Ewolucja i charakterystyka strukturalna głównych cylindrów hamulców hydraulicznych w samochodach

Odkąd Karl Benz zbudował pierwszy jedno-trójkołowy-samochód w 1885 r., pojazdy towarzyszą rozwojowi społecznemu ludzkości od ponad stulecia. Układ hamulcowy, jako najważniejszy układ bezpieczeństwa pojazdu, podlega ciągłej ewolucji wraz z postępem motoryzacji. Jako serce dostarczania energii w hydraulicznym układzie hamulcowym, główny cylinder hamulca hydraulicznego był wielokrotnie przeprojektowywany i ulepszany.

Trajektorię rozwoju głównego cylindra hamulcowego można prześledzić przez kilka głównych etapów: główny cylinder hamulcowy z jednym-obwodem, typ zaworu-ciśnienia resztkowego-, główny cylinder z podwójnym-obwodem (tandem) oraz konfiguracje zaprojektowane tak, aby spełnić-wymagania układu przeciwblokującego (ABS) i elektronicznego programu stabilizacji toru jazdy (ESP). Na każdym etapie pojawiały się różnice, które odpowiadały konkretnym potrzebom projektowym i wydajnościowym. W artykule omówiono ścieżkę rozwoju każdej głównej konfiguracji, cechy konstrukcyjne, zasady działania i względy produkcyjne.

Przed rokiem 1967 większość głównych cylindrów samochodowych składała się z prostych-pojedynczych zbiorników z jednym tłokiem i jedną uszczelką. Architektura ta miała istotną wadę: w przypadku wycieku cylindra koła, uszkodzenia przewodu hamulcowego lub uszkodzenia pojedynczego uszczelnienia wewnętrznego, kierowca mógł całkowicie utracić zdolność hamowania.

Przełom w kierunku redundancji bezpieczeństwa nastąpił w 1962 r., kiedy Cadillac wprowadził dwuobwodowy układ hamulcowy z oddzielnymi przednimi i tylnymi przewodami hydraulicznymi. Jeżeli w jednym obwodzie doszłoby do nieszczelności, drugi mógłby nadal zatrzymać pojazd. Firma American Motors również wcześnie przyjęła układy-z dzielonymi cylindrami, chociaż ich ukośna-podzielona architektura dzieliła obwody między jednym przednim kołem a jednym tylnym kołem po przeciwnych stronach-co poprawiło bezpieczeństwo, ale nie zapewniało jeszcze całkowitego oddzielenia przodu-tyłu.

Kilku producentów pracowało niezależnie nad systemami dwucylindrowymi-oferującymi wbudowaną-redundancję. Wagner Electric był jednym z pierwszych, którzy odnieśli sukces. Prawdziwy punkt zwrotny nastąpił w 1967 r., kiedy rząd federalny Stanów Zjednoczonych nakazał, aby wszystkie pojazdy były wyposażone w podwójny-główny cylinder hamulcowy z oddzielnymi obwodami na wypadek awarii przewodu lub innych usterek.

Współczesne główne cylindry-z dwoma obwodami zazwyczaj mają dwie oddzielne komory oddzielające przedni i tylny obwód hamulcowy, chociaż w niektórych konfiguracjach nadal są one podzielone po przekątnej. Takie rozwiązanie zapobiega całkowitej utracie skuteczności hamowania w przypadku uszkodzenia jednej uszczelki lub powstania nieszczelności. Ponad 75% hamowania realizowane jest przez przednie koła, co oznacza, że ​​awaria tylnego hamulca może pozostać niezauważona przez kierowcę, ale przednie pozostają w pełni sprawne.

Operacyjnie, gdy pedał hamulca jest wciśnięty, siła przekazywana jest przez popychacz-na tłok głównego cylindra. Tłok zawiera dwie uszczelki i porusza się w dwóch komorach, z linią przydzieloną do każdego obwodu. Gdy tłoki są wypychane do przodu, wytwarza się ciśnienie hydrauliczne i przesuwa większe tłoki w zaciskach lub cylindrach kół, zatrzymując koła.

1.1 Opis ogólny

Główny cylinder hamulcowy-typu nurnikowego-z podwójnym-obwodem-określany także w niektórych publikacjach branżowych jako typ bez otworu lub z centralnym{{3}zasilaniem-, stanowi zasadnicze odejście od konwencjonalnej architektury głównego cylindra. Zamiast umieszczać porty kompensacyjne w ściance cylindra, w tej konstrukcji kanały kompensacyjne umieszcza się na samym tłoku. Ta pozornie prosta zmiana położenia niesie ze sobą znaczące implikacje dla integracji systemu, trwałości przy cyklicznych zmianach ABS/ESP i kompaktowego opakowania.

Główny cylinder-z tłokiem ma zwartą konstrukcję. Jego wewnętrzne elementy teleskopują się razem niczym sekcje anteny, umożliwiając płynne wysuwanie i chowanie całego zespołu. Ten teleskopowy układ znacznie zmniejsza osiowośćdługość instalacji-zazwyczajokoło połowyniż w przypadku konwencjonalnych głównych cylindrów-przy jednoczesnym spełnieniu wymagańrygorystyczna hydraulikawymagania dotyczące przepływu nowoczesnych układów ABS i ESP.

1.2 Charakterystyka strukturalna

Najbardziej charakterystyczną cechą głównego cylindra-tłokowego jest umieszczenie otworów kompensacyjnych na tłoku, a nie w ściance cylindra. Taka konstrukcja eliminuje ostre krawędzie konwencjonalnego-otworu bocznego, który w przeszłości był głównym miejscem awarii głównych uszczelek miskowych. Zapewnia także znacznie większy całkowity obszar przepływu kompensacyjnego.-Na obwodzie tłoka można umieścić wiele otworów.

Dodatkowo, ponieważ cała efektywna długość tłoka jest wykorzystywana do uszczelniania kontaktu ze ścianką cylindra, całkowita długość korpusu cylindra może zostać znacznie zmniejszona.

1.3 Zasada działania

W stanie spoczynku obwody pierwotny i wtórny są otwarte na zbiornik poprzez otwory kompensacyjne-zamontowane na tłoku. Kiedy kierowca wciśnie pedał hamulca, tłok główny przesuwa się do przodu. Porty kompensacyjne przebiegają obok głównego uszczelnienia miskowego, które teraz porusza się po gładkiej, nieprzerwanej powierzchni otworu. Po ominięciu portów komora ciśnieniowa zostaje uszczelniona i wzrasta ciśnienie hydrauliczne, dostarczając płyn do obwodów hamulcowych.

Po zwolnieniu pedału tłok powraca pod wpływem siły sprężyny. Porty kompensacyjne-wchodzą ponownie w obszar za główną uszczelką miseczki,-przywracając komunikację między komorą ciśnieniową a zbiornikiem, umożliwiając przepływ płynu z powrotem i uzupełnienie komory w razie potrzeby.

1.4 Kluczowe różnice w stosunku do konwencjonalnych konstrukcji głównych cylindrów

• 1.4.1 Znacząco zmniejszona długość osiowa

Ponieważ elementy wewnętrzne wzajemnie się teleskopują, całkowita długość montażu może wynosićdrastycznie skrócony-często do mniej więcej połowy wartości konwencjonalnej pompy głównej typu tandem o porównywalnej średnicy otworu i objętości wyjściowej. Ta zaleta opakowania ma kluczowe znaczenie w przypadku pojazdów o ciasnym układzie przedziału silnika.

• 1.4.2 Bezpośrednia kompatybilność z systemami ABS

Konwencjonalne główne cylindry z otworami-kompensującymi ścianki wykazały wysoki współczynnik uszkodzeń pierwotnej uszczelki misy w przypadku stosowania z ABS. Przyczyna leży w dynamice działania ABS: podczas aktywnych cykli ABS, system wielokrotnie uwalnia i ponownie-zwiększa ciśnienie płynu hamulcowego. Powoduje to, że tłok głównego cylindra oscyluje w wąskim zakresie. W konwencjonalnej konstrukcji ta oscylacja często powoduje ustawienie głównego uszczelnienia miskowego dokładnie w miejscu portu kompensacyjnego. Pod wysokim ciśnieniem miseczka uszczelniająca jest wciskana w otwór portu, co prowadzi do szybkiego zużycia uszczelki, przecięć lub awarii wytłaczania.

W konstrukcji tłokowej-porty kompensacyjne poruszają się wraz z tłokiem. Główna uszczelka miskowa styka się wyłącznie z gładką ścianką cylindra w całym zakresie skoku. Żadna krawędź otworu nie styka się z uszczelką w żadnym położeniu tłoka, co praktycznie eliminuje ten rodzaj awarii.

• 1.4.3 Zgodność z wysokimi-wymaganiami przepływu ESP

Systemy elektronicznego programu stabilizacji toru jazdy (ESP), coraz bardziej wymagane na całym świecie, wymagają, aby pompa główna dostarczała duże ilości płynu hamulcowego w bardzo krótkich odstępach czasu w celu automatycznej interwencji hamulca. Konstrukcja typu tłokowego- spełnia ten wymóg dzięki możliwości włączenia wielu dużych otworów kompensacyjnych rozmieszczonych wokół obwodu tłoka. Konstrukcja ta stała się preferowaną architekturą dla pojazdów wyposażonych w ESP.

1.5 Specyfikacje produkcyjne głównych cylindrów-nurnikowych

Prawidłowe uszczelnienie pomiędzy głównym uszczelnieniem misy a tłokiem musi być zrównoważone w kontekście konieczności przepływu płynu przez uszczelkę misy w fazie kompensacji. Dodatkowo płynne przesuwanie bez zacięć wymaga precyzyjnej kontroli okrągłości otworu, prostoliniowości tłoka i wykończenia powierzchni.

2 Centralny zawór podwójny-główny cylinder hamulcowy

2.1 Opis ogólny

Główny cylinder-z zaworem centralnym został opracowany specjalnie do użytku w pojazdach wyposażonych-w ABS. Podobnie jak konstrukcja z tłokiem, eliminuje ona konwencjonalny otwór-kompensujący ściankę, ale osiąga to za pomocą innego mechanizmu: wewnętrznego-zaworu obciążonego sprężyną, umieszczonego pośrodku każdego tłoka.

Patenty opisujące konfiguracje zaworów środkowych w hydraulicznych układach hamulcowych-z przeciwblokadą sięgają połowy lat 90. XX wieku, a główni producenci, w tym firma Bosch, opracowali własne wersje produkcyjne na początku XXI wieku. Konstrukcja okazała się szczególnie odpowiednia do zastosowań w samochodach osobowych, gdzie przestrzeń do pakowania jest mniej ograniczona, ale trwałość ABS pozostaje priorytetem.

2.2 Charakterystyka strukturalna

Cechą charakterystyczną głównego cylindra z zaworem centralnym jest całkowity brak otworów kompensacyjnych w ściance cylindra. Zamiast tego każdy tłok zawiera osiowy zawór centralny-składający się z małej sprężyny, grzybka lub kuli zaworu oraz gniazda uszczelniającego-kontrolującego komunikację płynu między komorą ciśnieniową a zbiornikiem. Otwór cylindra jest całkowicie gładki od pozycji spoczynkowej przez całą długość skoku, zapewniając nieprzerwaną powierzchnię uszczelniającą dla głównych uszczelek miskowych.

Taka konstrukcja eliminuje ostrą krawędź otworu kompensacyjnego, która w konwencjonalnych konstrukcjach uszkadza główne uszczelki miskowe.

2.3 Różnice w stosunku do konwencjonalnych konstrukcji głównych cylindrów

Zasadnicza różnica ma charakter konstrukcyjny: główne cylindry typu-z zaworem centralnym zawierają zawór centralny i nie mają otworów kompensacyjnych. Konwencjonalne główne cylindry mają porty kompensacyjne i nie mają centralnego zaworu.

Konsekwencja funkcjonalna jest równie znacząca. W konstrukcji konwencjonalnej główna uszczelka misy wielokrotnie przechodzi przez krawędź otworu kompensacyjnego podczas normalnego hamowania. Ten mechanizm zużycia jest znacznie przyspieszany w zastosowaniach ABS, gdzie tłok oscyluje szybko w pobliżu położenia portu. W konstrukcjach z zaworem centralnym-uszczelka miskowa nigdy nie napotyka żadnego otworu w ściance otworu, co znacznie wydłuża żywotność uszczelki i cylindra.

Szczególnie w przypadku zastosowań ABS różnica ta jest krytyczna. Kiedy aktywne cykle ABS powodują pulsacje ciśnienia w komorach ciśnieniowych głównego cylindra, główna uszczelka miskowa w konstrukcji zaworu centralnego po prostu przesuwa się po gładkiej powierzchni otworu, nie podlegając pulsowaniu ciśnienia, które wpychałoby konwencjonalną uszczelkę do otworu portu.

2.4 Zasada działania

W stanie spoczynku zawór centralny jest utrzymywany w pozycji otwartej dzięki sile sprężyny i mechanicznej geometrii ogranicznika. Płyn hamulcowy ze zbiornika przepływa przez zawór, wokół grzybka i do komory ciśnieniowej. Kiedy kierowca wciśnie pedał hamulca i rozpocznie się ruch tłoka, siła sprężyny zaworu stopniowo pokonuje się, a gniazdo zaworu zamyka się na grzybku. Po uszczelnieniu komora ciśnieniowa jest odizolowana od zbiornika, a dalszy ruch tłoka powoduje zwiększenie ciśnienia uwięzionego płynu, dostarczając go do obwodów hamulcowych.

Po zwolnieniu pedału ciśnienie sprężyny powrotnej początkowo spada, środkowa sprężyna zaworu-ponownie otwiera zawór i płyn przepływa z powrotem ze zbiornika do komory ciśnieniowej.

Siłę napięcia wstępnego sprężyny centralnego zaworu należy starannie dobrać. Gdy siła napięcia wstępnego (F) podzielona przez efektywną powierzchnię uszczelnienia daje ciśnienie hydrauliczne-powrotnego otwarcia mniejsze niż 0,03 MPa, kompensacja płynu hamulcowego ulega przyspieszeniu, poprawia się prędkość powrotu głównego cylindra i ułatwia się ręczne uzupełnianie płynu hamulcowego podczas montażu.

2.5 Specyfikacje produkcyjne głównych cylindrów zaworu centralnego

Poniższe specyfikacje przedstawiają typowe wymagania dla zastosowań w pojazdach osobowych:

3 Kluczowe trendy i obserwacje strukturalne

3.1 Rozwój-oparty na przepisach

Najważniejszym czynnikiem wpływającym na ewolucję głównego cylindra były regulacje dotyczące bezpieczeństwa. Nakaz wprowadzenia w USA w 1967 r. dwuobwodowych układów hamulcowych-odmienił całą branżę. Podobnie wymóg Unii Europejskiej, zgodnie z którym od 2004 r. wszystkie nowe pojazdy osobowe były wyposażone w-układy przeciwblokujące (ABS)-i elektroniczny program stabilizacji toru jazdy (ESP) od 2014 r.-zasadniczo zmienił zadanie głównego cylindra.

Wymóg ABS oznacza, że ​​główne cylindry muszą teraz wytrzymywać pulsacje ciśnienia i oscylacje uszczelnień bez przedwczesnego zużycia. Wymóg ESP oznacza, że ​​główne cylindry muszą natychmiast dostarczać duże ilości płynu, aby umożliwić automatyczną interwencję hamulcową. Wymagania te nie są opcjonalne-są one minimalnym prawnym wymogiem dotyczącym homologacji pojazdów na większości głównych rynków.

3.2 Globalne ramy regulacyjne

W przypadku komponentów układu hamulcowego przeznaczonych na eksport niezbędna jest świadomość dwóch dominujących ram regulacyjnych.

• FMVSS 105 (USA): Federalna norma bezpieczeństwa pojazdów silnikowych nr. 105 obejmuje hydrauliczne układy hamulcowe do samochodów osobowych,-wielofunkcyjnych pojazdów osobowych, ciężarówek i autobusów, wymagając testów drogi hamowania, rozkładu siły hamowania i integralności układu.
• ECE R13 (rynki UE i wiele innych): Regulamin ONZ nr. 13 obejmuje jednolite przepisy dotyczące homologacji pojazdów kategorii M, N i O w zakresie hamowania. Jest powszechnie stosowany w Europie, Azji, na Bliskim Wschodzie i poza nią.

Nowoczesne pojazdy muszą spełniać jedną lub obie z tych norm, a konstrukcja głównego cylindra musi uwzględniać odpowiednie protokoły testów.

3.3 Przejście w kierunku architektur beznośnych

W konwencjonalnych otworach-ściennych występują problemy z niezawodnością w przypadku cyklicznych zmian ABS. Zarówno konstrukcja z tłokiem, jak i z zaworem centralnym-eliminuje krawędź portu, każdy za pomocą innego mechanizmu. Otwartą kwestią pozostaje, która architektura ostatecznie dominuje, chociaż konstrukcja typu tłokowego-oferuje korzyści w zakresie długości osiowej i przepustowości, które mogą okazać się decydujące dla przyszłych zastosowań.

3.4 Integracja z elektronicznymi systemami sterowania

Elektroniczny program stabilizacji toru jazdy (ESP) i pojawiająca się generacja systemów hamulcowych-by-wire wymagają głównych cylindrów zdolnych do szybkiego dostarczania płynu-o dużej objętości, a także integracji z elektronicznymi jednostkami sterującymi i czujnikami położenia. Chociaż w pełni autonomiczne pojazdy (poziom 4 i poziom 5) mogą ostatecznie zmniejszyć zależność od komponentów hydraulicznych na rzecz hamowania czysto elektronicznego, oczekuje się, że hamulec-by-przewodowy utrzyma fundament hydrauliczny w dającej się przewidzieć przyszłości.

Ewolucja głównego cylindra hamulcowego wynikała z dwóch głównych czynników: rosnących wymagań bezpieczeństwa hamowania pojazdów narzuconych przez przepisy na całym świecie, które stale podnoszą poprzeczkę w zakresie bezpieczeństwa, niezawodności i kompatybilności z innymi elementami układu hamulcowego; oraz ciągłe udoskonalanie projektu głównego cylindra i procesów produkcyjnych w celu osiągnięcia lepszej wydajności, niższych kosztów i bardziej kompaktowych opakowań.

Ponieważ ABS jest obecnie standardem we wszystkich nowych pojazdach osobowych na większości rynków (obowiązkowy od 2004 r.), a ESP jest obowiązkowy od 2014 r., główne cylindry muszą niezawodnie wytrzymywać cykliczne zmiany ABS i spełniać wymagania dotyczące przepływu ESP. Branża skupia się na konstrukcjach bez portów,-zarówno z zaworem centralnym, jak i z tłokiem,-typu-eliminującym otwór-kompensujący otwór w ściance. To przejście prawdopodobnie będzie kontynuowane, a architektury te potencjalnie zastąpią większość konwencjonalnych projektów w nowych pojazdach.

Ponieważ ESP jest nadal stosowany na całym świecie, zdolność głównego cylindra typu tłokowego-do dostarczania dużych, natychmiastowych objętości płynu pozycjonuje go zdecydowanie w przyszłych zastosowaniach. Tymczasem stopniowe wprowadzanie elektronicznych układów hamulca postojowego i innych elektronicznych układów sterowania doprowadziło już do ograniczonego stosowania głównych cylindrów z czujnikami położenia tłoka.

Referencje

[1] Przepisy dotyczące układu hamulcowego pojazdów samochodowych. Federalna norma bezpieczeństwa pojazdów silnikowych USA nr. 105 (FMVSS 105), regulamin EKG ONZ nr. 13.

[2] Regulacja-głównego cylindra z dwoma obwodami. Federalna norma bezpieczeństwa pojazdów silnikowych USA, mandat z 1967 r.

[3] Harmonogram wdrażania ABS i ESP. Obowiązkowy ABS w nowych samochodach osobowych od 2004 r., obowiązkowy ESP od 2014 r.

[4] Technologia głównego cylindra z zaworem centralnym. Układy hamulcowe Boscha. Podstawowe łagodzenie uszkodzeń uszczelnień misek w zastosowaniach ABS.

[5] Analiza rynku głównych cylindrów hamulcowych w latach 2025–2032. Statystyka MRC. Rozmiar rynku 3,7 miliarda w 2025 r., prognozowany poziom 3,7 miliarda w 2025 r., przewidywany poziom 5,4 miliarda do 2032 r. przy 5,5% CAGR.

[6] Podręczniki Haynesa. Zrozumienie głównego cylindra w samochodzie. Historia rozwoju 1960-1967.

[7] Międzynarodowy SAE. Główne cylindry hydrauliczne SAE J1154 do hamulców pojazdów silnikowych – wymagania eksploatacyjne (ostatnia wersja).

[8] Patenty na główny cylinder-tłokowy. Hyundai MOBIS, Bosch. Specyfikacje projektowe i produkcyjne.