Vývoj a konstrukční vlastnosti hlavních hydraulických brzdových válců pro automobily

Od doby, kdy Karl Benz v roce 1885 postavil první jedno{0}}válcový tříkolový automobil-, doprovázela vozidla společenský vývoj člověka již více než jedno století. Brzdový systém jako kritický bezpečnostní systém vozidla se neustále vyvíjel spolu s pokrokem v automobilovém průmyslu. Jako srdce dodávky energie hydraulického brzdového systému byl hlavní válec hydraulické brzdy opakovaně přepracován a vylepšován.

Vývojovou trajektorii hlavního brzdového válce lze vysledovat v několika hlavních fázích: jednookruhový hlavní válec, typ ventilu se zbytkovým-tlakem-, dvouokruhový (tandemový) hlavní válec a konfigurace navržené tak, aby vyhovovaly požadavkům na protiblokovací brzdový systém (ABS) a elektronický program stability (ESP). V každé fázi se objevily varianty, které řešily specifické potřeby designu a výkonu. Tento dokument popisuje cestu vývoje každé hlavní konfigurace, konstrukční vlastnosti, provozní principy a výrobní úvahy.

Před rokem 1967 byla většina automobilových hlavních válců jednoduchá-zásobník s jedním pístem a jedním těsněním. Tato architektura měla významnou nevýhodu: pokud válec kola prosakoval, brzdové potrubí selhalo nebo se pokazilo jediné vnitřní těsnění, řidič mohl zcela ztratit brzdění.

Průlom směrem k bezpečnostní redundanci přišel v roce 1962, kdy Cadillac představil dvouokruhový{1}}okruhový brzdový systém s odděleným předním a zadním hydraulickým vedením. Pokud by jeden okruh unikl, druhý by přesto mohl vozidlo zastavit. Společnost American Motors také brzy přijala systémy dělených-válců, ačkoli jejich diagonální-architektura děleného kola rozdělovala obvody mezi jedno přední kolo a jedno zadní kolo na opačných stranách-design, který zlepšil bezpečnost, ale ještě nebyl úplným oddělením přední-zadní části.

Několik výrobců pracovalo nezávisle na dvou{0}}cylindrových systémech nabízejících vestavěnou-redundanci. Wagner Electric byl mezi prvními, kterým se to podařilo. Skutečný zlom nastal v roce 1967, kdy federální vláda USA nařídila, že všechna vozidla musí být vybavena duálním-hlavním brzdovým válcem s oddělenými okruhy pro případ poruchy vedení nebo jiných poruch.

Dnešní dvouokruhové{0}}hlavní válce obvykle obsahují dvě samostatné komory oddělující přední a zadní brzdový okruh, i když některé konfigurace jsou stále rozděleny diagonálně. Toto uspořádání zabraňuje úplné ztrátě brzdění, pokud selže jedno těsnění nebo dojde k úniku tlaku. Více než 75 % brzdění je prováděno předními koly, což znamená, že selhání zadní brzdy může řidič bez povšimnutí, ale přední zůstává plně funkční.

Operativněpři sešlápnutí brzdového pedálu se síla přenáší přes tlačnou-tyčku na píst hlavního válce. Píst obsahuje dvě těsnění a pohybuje se ve dvou komorách s vedením vyhrazeným pro každý okruh. Když jsou písty tlačeny dopředu, hydraulický tlak se zvyšuje a pohybuje většími písty ve třmenech nebo válcích kol, čímž se kola zastavují.

1.1 Obecný popis

Plunžrový-dvouokruhový{1}}hlavní brzdový válec-také označovaný v některé průmyslové literatuře jako bezportový nebo středový{3}}typ s přívodem-představuje zásadní odklon od konvenční architektury hlavního válce. Spíše než umístění kompenzačních portů do stěny vrtání válce tato konstrukce umístí kompenzační kanály na samotný píst. Toto zdánlivě jednoduché přemístění má významné důsledky pro integraci systému, odolnost při cyklování ABS/ESP a kompaktní balení.

Hlavní válec-pístu je konstrukčně kompaktní. Jeho vnitřní součásti se k sobě přibližují jako části antény, což umožňuje hladké vysouvání a zasouvání celé sestavy. Toto teleskopické uspořádání výrazně snižuje axiálníinstalační délka-obvykleasi polovinakonvenčních hlavních válců-při současném plněnípřísná hydraulikapožadavky na průtok moderních systémů ABS a ESP.

1.2 Strukturální charakteristiky

Nejvýraznějším rysem hlavního válce plunžrového-typu je umístění kompenzačních otvorů na pístu, nikoli ve stěně vrtání válce. Tato konstrukce eliminuje ostrou hranu konvenčního vrtání-bočního otvoru, který byl historicky primárním místem selhání u těsnění primární misky. Poskytuje také mnohem větší celkovou kompenzační průtokovou plochu-po obvodu pístu lze umístit několik portů.

Navíc, protože celá účinná délka pístu je využita pro těsnící kontakt se stěnou vrtání válce, může být celková délka těla válce podstatně zkrácena.

1.3 Princip fungování

V klidu jsou primární a sekundární okruhy otevřeny do zásobníku přes kompenzační porty namontované na pístu-. Když řidič sešlápne brzdový pedál, primární píst se posune dopředu. Kompenzační porty procházejí kolem primárního miskovitého těsnění, které se nyní pohybuje po hladkém povrchu bez přerušení. Jakmile jsou porty přemostěny, tlaková komora je utěsněna a hydraulický tlak se zvyšuje, čímž se kapalina dodává do brzdových okruhů.

Po uvolnění pedálu se píst vrátí pod silou pružiny. Kompenzační porty znovu-vstupují do oblasti za těsněním primárního pohárku, čímž obnovují-komunikaci mezi tlakovou komorou a rezervoárem a umožňují tekutině proudit zpět a doplňovat komoru podle potřeby.

1.4 Klíčové rozdíly oproti konvenčním konstrukcím hlavního válce

• 1.4.1 Výrazně zmenšená axiální délka

Vzhledem k tomu, že vnitřní součásti jsou dalekohledem do sebe, celková délka sestavy může býtdrasticky zkrátit-často až zhruba poloviční než u běžného tandemového hlavního válce se srovnatelným průměrem vrtání a výstupním objemem. Tato výhoda balení je kritická pro vozidla s těsným uspořádáním motorového prostoru.

• 1.4.2 Přímá kompatibilita se systémy ABS

Konvenční hlavní válce s vrtáním-kompenzačními porty ve stěně vykazovaly vysokou míru poškození těsnění primární misky při použití s ​​ABS. Důvod spočívá v provozní dynamice ABS: během aktivního cyklování ABS systém opakovaně uvolňuje a znovu{2}}dotlakuje brzdovou kapalinu. To způsobí, že píst hlavního válce osciluje v úzkém rozsahu. V běžném provedení tato oscilace často umístí primární miskovité těsnění přesně na místo kompenzačního portu. Pod vysokým tlakem je miska těsnění vytlačena do otvoru portu, což vede k rychlému opotřebení těsnění, proříznutí nebo selhání vytlačování.

V provedení plunžrového-typu se kompenzační porty pohybují s pístem. Primární miskovité těsnění se v celém rozsahu zdvihu dotýká pouze hladké stěny vrtání válce. Žádný okraj portu se nedotýká těsnění v žádné poloze pístu, což prakticky eliminuje tento způsob selhání.

• 1.4.3 Kompatibilita s ESP High Flow Demands-

Systémy elektronického stabilizačního programu (ESP), které jsou celosvětově stále více vyžadovány, vyžadují, aby hlavní válec dodával velké objemy brzdové kapaliny ve velmi krátkých časových intervalech pro automatický zásah brzd. Konstrukce plunžrového-typu splňuje tento požadavek díky své schopnosti začlenit několik velkých kompenzačních portů uspořádaných po obvodu pístu. Tento design se stal preferovanou architekturou pro vozidla vybavená ESP.

1.5 Výrobní specifikace pro hlavní válce-typu plunžru

Správné utěsnění mezi primárním miskovitým těsněním a pístem musí být vyváženo s ohledem na potřebu tekutiny obtékat miskovité těsnění během kompenzační fáze. Hladký posuv bez vázání navíc vyžaduje přesnou kontrolu kruhovitosti vývrtu, přímosti pístu a povrchové úpravy.

Dvouokruhový hlavní brzdový válec se 2 středovým ventilem-

2.1 General Description

Hlavní válec -typu středového ventilu byl speciálně vyvinut pro použití u vozidel vybavených systémem ABS-. Stejně jako u plunžrového-typu konstrukce odstraňuje konvenční otvor-pro kompenzaci stěny, ale dosahuje toho pomocí jiného mechanismu: vnitřního pružinového-ventilu umístěného ve středu každého pístu.

Patenty popisující konfigurace středových ventilů pro protiblokovací hydraulické brzdové systémy pocházejí z poloviny 90. let 20. století, přičemž hlavní výrobci včetně společnosti Bosch vyvinuli své vlastní produkční verze na počátku 21. století. Konstrukce se ukázala jako zvláště vhodná pro aplikace v osobních automobilech, kde je prostor pro balení méně omezený, ale prioritou zůstává odolnost ABS.

2.2 Strukturální charakteristiky

Charakteristickým znakem hlavního válce se středovým ventilem je úplná absence kompenzačních portů ve stěně vrtání válce. Namísto toho každý píst obsahuje axiální středový ventil-sestávající z malé pružiny, talířku nebo kuličky ventilu a těsnícího sedla-, které řídí komunikaci tekutiny mezi tlakovou komorou a zásobníkem. Vrtání válce je zcela hladké od klidové polohy po celou délku zdvihu a poskytuje nepřerušovaný těsnicí povrch pro primární miskovité těsnění.

Tato struktura eliminuje ostrou hranu kompenzačního portu, která poškozuje těsnění primárního pohárku u běžných konstrukcí.

2.3 Rozdíly od konvenčních konstrukcí hlavního válce

Základní rozdíl je ve struktuře: hlavní válce-typu středového ventilu obsahují středový ventil a nemají žádné kompenzační otvory. Konvenční hlavní válce mají kompenzační otvory a nemají středový ventil.

Funkční důsledek je stejně významný. V běžném provedení primární miskovité těsnění opakovaně prochází přes hranu kompenzačního portu během normálního brzdění. Tento mechanismus opotřebení je podstatně urychlen v aplikacích ABS, kde píst rychle kmitá blízko polohy portu. U konstrukcí se středovým ventilem- se miskovité těsnění nikdy nesetká s žádným otvorem ve stěně otvoru, což výrazně prodlužuje životnost těsnění a válce.

Konkrétně pro aplikace ABS je tento rozdíl kritický. Když aktivní cykly ABS způsobí pulsace tlaku v tlakových komorách hlavního válce, primární miskovité těsnění v konstrukci středového ventilu se jednoduše pohybuje po hladkém povrchu otvoru, bez ovlivnění pulzujícím tlakem, který by konvenční těsnění vtlačil do otvoru portu.

2.4 Princip fungování

V klidu je centrální ventil držen otevřený silou pružiny a geometrií mechanického dorazu. Brzdová kapalina z nádržky proudí ventilem, kolem talíře a do tlakové komory. Když řidič sešlápne brzdový pedál a začne se pohybovat píst, síla ventilové pružiny je postupně překonána a sedlo ventilu se uzavře proti talíři. Po utěsnění je tlaková komora izolována od nádržky a další pohyb pístu stlačuje zachycenou kapalinu a dodává ji do brzdových okruhů.

Po uvolnění pedálu tlak vratné pružiny zpočátku poklesne, středová pružina ventilu znovu{0}}otevře ventil a kapalina proudí zpět z nádržky do tlakové komory.

Síla předpětí pružiny středového ventilu musí být pečlivě zvolena. Když síla předpětí (F) dělená účinnou těsnící plochou poskytne hydraulický tlak zpětného otevírání nižší než 0,03 MPa, kompenzace brzdové kapaliny se zrychlí, rychlost zpětného chodu hlavního válce se zlepší a usnadní se ruční plnění brzdové kapaliny během montáže.

2.5 Výrobní specifikace pro hlavní válec se středovým ventilem

Následující specifikace představují typické požadavky pro použití v osobních vozidlech:

3 Klíčové strukturální trendy a pozorování

3.1 Vývoj řízený-regulací

Nejdůležitějším jediným hnacím motorem evoluce hlavního válce byla bezpečnostní regulace. Mandát USA pro dvouokruhové brzdové systémy z roku 1967 proměnil celé odvětví. Podobně požadavek Evropské unie, aby všechna nová osobní vozidla byla od roku 2004 vybavena protiblokovacími brzdovými systémy (ABS)-a od roku 2014 elektronickým stabilizačním programem (ESP)- zásadně změnil, co musí hlavní válec dělat.

Požadavek ABS znamená, že hlavní válce musí nyní odolávat tlakovým pulzacím a oscilacím těsnění bez předčasného opotřebení. Požadavek ESP znamená, že hlavní válce musí okamžitě dodávat velké objemy kapaliny pro automatické brzdění. Tyto požadavky nejsou volitelné,-jsou zákonným minimem pro homologaci vozidel na většině hlavních trhů.

3.2 Globální regulační rámec

U komponentů brzdového systému určených na export je znalost dvou dominantních regulačních rámců zásadní.

• FMVSS 105 (USA): Federální bezpečnostní norma pro motorová vozidla č
• ECE R13 (EU a mnoho dalších trhů): Předpis OSN č. . 13 obsahuje jednotná ustanovení pro schvalování vozidel kategorií M, N a O s ohledem na brzdění. Je široce přijímán v Evropě, Asii, na Středním východě i mimo ni.

Moderní vozidla musí splňovat jednu nebo obě tyto normy a konstrukce hlavního válce musí vyhovovat odpovídajícím zkušebním protokolům.

3.3 Posun směrem k bezportovým architekturám

Konvenční nástěnné porty-prokázaly problémy se spolehlivostí při cyklování ABS. Konstrukce typu plunžrového -i typu středového ventilu- eliminují okraj portu, každý prostřednictvím jiného mechanismu. Která architektura bude nakonec dominovat, zůstává otevřenou otázkou, i když konstrukce plunžrového-typu nabízí výhody v axiální délce a průtokové kapacitě, které se mohou ukázat jako rozhodující pro budoucí aplikace.

3.4 Integrace s elektronickými řídicími systémy

Elektronický stabilizační program (ESP) a nastupující generace brzdových-by{1}}systémů vyžadují hlavní válce schopné rychlého, velkoobjemového-dodávky kapaliny a také integraci s elektronickými řídicími jednotkami a snímači polohy. Přestože plně autonomní vozidla (úroveň 4 a úroveň 5) mohou nakonec snížit závislost na hydraulických součástech ve prospěch čistě elektronického brzdění, očekává se, že brzdění-by-drátu si v dohledné budoucnosti zachová hydraulický základ.

Evoluce hlavního brzdového válce sledovala dva hlavní faktory: zlepšující se požadavky na bezpečnost brzdění vozidel stanovené předpisy po celém světě, které neustále zvyšují laťku bezpečnosti, spolehlivosti a kompatibility s ostatními součástmi brzdového systému; a pokračující zdokonalování designu hlavního válce a výrobních procesů pro dosažení lepšího výkonu, nižších nákladů a kompaktnějšího balení.

Vzhledem k tomu, že ABS je nyní standardem pro všechna nová osobní vozidla na většině trhů (nařízeno od roku 2004) a ESP je nařízeno od roku 2014, musí hlavní válce spolehlivě odolávat cyklování ABS a splňovat požadavky na průtok ESP. Průmysl se soustřeďuje na bezportové konstrukce-jak se středovým ventilem, tak s plunžrovým-typem-, které eliminují port pro kompenzaci stěny otvoru-. Tento přechod bude pravděpodobně pokračovat, přičemž tyto architektury potenciálně nahradí většinu konvenčních konstrukcí v nových vozidlech.

Vzhledem k tomu, že ESP je i nadále celosvětově přijímáno, schopnost hlavního válce plunžrového -typu poskytovat velké, okamžité objemy kapaliny jej silně předurčuje pro budoucí aplikace. Mezitím postupné zavádění systémů elektronické parkovací brzdy a dalších elektronických řídicích systémů již vedlo k omezenému nasazení hlavních válců se snímači polohy pístu.

Reference

[1] Předpisy pro automobilový brzdový systém. Americká federální norma pro bezpečnost motorových vozidel č. 105 (FMVSS 105), předpis EHK OSN č.. 13.

[2] Dvouokruhová-regulace hlavního válce. Americká federální norma pro bezpečnost motorových vozidel, mandát z roku 1967.

[3] Harmonogram implementace ABS a ESP. Povinné ABS pro nová osobní vozidla od roku 2004, povinné ESP od roku 2014.

[4] Technologie hlavního válce se středovým ventilem. brzdové systémy Bosch. Zmírnění poškození primárního těsnění misky v aplikacích ABS.

[5] Analýza trhu hlavních brzdových válců 2025–2032. Stratistika MRC. Velikost trhu 3,7 miliardy v roce 2025, předpokládaná až 3,7 miliardy v roce 2025, předpokládaná až 5,4 miliardy do roku 2032 při 5,5% CAGR.

[6] Příručky Haynes. Pochopení hlavního válce vašeho auta. Historie vývoje 1960-1967.

[7] SAE International. Hydraulické hlavní válce SAE J1154 pro brzdy motorových vozidel – požadavky na výkon (poslední revize).

[8] Patenty hlavního válce-pístového typu. Hyundai MOBIS, Bosch. Specifikace designu a výroby.