Các mẫu xe hiện đại ngày này hầu hết đều được trang bị hệ thống phanh ABS như một trang bị an toàn không thể thiếu. Antilock Braking Systems (ABS) là hệ thống chống bó cứng phanh giúp an toàn khi phanh. Vậy hệ thống này hoạt động như thế nào ?

Nếu học lái xe cách đây vài thập kỷ, khi hệ thống phanh của xe hoàn toàn là phanh cơ khí, chúng ta sẽ nhận được lời khuyên để an toàn khi sử dụng phanh cần áp dụng kỹ năng nhấn thả phanh liên tục. Nhờ thao tác này mà phanh sẽ không bị bó cứng, bánh xe vẫn có thể lăn trong khi phanh, không bị trượt trên mặt đường và nhờ vậy vẫn có thể điều khiển được tay lái trong khi phanh xe.



Tuy nhiên kỹ thuật phanh nhấn thả thủ công này chỉ áp dụng cho những tài xế có phản ứng rất nhanh nhẹn, nhiều kinh nghiệm và thật bình tĩnh mới áp dụng được, nhưng hiệu quả cũng không cao. Vẫn có những quãng thời gian xe bị mất điều khiển xen kẽ, đó là chưa kể đến khi tập trung vào việc nhịp phanh, người điều khiển có thể mất tập trung trong việc điều khiển tay lái. Vì vậy từ năm 1929 một kỹ sư người Pháp đã nghĩ ra một hệ thống phanh nhịp tự động hoạt động hoàn toàn bằng cơ khí, tuy nhiên hệ thống này không phát triển được do không thực sự tăng thêm độ an toàn như mong muốn.

Đến năm 1971 trở về sau, nhờ vào sự hỗ trợ của công nghệ thông tin và cảm biến (sensor), các hãng ô tô mới cho ra đời các hệ thống ABS đầu tiên và đặt nhiều tên khác nhau như Sure Brake, Trackmaster, Electro Anti-lock System... Nhưng phải đến năm 1985, khi tốc độ làm việc của bộ vi xử lý và của các cảm ứng (sensor) đã được nâng cao, các thiết bị điều khiển bằng điện (drive by wire) ngày càng nhiều, hệ thống ABS mới thực sự an toàn và hiệu quả và được trang bị như một tùy chọn ở các thương hiệu xe cao cấp. Đến năm 1988, ABS mới được BMW trang bị trên xe máy. Ngày nay ABS trở thành tiêu chuẩn ở các loại xe đời mới.

Sự phát triển của ABS sở dĩ gian nan như vậy bởi vì ABS thực sự an toàn và hiệu quả không chỉ đơn thuần là một máy nhịp phanh tự động. Chế tạo một máy tự động nhịp phanh rất dễ dàng, có thể hoàn toàn bằng công nghệ cơ khí, không cần đến công nghệ thông tin và công nghệ "drive by wire". Nhưng ABS thực sự an toàn và hiệu quả là hệ thống tự động nhịp phanh ở ngưỡng phanh nên phải cần đến công nghệ thông tin và sensor và công nghệ "drive by wire". Và ABS làm được điều này nhanh hơn hàng chục lần so với bất cứ lái xe lão luyện nào.

Lực ma sát

Trong quá trình phát triển, ABS có nhiều tên gọi: "Phanh chống trượt", "Phanh bảo đảm" là gọi theo mục đích sử dụng; gọi theo biện pháp kỹ thuật là "Phanh chống bó cứng". Ngày nay thông dụng hơn cả là tên "Hệ thống chống bó cứng Phanh" (ABS). Chìa khóa của "Phanh chống bó cứng" là lực phanh không vượt "ngưỡng" và cũng không thấp hơn "ngưỡng" nhiều.

Như vậy để hiểu được ABS hoạt động như thế nào chúng ta phải hiểu được "ngưỡng phanh". Và để hiểu được "ngưỡng phanh" chúng ta cần biết về lực ma sát.

Các nhà khoa học chia lực ma sát làm nhiều loại. Ở đây chúng ta chỉ cần tìm hiểu 3 loại: ma sát tĩnh hay ma sát nghỉ (Static friction), ma sát động hay ma sát trượt (Kinetic, Dynamic friction), ma sát lăn hay lực kháng lăn (Rolling friction, Rolling resistance).

Độ lớn của lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa 2 bề mặt ma sát, mà phụ thuộc vào áp lực ở mặt tiếp xúc và hệ số ma sát (chất liệu và hình dạng bề mặt tiếp xúc). Tuy nhiên quy luật độ lớn của lực ma sát sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa 2 bề mặt của lực ma sát còn đang là vấn đề gây tranh cãi, chúng ta sẽ trở lại vấn đề tranh cãi này trong phần ma sát lăn.

Ma sát tĩnh hay ma sát nghỉ (Static friction), còn được gọi là lực bám dính

Ma sát tĩnh hiện diện mọi lúc mọi nơi trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Ta bước đi được là nhờ bàn chân ta với nền nhà có lực ma sát, nếu không sẽ bị "trượt vỏ chuối" và ngã vỡ đầu. Ta cầm nắm được mọi vật nhờ bàn tay ta và vật đó có lực ma sát tĩnh. Mọi vật để trên bàn không bị rơi xuống đất nhờ ma sát tĩnh với mặt bàn, nếu không chỉ cần một lay động nhẹ của không khí vật đó sẽ bay ra khỏi mặt bàn. Vậy ma sát tĩnh là lực giữ yên 2 hay nhiều vật thể, không di chuyển so với nhau. Nói khác đi lực ma sát tĩnh chính là lực kết dính và trong lái xe ta gọi là lực bám đường (grip), là cơ sở của lực kéo (traction).

Độ lớn tối đa của ma sát tĩnh được xác định là độ lớn lực có thể chuyển ma sát tĩnh thành ma sát trượt.

Ma sát trượt hay ma sát động (Kinetic or dynamic friction)

Một thùng sắt đang nằm cố định trên sàn nhà, có nghĩa là mặt đáy đang chịu một lực ma sát tĩnh với sàn nhà. Nếu ta đẩy thùng và nó không nhúc nhích chứng tỏ rằng lực tác động vào thùng không đủ lớn để thắng lực ma sát tĩnh. Khi thêm người đẩy, thùng sắt có thể dịch chuyển, lúc này lực đẩy đã lớn hơn ma sát tĩnh tức là lớn hơn lực bám dính, lực đẩy lúc này là độ lớn của ma sát tĩnh. Khi đã có đà, có thể bớt người đẩy phụ mà thùng sắt vẫn dịch chuyển vì lúc này giữa thùng và sàn nhà đã là ma sát trượt, bớt lực đẩy thùng sắt vẫn dịch chuyển.

Cùng một chất liệu, cùng hệ số ma sát, ma sát trượt nhỏ hơn ma sát tĩnh. Ma sát trượt xảy ra khi 2 hay nhiều vật thể dịch chuyển so với nhau. Hiện tượng trượt xảy ra khi lực đẩy lớn hơn ma sát tĩnh (lực bám).

Trở lại với thí nghiệm đẩy thùng sắt, nếu thùng sắt không nặng lắm, một người có thể đẩy thùng trượt trên sàn nhà. Nếu người này đẩy thùng sắt lòng vòng trên sàn nhà với mục đích thể dục giảm béo, anh ta cần tiêu hao năng lượng trong thời gian nhanh nhất và quãng đường ngắn nhất. Anh ta cần người khác bỏ thêm nhiều vật nặng vào thùng trong khi đang đẩy để tăng áp lực và lực ma sát giữa thùng và sàn nhà, giúp anh mau chóng xả bỏ năng lượng dư thừa. Khi chỉ cần bỏ thêm một vật nặng vào thùng cũng khiến anh ta đuối sức, đẩy chậm lại, thể hiện sắp đến lúc không đẩy nổi nữa và nếu lấy vật này ra anh ta tiếp tục được thì đây chính là ngưỡng ma sát. Nếu đáy thùng là bố phanh và sàn nhà là tang trống hay đĩa phanh thì đây chính là "ngưỡng phanh".

Ma sát lăn còn gọi là lực kháng lăn (Rolling friction, Rolling resistance): xảy ra khi một vật thể lăn trên vật thể khác. Ma sát lăn nhỏ nhất, ma sát lăn nhỏ hơn hàng chục lần ma sát trượt và nhỏ hơn vài chục lần ma sát tĩnh. Bánh xe, bạc đạn là những thiết bị điển hình tận dụng ma sát lăn để làm giảm lực ma sát.

Đối với ma sát lăn, quy luật: "Độ lớn của lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa 2 bề mặt ma sát" là ngoại lệ. Vì nếu vật lăn có hình cầu lăn trên bề mặt tuyệt đối phẳng, cả 2 đều rất cứng thì nơi tiếp xúc chỉ là một điểm. Nếu vật lăn hình trụ, thì nơi tiếp xúc là đoạn thẳng. Điểm và đường thẳng không có diện tích. Quy luật ma sát 1 trở nên vô nghĩa.

Trên thực tế, bánh xe là vật liệu cao su nên bị biến dạng và đàn hồi khi lăn, quá trình biến dạng và lấy lại hình dạng ban đầu sẽ tạo ra "ma sát nội". Tương tự như ta bẻ cong 1 thanh sắt dẻo, thanh sắt nóng lên do đã biến động năng thành nhiệt năng. Tiết diện thanh sắt càng lớn càng hấp thu nhiều động năng, diện tích biến dạng lốp xe càng lớn lực kháng lăn càng lớn. Lốp xe có bề ngang to bám đường tốt hơn lốp hẹp. Lốp xe có đường kính lớn kháng lăn ít hơn lốp bé.

Cơ chế vận hành của phanh và ngưỡng phanh:

Khi xe đang di chuyển, nó mang trong mình một động năng quán tính, động năng này tỷ lệ thuận với khối lượng và tốc độ di chuyển của xe. Để xe ngừng, động năng quán tính này phải được triệt tiêu.

 ​

Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng, động năng này không thể tự nhiên biến mất, nó chỉ có thể chuyển động năng qua vật thể khác (khi xảy ra va chạm) hay hóa thành 1 dạng năng lượng khác. Dạng năng lượng khác có thể là điện năng như ở hệ thống thu hồi năng lượng ở những xe hybrid, hoặc nhiệt năng. Động năng quán tính của xe có thể biến thành nhiệt năng ở 2 nơi: phanh và bánh xe.

Phanh là thiết bị biến động năng của xe thành nhiệt năng, bằng cách tạo ra ma sát trượt ở bố phanh với tang trống hay pít tông phanh với đĩa phanh. Phanh an toàn không tạo ra ma sát trượt ở mặt tiếp xúc lốp với mặt đường, vì như thế xe sẽ bị mất điều khiển.

Lực ma sát trượt ở phanh càng lớn, phanh càng tỏa ra nhiều nhiệt, thời gian và quãng đường dừng xe được rút ngắn. Nhưng nếu lực phanh lớn hơn ngưỡng phanh, bố phanh sẽ bó cứng đĩa phanh, ma sát trượt ở phanh biến thành ma sát tĩnh, lúc này phanh không thể biến động năng thành nhiệt năng. Nếu động năng quán tính còn lớn (khi tốc độ xe từ 16 đến 20 km/h), động năng sẽ chuyển đến bánh xe, lúc này bánh xe bị khóa cứng, gây nên ma sát trượt ở bánh xe với mặt đường, sản sinh nhiệt năng tại đây, xe sẽ chỉ dừng khi toàn bộ động năng của xe biến thành nhiệt năng. Khi bánh xe bị trượt, xe sẽ bị mất điều khiển, nhiệt lượng sinh ra có thể làm bánh xe bốc khói, bánh xe có thể bị phá hủy. Lực phanh yếu sẽ khiến thời gian và quãng đường dừng xe kéo dài, có thể gây va chạm. Ngưỡng của lực phanh là điểm tối ưu, tại đó lực ma sát trượt giữa bố phanh và đĩa phanh là tối đa, nếu vượt quá phanh bắt đầu bị khóa cứng và bánh xe bắt đầu trượt.

Tuy nhiên "ngưỡng phanh" biến đổi liên tục, nó là một biến số phụ thuộc vào tốc độ xe, nhiệt độ bố phanh và đĩa phanh, độ nhám hay trơn của mặt đường tại từng đoạn đường, nhiệt độ của lốp xe. Nên để duy trì được ngưỡng phanh và xe không bị trượt, ngoài đòi hỏi hệ thống phanh phải rất nhạy, các sensor và bộ vi xử lý cũng phải rất nhanh và chính xác.