc độ hoặc dừng xe an toàn. Loại phanh này được ứng dụng chủ yếu trên xe tải nặng, xe buýt và xe đầu kéo do khả năng cung cấp lực phanh lớn và ổn định.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo phanh khí nén

Hệ thống phanh khí nén là một tập hợp các bộ phận thiết yếu, phối hợp nhịp nhàng thông qua mạng lưới ống dẫn khí để thực hiện chức năng hãm và dừng xe. Các bộ phận chính bao gồm:

Máy nén khí: Nén không khí từ môi trường sau khi lọc tạo ra nguồn năng lượng khí nén cần thiết và tích trữ vào bình chứa.
Bình chứa khí nén: Lưu trữ khí nén dưới áp suất, đảm bảo nguồn cung cấp ổn định cho quá trình phanh, đủ cho nhiều lần sử dụng ngay cả khi máy nén gặp sự cố tạm thời.
Bàn đạp phanh: Nơi người lái tác động lực và khởi đầu quá trình phanh.
Cơ cấu truyền lực từ bàn đạp phanh: Kết nối bàn đạp phanh với tổng van phanh, truyền lực tác động của người lái.
Bộ thu gom bụi bẩn và lọc khí: Loại bỏ tạp chất và bụi bẩn khỏi không khí trước khi nén và trong hệ thống, bảo vệ các bộ phận khác.
Van an toàn: Đảm bảo áp suất khí nén trong hệ thống không vượt quá giới hạn an toàn.
Cơ cấu phanh bánh xe (ví dụ: phanh trống): Bộ phận trực tiếp tạo ra lực ma sát để giảm tốc độ quay của bánh xe.
Van ba (van trung gian/van xả nhanh): Điều phối và phân phối khí nén đến các bầu phanh, đồng thời giúp xả khí nhanh chóng khi nhả phanh.
Dây dẫn khí nén: Các ống dẫn chịu áp lực cao, truyền khí nén giữa các bộ phận trong hệ thống.
Bộ lọc không khí: Đảm bảo không khí sạch được đưa vào máy nén.
Máy sấy khí: Loại bỏ hơi ẩm trong khí nén, ngăn ngừa gỉ sét và đóng băng.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phanh khí nén

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phanh khí nén

Tạo áp suất: Máy nén khí (chạy cùng động cơ) nén không khí và dự trữ trong bình chứa.
Điều kiện hoạt động: Hệ thống yêu cầu áp suất khí nén tối thiểu trong bình chứa; nếu không đủ, phanh có thể tự giữ để đảm bảo an toàn.
Kích hoạt phanh: Người lái đạp phanh -> Van phanh chính mở -> Khí nén từ bình chứa được đưa đến các bầu phanh ở bánh xe.
Tạo lực phanh: Áp suất khí nén trong bầu phanh đẩy piston/màng -> Piston/màng đẩy cần đẩy -> Cần đẩy ép guốc/má phanh vào tang trống/đĩa phanh -> Ma sát làm chậm hoặc dừng bánh xe.
Nhả phanh: Người lái nhả phanh -> Van phanh chính đóng, đồng thời xả khí nén trong bầu phanh ra ngoài -> Lò xo hồi vị kéo piston, cần đẩy và guốc/má phanh về vị trí ban đầu -> Bánh xe quay tự do.

>>Xem thêm: Tăng bua xe tải là gì? Công dụng và cách tháo tăng bua

Các loại phanh khí nén

Các hệ thống phanh khí nén hiện nay được phân loại dựa trên cấu trúc và nguyên lý hoạt động bổ sung, bao gồm một số dạng phổ biến sau:

Phanh khí nén cơ bản

Cấu tạo: Bao gồm máy nén khí, bình chứa khí nén, van điều khiển phanh (foot valve), bầu phanh (brake chamber) và hệ thống đường ống dẫn khí.
Nguyên lý hoạt động: Khi tác động lên bàn đạp phanh, van điều khiển mở đường cho khí nén từ bình chứa đến bầu phanh. Áp suất khí nén tác động lên piston trong bầu phanh, di chuyển cần đẩy và ép má phanh vào bề mặt ma sát (tang trống hoặc đĩa phanh) tạo ra lực hãm. Khi nhả phanh, van đóng lại, khí nén từ bầu phanh thoát r và, lò xo hồi vị kéo má phanh về vị trí ban đầu.

Phanh khí nén kết hợp lò xo tích năng

Cấu tạo: Tương tự phanh khí nén cơ bản, nhưng tích hợp thêm một cơ cấu lò xo chịu tải lớn trong bầu phanh.
Nguyên lý hoạt động: Lò xo này thường xuyên bị nén và giữ ở trạng thái nhả phanh bằng áp suất khí nén. Khi người lái đạp phanh, khí nén vẫn được sử dụng để tăng cường lực phanh. Điểm đặc biệt là khi áp suất khí nén trong hệ thống giảm xuống dưới mức an toàn (ví dụ khi tắt máy hoặc rò rỉ), lò xo sẽ tự động giãn ra tác động lực phanh cơ học lên bánh xe, đóng vai trò như phanh đỗ hoặc phanh khẩn cấp.

Phanh khí nén trợ lực chân không

Cấu tạo: Kết hợp các thành phần của phanh khí nén cơ bản với một bơm trợ lực chân không và hệ thống phanh thủy lực.
Nguyên lý hoạt động: Bơm trợ lực chân không tạo ra lực hút để hỗ trợ lực đạp của người lái tác động lên xi lanh chính của hệ thống thủy lực. Khi đạp phanh, van khí nén cũng hoạt động để cung cấp áp suất khí nén hỗ trợ thêm lực phanh thông qua bộ trợ lực. Lực này sau đó được truyền qua dầu phanh đến các xi lanh bánh xe để ép má phanh.

Tiêu chí	Phanh khí nén kiểu thường	Phanh khí nén kiểu lò xo tích trữ	Phanh khí nén kiểu trợ lực chân không
Lực phanh	Trung bình	Lớn	Lớn
Độ tin cậy	Cao	Cao	Cao
Chi phí	Thấp	Trung bình	Cao
Độ phức tạp	Đơn giản	Phức tạp hơn	Phức tạp nhất
Ứng dụng	Xe tải nhỏ, xe buýt nhỏ	Xe tải trung bình, xe buýt lớn	Xe tải lớn, xe đầu kéo

Ưu nhược điểm của phanh khí nén

Ưu điểm

Máy nén khí hoạt động liên tục đảm bảo luôn có đủ áp suất khí nén cho hệ thống phanh, duy trì an toàn ngay cả khi có rò rỉ nhỏ.
Các khớp nối ống dẫn khí được thiết kế để tháo lắp nhanh chóng, thuận tiện cho việc bảo dưỡng và thay thế linh kiện.
Bình chứa khí nén cung cấp một lượng khí dự trữ cho phép xe dừng an toàn ngay cả khi máy nén gặp sự cố hoặc có rò rỉ khí đáng kể.
Hệ thống phanh khí nén tạo ra lực phanh lớn và ổn định, đặc biệt hiệu quả với xe tải nặng và xe thương mại.

Nhược điểm

Số lượng bộ phận nhiều và yêu cầu kỹ thuật cao dẫn đến chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thường cao hơn so với các hệ thống phanh khác.
Sử dụng phanh liên tục có thể gây nóng má phanh, dẫn đến giảm hiệu quả phanh (fade).
Phanh khí nén có thể phản ứng rất nhanh, nếu không kiểm soát tốt có thể gây khóa bánh và trượt dài, đặc biệt trên xe tải nặng hoặc đường trơn trượt.
Trên đường trơn trượt, việc phanh gấp hoặc đạp phanh quá mạnh có thể làm tăng nguy cơ trượt ngang.
Do liên tục chịu áp suất cao và ma sát, các bộ phận của hệ thống phanh khí nén có thể dễ bị hao mòn và hư hỏng hơn theo thời gian.

Ứng dụng của phanh khí nén

Hệ thống phanh khí nén được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng tạo lực phanh mạnh mẽ và độ tin cậy cao:

Phương tiện vận tải hạng nặng: Đây là ứng dụng chính, bao gồm xe tải, xe buýt và xe đầu kéo. Phanh khí nén đáp ứng tốt yêu cầu về lực hãm lớn cần thiết để dừng các phương tiện có tải trọng cao một cách an toàn.
Xe chuyên dụng: Các loại xe đòi hỏi hiệu suất phanh và độ tin cậy tối đa như xe cứu hỏa, xe bồn thường sử dụng phanh khí nén do tính năng an toàn vượt trội.
Công nghiệp: Phanh khí nén được dùng để kiểm soát hoạt động và đảm bảo an toàn cho các loại máy móc công nghiệp.
Đường sắt: Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn vận hành cho các đoàn tàu.

>>Xem thêm: Rotuyn lái là gì? Dấu hiệu Rotuyn lái hỏng và cách kiểm tra

Phân biệt phanh khí nén với phanh thuỷ lực

Phanh khí nén và phanh thủy lực là hai loại phanh được sử dụng phổ biến hiện nay. Tuy nhiên nhiều người chưa phân biệt được 2 hệ thống phanh này khác nhau như thế nào và dùng loại nào sẽ tốt hơn.

Tiêu chí	Phanh Khí Nén	Phanh Thủy Lực
Cấu trúc	Cấu tạo phức tạp hơn, sử dụng khí nén làm môi chất truyền lực.	Cấu tạo đơn giản hơn, dùng chất lỏng (dầu phanh) để truyền lực.
Độ nhạy & An toàn	Phản ứng nhanh nhạy và độ an toàn cao hơn, có hệ thống dự phòng khi áp suất giảm.	Độ nhạy kém hơn và tiềm ẩn rủi ro mất phanh hoàn toàn khi rò rỉ dầu.
Phạm vi dùng	Thích hợp cho xe tải nặng, xe đầu kéo, xe buýt và các phương tiện đòi hỏi lực phanh lớn.	Phù hợp với xe du lịch, xe tải nhỏ và các loại xe có yêu cầu lực phanh vừa phải.
Nguy cơ hỏng hóc	Ít nguy cơ mất phanh hoàn toàn do nguồn khí nén có thể được bổ sung; khi sự cố xảy ra, áp suất giảm dần cho phép kích hoạt phanh khẩn cấp.	Dễ mất phanh hoàn toàn nếu hệ thống bị rò rỉ dầu phanh.
Chi phí	Chi phí đầu tư và bảo trì thường cao hơn.	Chi phí ban đầu và bảo dưỡng thường thấp hơn.

Cách chỉnh phanh khí nén xe tải

Để hệ thống phanh khí nén trên xe tải hoạt động tối ưu và an toàn, việc điều chỉnh định kỳ là rất quan trọng. Quy trình này bao gồm các bước cơ bản sau:

Bước 1: Đảm bảo áp suất khí nén đạt chuẩn

Kiểm tra áp suất trong bình chứa khí nén duy trì trong khoảng 8 đến 10 bar. Nếu thấp hơn, cần xác định và khắc phục sự cố ở máy nén khí.

Bước 2: Thiết lập khe hở má phanh chính xác

Đo khoảng cách giữa má phanh và bề mặt phanh (đĩa hoặc tang trống), lý tưởng là 0.2 đến 0.3 mm. Nếu sai lệch hãy tiến hành điều chỉnh để đảm bảo hiệu quả phanh và tránh bó cứng.

Bước 3: Điều chỉnh hành trình bàn đạp phanh hợp lý

Xác định quãng đường di chuyển của bàn đạp phanh từ vị trí nghỉ đến khi má phanh bắt đầu ăn vào bề mặt phanh, nên nằm trong khoảng 20 đến 30 mm. Điều này ảnh hưởng đến độ nhạy và phản ứng của phanh.

Bước 4: Kiểm tra sự cân bằng lực phanh giữa các bánh xe

Sử dụng thiết bị chuyên dụng để đo lực phanh tác động lên từng bánh, đảm bảo sự phân bổ đều để tránh hiện tượng lệch lái khi phanh gấp.

Bước 5: Đánh giá độ mòn của má phanh

Đo độ dày còn lại của má phanh so với tiêu chuẩn ban đầu, cần thay thế khi độ dày giảm xuống mức 2 đến 3 mm để duy trì hiệu suất phanh an toàn.

Lỗi thường gặp của phanh khí nén và cách khắc phục

Lỗi Thường Gặp	Nguyên Nhân Có Thể	Biện Pháp Khắc Phục
Hiệu suất phanh kém (không phanh/phanh yếu)	– Áp suất khí nén không đủ	– Kiểm tra và bổ sung khí nén đến mức quy định.
	– Rò rỉ khí nén trên đường ống hoặc các bộ phận khác	– Xác định vị trí rò rỉ và tiến hành sửa chữa hoặc thay thế.
	– Bầu phanh bị bó kẹt, không di chuyển trơn tru	– Vệ sinh, bôi trơn hoặc thay thế bầu phanh.
	– Má phanh đã mòn vượt quá giới hạn cho phép	– Thay thế má phanh mới đồng bộ.
Bàn đạp phanh nặng/cứng	– Van điều khiển phanh (bàn đạp) bị lỗi cơ học bên trong	– Thay thế van điều khiển phanh mới.
	– Đường ống dẫn khí bị tắc nghẽn	– Kiểm tra và làm sạch hoặc thay thế đường ống bị tắc.
	– Bầu phanh bị bó kẹt	– Vệ sinh, bôi trơn hoặc thay thế bầu phanh.
Bàn đạp phanh xì hơi	– Gioăng hoặc phớt làm kín trong van điều khiển bị hỏng	– Thay thế gioăng hoặc phớt làm kín bị lỗi.
	– Các mối nối ống dẫn khí bị lỏng hoặc hở	– Kiểm tra và siết chặt hoặc thay thế các mối nối bị rò rỉ.
Phanh bị bó cứng (không nhả hoàn toàn)	– Van xả khí của hệ thống bị kẹt hoặc hỏng	– Thay thế van xả khí mới.
	– Piston bên trong bầu phanh bị kẹt	– Vệ sinh, bôi trơn hoặc thay thế bầu phanh.
Phanh không nhả	– Lò xo hồi vị trong van điều khiển bị gãy hoặc yếu	– Thay thế lò xo hồi vị mới.
	– Piston bên trong bầu phanh bị kẹt	– Vệ sinh, bôi trơn hoặc thay thế bầu phanh.

Bảo dưỡng phanh khí nén

Bảo dưỡng định kỳ hệ thống phanh khí nén trên ô tô là một quy trình thiết yếu, đóng vai trò then chốt trong việc duy trì sự an toàn tuyệt đối, đảm bảo hiệu suất phanh tối ưu, kéo dài tuổi thọ của từng bộ phận và phòng ngừa những sự cố tiềm ẩn có thể gây nguy hiểm.

Lịch trình bảo dưỡng phanh khí nén

Kiểm tra hàng ngày (trước mỗi chuyến đi): Mức dầu bôi trơn máy nén khí, rò rỉ nén và độ mòn má phanh.
Kiểm tra hàng tuần: Áp suất khí nén hệ thống, hoạt động van điều khiển (bàn đạp phanh), độ kín đường ống dẫn khí.
Bảo dưỡng hàng tháng: Vệ sinh lọc gió máy nén khí, kiểm tra và thay thế chi tiết mòn/hỏng.
Bảo dưỡng 6 tháng 1 lần: Thay dầu bôi trơn và máy nén khí, kiểm tra và hiệu chỉnh hành trình bàn đạp phanh.
Bảo dưỡng hàng năm: Kiểm tra tổng thể hệ thống phanh, kiểm tra và điều chỉnh khe hở má phanh/guốc phanh.

Kiểm tra chi tiết một số hạng mục cần bảo dưỡng

Kiểm tra rò rỉ khí nén: Sau khi hệ thống đạt áp suất làm việc, tắt động cơ và lắng nghe cẩn thận. Sử dụng dung dịch xà phòng loãng bôi lên các mối nối, van và đường ống. Bọt khí xuất hiện cho thấy có rò rỉ, do đó hãy siết chặt hoặc thay thế các bộ phận bị rò rỉ.
Kiểm tra độ mòn má phanh: Tháo bánh xe để có cái nhìn rõ ràng về độ dày còn lại của vật liệu ma sát trên má phanh. So sánh với vạch chỉ báo mòn hoặc độ dày tối thiểu cho phép (thường được ghi trên má phanh hoặc trong tài liệu kỹ thuật). Thay thế má phanh theo cặp trên mỗi trục khi cần thiết.
Xả nước đọng trong bình chứa khí: Hàng tuần hoặc theo khuyến cáo, mở van xả ở đáy bình chứa để loại bỏ nước và cặn bẩn tích tụ giúp ngăn ngừa gỉ sét và tắc nghẽn.
Kiểm tra van an toàn: Kích hoạt van an toàn (thường bằng cách tăng áp suất hệ thống vượt quá giới hạn) để đảm bảo van hoạt động đúng chức năng và xả áp khi cần thiết.

Lưu ý khi bảo dưỡng phanh khí nén

Để đảm bảo chất lượng và an toàn, việc bảo dưỡng hệ thống phanh khí nén nên được thực hiện bởi các kỹ thuật viên có chuyên môn và kinh nghiệm tại các trung tâm dịch vụ uy tín.
Luôn sử dụng phụ tùng chính hãng hoặc các sản phẩm thay thế có chất lượng tương đương để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống phanh.
Tuân thủ lịch trình bảo dưỡng theo khuyến cáo của nhà sản xuất xe và điều kiện vận hành thực tế.
Không tự ý tháo lắp hoặc sửa chữa hệ thống phanh khí nén nếu không có đầy đủ kiến thức và dụng cụ chuyên dụng, vì sai sót có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

>>Xem thêm: Chassis là gì? Cấu tạo và vai trò của sắt xi xe tải

Lịch sử phát triển của phanh khí nén

Ý tưởng về phanh khí nén được George Westinghouse phát triển vào giữa thế kỷ 19, xuất phát từ nhu cầu về hệ thống phanh mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn cho ngành đường sắt đang phát triển. Bằng sáng chế năm 1869 của Westinghouse đã đánh dấu bước ngoặt, nhanh chóng được áp dụng trên các đoàn tàu mang lại sự cải thiện vượt trội về an toàn và hiệu quả so với các hệ thống phanh cơ khí thời bấy giờ. Sự thành công này đã đặt nền móng cho sự phát triển tiếp theo của công nghệ phanh khí nén.

Đến giữa thế kỷ 20, phanh khí nén bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trên các phương tiện vận tải đường bộ, đặc biệt là xe tải và xe buýt. Khả năng tạo ra lực phanh lớn và ổn định hơn so với phanh thủy lực đã khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các phương tiện hạng nặng có tải trọng lớn. Sự phổ biến này tiếp tục gia tăng, khẳng định vai trò không thể thiếu của phanh khí nén trong việc đảm bảo an toàn cho vận tải đường bộ.

Ngày nay, phanh khí nén đã trở thành tiêu chuẩn trên hầu hết các xe hạng nặng và không ngừng được cải tiến về công nghệ. Các hệ thống hiện đại tích hợp thêm nhiều tính năng tiên tiến như ABS, TCS và EBS nhằm tối ưu hóa hiệu suất phanh và nâng cao mức độ an toàn trong mọi điều kiện vận hành. Lịch sử phát triển của phanh khí nén là một quá trình liên tục đổi mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về an toàn và hiệu quả trong ngành giao thông vận tải.

Kết luận

Phanh khí nén là một hệ thống phanh mạnh mẽ và đáng tin cậy, đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo an toàn cho các phương tiện vận tải hạng nặng. Với lịch sử phát triển lâu dài và những cải tiến không ngừng, công nghệ này vẫn là lựa chọn hàng đầu cho nhiều dòng xe, bao gồm cả những mẫu xe tải chất lượng cao đang được Ô tô Ngọc Dũng phân phối góp phần mang đến sự an tâm cho người sử dụng trên mọi hành trình.