IN-DRIVE BRAKE อนาคตของระบบห้ามล้อที่ไม่ไกลเกินฝัน

ระบบห้ามล้อ หรือที่เราเรียกกันอย่างแพร่หลายว่า ระบบเบรค ได้รับการวิวัฒนาการมานับร้อยปีกว่าจะมีรูปลักษณ์อย่างที่เรารู้จักกันในทุกวันนี้ ที่เราคุ้นเคยกัน ก็เห็นจะเป็นระบบดิสค์เบรค (DISC BRAKE) หรือระบบเบรคแบบจาน และอีกชนิดหนึ่ง คือ ดรัมเบรค (DRUM BRAKE) ซึ่งนิยมใช้กันในล้อหลังของรถยนต์ทั่วไป และรถเพื่อการพาณิชย์ (ชื่อ “ดรัมเบรค” เกิดจากสันฐานที่ดูคล้ายกับรูปทรงของกลอง)

ทั้ง 2 แบบนั้น ถูกออกแบบให้สามารถชะลอความเร็วรถด้วย “แรงเสียดทาน” โดยใช้แรงดันของน้ำมันไฮดรอลิค หรือ “น้ำมันเบรค” ส่งไปจากแม่ปั๊มเบรค (MASTER CYLINDER) ที่สั่งงานด้วยการปั๊มจากแป้นเบรค (BRAKE PEDAL) บริเวณเท้าของผู้ขับ แรงดันนั้นจะถูกส่งไปยังลูกสูบเบรค (BRAKE CALIPER) ที่ติดตั้งอยู่ในชุดเบรคที่ล้อแต่ละข้าง เพื่อทำหน้าที่ดันผ้าเบรค (BRAKE PAD) ในกรณีของระบบดิสค์เบรค ลูกสูบจะวางอยู่ในรูปแบบ “ก้ามปู” คือ ผ้าเบรคจะเข้าไปประกบหนีบกับจานเบรค (BRAKE ROTOR) ที่ส่วนใหญ่จะทำจากเหล็กหล่อ (CAST IRON) ทำให้จานเบรคหมุนช้าลง 

ส่วนระบบดรัมเบรค จะกลับกัน โดยเป็นการ “ถ่าง” ผ้าเบรค ที่เป็นรูปทรงโค้งเข้ารูปกับผนังด้านในของฝาครอบ หรือตัวดรัม ในภาษาไทยเราจะเรียกผ้าเบรคของระบบดรัมเบรคว่า “ฝักเบรค” (มาจากลักษณะทางกายภาพที่ดูคล้ายฝักถั่ว) โดยในระบบดรัมเบรคแต่ละข้างจะมีฝักเบรค 2 ฝัก ประกอบด้วย “ฝักนำ” และ “ฝักตาม” ซึ่งทั้ง 2 ตัวนี้จะถูกถ่างเข้าเสียดสีกับผนังด้านในของตัว “ดรัม” เพื่อชะลอการหมุน 

ตามหลักการแล้ว ข้อได้เปรียบของระบบดิสค์เบรค คือ จานเบรคนั้นสัมผัสกับบรรยากาศภายนอก คือ มีลมที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของรถเคลื่อนผ่านจานเบรคอยู่ตลอด จึงช่วยระบายความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานของผ้าเบรคได้รวดเร็ว (รถสมรรถนะสูงมักแทนที่จานเบรคเหล็กที่ลดอุณหภูมิได้ช้า เป็นวัสดุก้าวหน้าอย่าง “คาร์บอนเซรามิคส์” ซึ่งลดอุณหภูมิสะสมจากการชะลอความเร็วได้ด้วยเวลาที่สั้นกว่า) ความร้อนที่เกิดจากการชะลอความเร็วรุนแรงต่อเนื่อง อาทิ การขับรถลงเขา หรือการใช้งานในสนามแข่ง จะส่งผลให้อุณหภูมิของน้ำมันเบรคสูงขึ้นจนเดือด และเมื่อเดือดแล้วจะเป็นฟอง ทำให้เมื่อเรากดคันแป้นเบรคจะรู้สึกว่าแป้นเบรคยวบนุ่มลงไป หรือที่เรียกว่า “เบรคเฟด” (FADED BRAKE) หรือ “เบรคแตก” ซึ่งการออกแบบให้จานเบรคมีครีบระบายความร้อนก็จะสามารถช่วยให้ลดความร้อนได้รวดเร็วเช่นกัน

ในรถที่ใช้ระบบ “ดรัมเบรค” ซึ่งเป็นระบบเก่าแก่ แต่มีประสิทธิภาพในการชะลอความเร็วได้ดี เนื่องจากมีหน้าสัมผัสเยอะกว่าดิสค์เบรค ผลิตง่าย และมีราคาถูก แถมยังอยู่ในระบบปิดที่มิดชิด ไม่ต้องดูแลรักษาบ่อย แต่มีข้อเสีย คือ มีการสะสมความร้อนสูง เนื่องจากการทำงานอยู่ในระบบปิดจึงลดความร้อนได้ช้า เสี่ยงต่ออาการเบรคแตกได้ง่าย 

ด้วยสาเหตุดังกล่าว ในรถราคาประหยัดจึงนิยมใช้ระบบเบรคผสมกัน นั่นคือ เบรคหน้าเป็นดิสค์เบรค เพื่อประสิทธิภาพการชะลอความเร็ว และลดความเสี่ยงด้านความร้อนสะสม ส่วนล้อหลังจะใช้ระบบดรัมเบรคที่มีราคาย่อมเยากว่า

ระบบดิสค์เบรคนั้นได้รับความนิยมมาช้านาน นับตั้งแต่ทศวรรษที่ 60 หรือกว่า 60 ปีมาแล้ว ที่มันได้กลายมาเป็นภาพลักษณ์ของรถสมรรถนะสูง และในปัจจุบัน ถือได้ว่าเป็นหน้าเป็นตาของเจ้าของรถอีกด้วย เพราะในอดีตนั้นตัวก้ามปูเบรคมักจะเป็นสีของโลหะทั่วไป แต่หลังจากที่บแรนด์ระบบเบรคชั้นนำของโลกอย่าง BREMBO (บเรมโบ) จากอิตาลี ได้นำเสนอก้ามปู หรือคาลิเพอร์เบรคสีแดงออกมา มันก็ได้รับความนิยมขึ้นทันที เพราะจะแยกชั้นวรรณะออกจากรถที่ใช้ระบบเบรคสามัญกับเบรคสมรรถนะสูงออกจากกันได้อย่างชัดเจน

ปัจจุบันมีการทำคาลิเพอร์เบรคให้มีสีสันสวยงามมากมาย อาทิ สีขาว สีดำ สีทอง สีแดง สีเหลือง สีส้ม สีฟ้า สีเขียว ฯลฯ ซึ่งในกรณีของรถบางยี่ห้อ สีสันของตัวคาลิเพอร์เบรคจะสื่อสารถึงรูปแบบของวัสดุที่ใช้ด้วย อาทิ สีแดง แปลว่า ตัวจานเบรคเป็นเหล็กหล่อ ส่วนสีเหลือง แปลว่า ตัวจานเบรคผลิตจากคาร์บอนเซรามิคส์ หรือสีฟ้าจะสื่อสารว่าเป็นรถรักษ์โลก (ไฮบริด) ส่วนคาลิเพอร์เบรคสีขาวนั้นใช้กับระบบเบรคของ PORSCHE (โพร์เช) ซึ่งมีการเคลือบผิวด้วยวัสดุชนิดพิเศษที่มีความแข็งที่ผิวคล้ายกับเพชร หรือ PSCB (PORSCHE SURFACE COATED BRAKE) ซึ่งจะช่วยลดการเกิดคราบเขม่าเบรค จึงมีความสะอาดสูง และลดการจับตัวของคราบเขม่าเบรคที่จะไปจับที่ตัวคาลิเพอร์เบรค โดยการใช้สีขาวก็เพื่อจะอวดว่ามันสะอาดกว่าปกตินั่นเอง

นอกจากสีสันที่สวยงามแล้ว ขนาดของคาลิเพอร์ กับจำนวนของลูกสูบเบรค หรือจำนวนของตัวคาลิเพอร์ของรถที่ใช้ระบบดิสค์เบรค ถือเป็นของที่นิยมนำมาอวดกัน ยิ่งมีจำนวนมากก็ยิ่งสะท้อนว่ารถคันนั้นมีสมรรนะสูง ปัจจุบันมักจะเริ่มต้นด้วยการใช้คาลิเพอร์เบรคหน้าอย่างน้อยข้างละ 4 ลูกสูบ หรือ 4 พอท ในรถที่มีสมรรถนะสูงมากก็อาจจะมีจำนวนมากถึง 8 ลูกสูบ หรือ 8 พอท ซึ่งการใช้คาลิเพอร์เบรคขนาดใหญ่ก็เพื่อสามารถติดตั้งกับจานเบรคที่มีขนาดใหญ่ และใช้กับผ้าเบรคที่มีพื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่มากขึ้นได้นั่นเอง ทั้งหมดนี้ช่วยทำให้เมื่อมองจากภายนอกจะเห็นจานเบรค และตัวคาลิเพอร์มีขนาดใหญ่พอดีกับพื้นที่ว่างภายในของล้อ เพื่อความสวยงาม

แต่ในขณะที่การเพิ่มขนาดของจานเบรค และคาลิเพอร์เบรคให้ใหญ่ขึ้น จะได้รับความนิยมมากในปัจจุบัน ก็ต้องเจอกับความขัดแย้งทางวิศวกรรมกลับมา นั่นคือ การกระทำนี้เท่ากับเป็นการเพิ่มน้ำหนักใต้สปริง หรือ UNSPRUNG MASS หรือน้ำหนักส่วนที่ไม่ได้รองรับด้วยสปริงนั้นสูงกว่าที่ควร ทำให้การควบคุมการเคลื่อนที่ขึ้น-ลงของล้อในขณะขับขี่ทำได้ไม่ดีเท่าที่ควร

ในอดีตมีรถบางบแรนด์ อาทิ JAGUAR (แจกวาร์) ใช้แนวคิด ระบบเบรค “อินบอร์ด” (INBOARD) เพื่อแก้ปัญหาน้ำหนักใต้สปริง คือ ในส่วนของล้อหลังของรถหลายรุ่นในอดีต อาทิ E-TYPE (อี-ไทพ์) แทนที่จะนำเอาระบบเบรคไปติดไว้ที่ล้อ กลับนำเอาระบบเบรคไปติดขนาบไว้กับเฟืองท้ายแทน แน่นอนว่า มันได้กลายเป็นน้ำหนักเหนือสปริงโดยปริยาย และทำให้พื้นที่ภายในล้อหลังโล่ง ซึ่งน้ำหนักใต้สปริงจะเหลือเพียงน้ำหนักของล้อ และยางเท่านั้น แต่มันก็มาพร้อมกับปัญหาชัดเจน นั่นคือ การดูแลรักษาลำบากกว่าเมื่อเทียบกับระบบทั่วไป

การเปลี่ยนแปลงแนวคิดด้านการพัฒนาระบบเบรค ได้เกิดขึ้นอีกครั้งในยุคของรถไฟฟ้า เพราะระบบ “ชะลอความเร็วด้วยการปั่นไฟย้อนกลับ” หรือ REGENERATIVE BRAKING ที่ว่ากันว่าใช้ระบบนี้มากถึง 98 % ของการชะลอความเร็วในชีวิตประจำวัน และการใช้งานระบบเบรคอย่างที่เราคุ้นเคยลดเหลือเพียง 2 % เท่านั้น นั่นคือ ใช้เฉพาะสถานการณ์ฉุกเฉิน ที่ต้องการความรวดเร็วในการชะลอความเร็วจริงๆ ดังนั้น ระบบเบรคของรถไฟฟ้าส่วนใหญ่จึงมีความสึกหรอต่ำ ใช้งานได้ยาวนานกว่าจะได้เปลี่ยนผ้าเบรคสักครั้ง 

เริ่มต้นจากค่าย VOLKSWAGEN (โฟล์คสวาเกน) ที่มองเห็นถึงธรรมชาติที่เปลี่ยนไปของการเบรค พวกเขาจึงตัดสินใจที่จะหันกลับมาใช้ระบบเบรคแบบดรัมในส่วนของล้อหลังอีกครั้ง เพราะเห็นได้ชัดว่ามันมีความจำเป็นน้อยลง และการเบรคจะเกิดขึ้นที่ล้อหน้าเป็นหลัก โดยเมื่อชะลอความเร็วอย่างรวดเร็ว น้ำหนักรถก็จะถ่ายเทไปทางด้านหน้า ดังนั้นภาระงานจึงตกอยู่กับล้อหน้ามากกว่า

ส่วนวิศวกรของค่าย MERCEDES-BENZ (เมร์เซเดส-เบนซ์) เมือง SINDELFINGEN ในเยอรมนี ตระหนักถึงเรื่องนี้เช่นกัน จึงได้ทำการพัฒนาระบบเบรคที่เหมาะสมกับรถไฟฟ้าขึ้นมาในชื่อของ IN-DRIVE BRAKE (อิน-ดไรฟ เบรค) ที่พวกเขาเรียกมันว่า “เบรคแห่งอนาคต” ซึ่งหลักการของมันดูเผินๆ จะคล้ายกับระบบเบรคแบบ “อินบอร์ด” นั่นคือ การย้ายจานเบรค และก้ามปูมาติดตั้งขนาบกับมอเตอร์ไฟฟ้า และทั้งหมดนี้ติดตั้งในระบบปิด 

โครงสร้างของ IN-DRIVE BRAKE แตกต่างจากจานเบรค และคาลิเพอร์เบรคที่เราคุ้นเคยกัน เพราะแทนที่ผ้าเบรคจะอยู่นิ่งแล้วบีบเข้าหาจานเบรคที่หมุน แต่ในระบบนี้ส่วนที่เคลื่อนที่กลับเป็น “จานผ้าเบรค” ที่ต่อเข้ากับมอเตอร์ โดยรูปลักษณ์ของมัน คือ จานรูปวงแหวนที่มีผ้าเบรคเต็มพื้นที่ และมีความฝืดทั้ง 2 ด้าน การชะลอความเร็วจะทำโดยการผลักให้วงแหวนผ้าเบรคเข้าไปอัดกับจานโลหะที่อยู่กับที่แทน เหตุผล คือ มันระบายความร้อนผ่านทางตัวจานโลหะที่อยู่นิ่ง โดยการลดอุณหภูมินั้นจะทำด้วยของเหลวระบบเดียวกับการระบายความร้อนให้แบทเตอรี และมอเตอร์ไฟฟ้า

IN-DRIVE BRAKE นี้เป็นการติดตั้งเบรคในระบบปิด นั่นคือ ระบบเบรคจะมีชุดเสื้อที่เป็นอลูมิเนียม (ALUMINUM HOUSING) ครอบอยู่ เพื่อลดโอกาสในการปล่อยให้ฝุ่นผงเบรคหลุดลอดออกมาในสภาพแวดล้อม โดยบริเวณฐานของชุดครอบนี้จะมีกล่องสำหรับเก็บฝุ่นจากการเบรคไว้ และจะถูกนำไปทำลายเมื่อเข้ารับบริการ ซึ่งเอาจริงๆ ก็เกือบ 15 ปี หรือ 300,000 กิโลเมตร ถึงจะต้องทำสักครั้ง ซึ่งสอดคล้องกับมาตรฐานยูโร 7 ที่จะถูกนำมาใช้ในปี 2026 ที่ไม่เพียงแต่สนใจเรื่องการปล่อยมลภาวะจากไอเสีย แล้วยังมองลึกลงไปที่ฝุ่นที่เกิดจากการเสียดสีของยาง และระบบเบรคด้วย

สิ่งที่ได้รับจากแนวคิด “IN-DRIVE BRAKE” คือ สามารถลดน้ำหนักลงไปถึง 90 กิโลกรัม จากการหายไปขององค์ประกอบที่เกี่ยวข้องจำนวนมาก และเมื่อน้ำหนักใต้สปริง หรือ UNSPRUNG MASS ลดลง ก็จะทำให้ระบบรองรับมีน้ำหนักรวมลดลงมาก ซึ่งส่งผลดีต่อการทำงาน ทำให้มีความนุ่มนวลเพิ่มขึ้นขณะขับขี่ และการที่มันไม่ต้องการระบายความร้อนด้วยอากาศที่บริเวณดุมล้อเหมือนระบบเบรคทั่วไป จึงสามารถออกแบบให้ล้อเป็นแบบปิดสนิทได้ ซึ่งช่วยลดแรงต้านอากาศได้เป็นอย่างดี 

เมื่อมีข้อดีก็ย่อมต้องมีข้อเสีย นั่นคือ ต้องหาทางจัดการเรื่องการระบายความร้อนที่เกิดในชุดฝาครอบให้ได้ แม้จะไม่ได้เกิดขึ้นบ่อย เพราะการเบรคอย่างหนักหน่วงเกิดขึ้นน้อย แต่เมื่อถึงเวลาต้องใช้การเบรคหนักมันจะเกิดความร้อนสูงมาก ดังนั้น การออกแบบระบบระบายความร้อนถือเป็นความท้าทายสำคัญ เพราะในขณะที่ส่วนของแบทเตอรีก็จะมีความร้อนประมาณ 30-40 องศาเซลเซียส ส่วนมอเตอร์ไฟฟ้าก็จะอยู่ราว 80-90 องศาเซลเซียส แต่ส่วนของเบรคนั้นจะสามารถมีอุณหภูมิขึ้นไปได้เกิน 150 องศาเซลเซียส ความยากลำบาก คือ ทำอย่างไรจึงจะไม่ทำให้ความร้อนที่ของเหลวนำพามาจากระบบเบรคไม่ไปลดประสิทธิภาพในการระบายความร้อนของส่วนอื่น และนี่คือ หนึ่งความท้าทายที่ทีมงานต้องเผชิญ 

ปัจจุบันยังไม่มีความชัดเจนว่า “IN-DRIVE BRAKE” จะถูกนำมาใช้งานจริงได้เมื่อไหร่ แต่ที่แน่ๆ คือ หากมีการใช้ระบบนี้ในอนาคต เรื่องจานเบรคขึ้นสนิม หรือเสียงเบรคผิดปกติจากสนิมเกาะ จะกลายเป็นอดีตไปทันที !