Развитие и структурни характеристики на главните хидравлични спирачни цилиндри на автомобили

Откакто Карл Бенц построи първия-цилиндров три{1}}колесен автомобил през 1885 г., превозните средства съпътстват човешкото социално развитие повече от век. Спирачната система, като критична система за безопасност на превозното средство, непрекъснато се развива заедно с автомобилния прогрес. Като сърце на доставката на енергия на хидравличната спирачна система, главният цилиндър на хидравличната спирачка е многократно преработен и подобрен.

Траекторията на развитие на главния спирачен цилиндър може да се проследи през няколко основни етапа: главен цилиндър с един-кръг, тип-налягане-клапан, двукръгов (тандемен) главен цилиндър и конфигурации, проектирани да поемат анти{4}}спирачна система (ABS) и електронна програма за стабилност (ESP). изисквания. На всеки етап се появиха вариации, за да се отговори на специфични нужди от дизайн и производителност. Този документ обсъжда пътя на развитие на всяка основна конфигурация, структурните характеристики, принципите на работа и съображенията за производство.

Преди 1967 г. повечето автомобилни главни цилиндри бяха прости-единичен резервоар с едно бутало и едно уплътнение. Тази архитектура имаше значителен недостатък: ако цилиндърът на колелото протече, спирачният тръбопровод се повреди или единственото вътрешно уплътнение се развали, водачът можеше да загуби напълно спирачната система.

Пробивът към дублиране на безопасността идва през 1962 г., когато Cadillac въвежда спирачна система с двоен-кръг с отделни предни и задни хидравлични линии. Ако една верига претърпя теч, другата все още може да спре автомобила. American Motors също възприеха системи с разделени-цилиндри в началото, въпреки че тяхната диагонална-разделена архитектура разделяше веригите между едно предно колело и едно задно колело от противоположните страни-дизайн, който подобряваше безопасността, но все още не беше пълно разделяне на предно-задно.

Няколко производители работиха независимо по двуцилиндрови-цилиндрови системи, предлагащи-вградено резервиране. Wagner Electric беше сред първите, които успяха. Истинската повратна точка настъпва през 1967 г., когато федералното правителство на САЩ постановява, че всички превозни средства трябва да бъдат оборудвани с двоен-главен спирачен цилиндър с отделни вериги в случай на повреда на линията или други повреди.

Днешните дву{0}}главни спирачни цилиндри обикновено разполагат с две отделни камери, разделящи предните и задните спирачни кръгове, въпреки че някои конфигурации все още са разделени диагонално. Това разположение предотвратява пълната загуба на спиране, ако едно уплътнение се повреди или се появи изтичане на налягане. Повече от 75% от спирането се извършва от предните колела, което означава, че повредата на задните спирачки може да остане незабелязана от водача, но предните остават напълно функционални.

Оперативно, когато педалът на спирачката е натиснат, силата се предава през -буталото на главния цилиндър. Буталото включва две уплътнения и се движи в две камери, с линия, предназначена за всяка верига. Когато буталата се придвижват напред, хидравличното налягане се изгражда и движи по-големите бутала в шублерите или цилиндрите на колелата, спирайки колелата.

1.1 Общо описание

Главният спирачен цилиндър с двоен{1}}кръг на буталото-тип-също наричан в някои индустриални литератури като безпортов или централен{3}}тип захранване-представлява фундаментално отклонение от конвенционалната архитектура на главния цилиндър. Вместо да поставя компенсационни отвори в стената на отвора на цилиндъра, този дизайн локализира компенсационните канали върху самото бутало. Това на пръв поглед просто препозициониране има значителни последици за системната интеграция, издръжливостта при ABS/ESP цикъл и компактното опаковане.

Главният цилиндър от-тип бутало е структурно компактен. Неговите вътрешни компоненти се телескопират заедно като антенни секции, позволявайки на цялостния модул да се удължава и прибира плавно. Това телескопично устройство значително намалява аксиалнотомонтажна дължина-обикновенооколо половинататази на конвенционалните главни цилиндри-като същевременно отговаря настрог хидравличенизисквания към потока на съвременните ABS и ESP системи.

1.2 Структурни характеристики

Най-отличителната характеристика на главния цилиндър от-тип бутало е разположението на компенсационните отвори върху буталото, а не в стената на отвора на цилиндъра. Този дизайн елиминира острия ръб на конвенционалния отвор -отстрани, който в миналото е бил основното място за повреда на първичните уплътнения на чашата. Той също така осигурява много по-голяма обща площ на компенсационния поток-няколко порта могат да бъдат разположени около обиколката на буталото.

Освен това, тъй като цялата ефективна дължина на буталото се използва за уплътняващ контакт със стената на отвора на цилиндъра, общата дължина на тялото на цилиндъра може да бъде значително намалена.

1.3 Принцип на работа

В покой първичната и вторичната верига са отворени към резервоара през-монтираните на буталото компенсационни отвори. Когато водачът натисне педала на спирачката, основното бутало се движи напред. Компенсационните отвори преминават покрай основното уплътнение на чашата, което сега се движи срещу гладка непрекъсната повърхност на отвора. След като портовете бъдат заобиколени, камерата под налягане е запечатана и се създава хидравлично налягане, което доставя течност към спирачните вериги.

При освобождаване на педала буталото се връща обратно под силата на пружината. Компенсационните портове влизат отново в зоната след основното уплътнение на чашата, като възстановяват -комуникацията между камерата под налягане и резервоара, позволявайки на течността да тече обратно и да допълва камерата, ако е необходимо.

1.4 Основни разлики от конвенционалните конструкции на главния цилиндър

• 1.4.1 Значително намалена аксиална дължина

Тъй като вътрешните компоненти телескопират един в друг, общата дължина на монтажа може да бъдедрастично съкратен-често до приблизително половината от този на конвенционален тандемен главен цилиндър със сравним диаметър на отвора и изходящ обем. Това предимство на опаковката е критично за превозни средства с тясно разположение на двигателното отделение.

• 1.4.2 Директна съвместимост с ABS системи

Конвенционалните главни цилиндри с отвори за компенсация на -стената са показали високи нива на повреда на първичното уплътнение на чашата, когато се използват с ABS. Причината се крие в динамиката на работа на ABS: по време на активна работа на ABS системата многократно изпуска и -наляга спирачната течност. Това кара буталото на главния цилиндър да трепти в тесен диапазон. При конвенционален дизайн това колебание често позиционира основното уплътнение на чашата точно на мястото на компенсационния порт. Под високо налягане уплътнителната чашка се принуждава в отвора на порта, което води до бързо износване на уплътнението, срязвания или повреда при екструзия.

В конструкцията от-тип бутало компенсационните отвори се движат с буталото. Основното уплътнение на чашата контактува само с гладка стена на отвора на цилиндъра през целия му диапазон на ход. Нито един ръб на отвора не контактува с уплътнението при която и да е позиция на буталото, което на практика елиминира този режим на повреда.

• 1.4.3 Съвместимост с ESP High-Flow Demands

Системите с електронна програма за стабилност (ESP), които все повече се налагат в световен мащаб, изискват от главния цилиндър да доставя големи обеми спирачна течност за много кратки интервали от време за автоматична спирачна намеса. Конструкцията от-тип бутало отговаря на това изискване чрез способността си да включва множество големи компенсационни отвори, разположени около обиколката на буталото. Този дизайн се превърна в предпочитаната архитектура за превозни средства, оборудвани с ESP.

1.5 Производствени спецификации за главни цилиндри от-тип бутало

Правилното уплътнение между основното уплътнение на чашата и буталото трябва да бъде балансирано спрямо необходимостта от течност да заобикаля уплътнението на чашата по време на фазата на компенсация. Освен това гладкото плъзгане без преплитане изисква прецизен контрол на заоблеността на отвора, изправеността на буталото и покритието на повърхността.

Главен спирачен цилиндър с двоен-кръг на централния клапан

2.1 Общо описание

Главният цилиндър тип централен клапан-е специално разработен за използване с превозни средства,-оборудвани с ABS. Подобно на дизайна от-тип бутало, той елиминира конвенционалния порт за компенсиране на -стената на отвора, но постига това чрез различен механизъм: вътрешен клапан,-натоварен с пружина, позициониран в центъра на всяко бутало.

Патентите, описващи конфигурации на централния клапан за антиблокиращи хидравлични спирачни системи, датират от средата на 90-те години, като големи производители, включително Bosch, разработват свои собствени производствени версии в началото на 2000-те. Дизайнът се оказа особено подходящ за приложения в леки автомобили, където пространството за опаковане е по-малко ограничено, но издръжливостта на ABS остава приоритет.

2.2 Структурни характеристики

Определящата характеристика на главния цилиндър на централния клапан е пълната липса на компенсационни отвори в стената на отвора на цилиндъра. Вместо това, всяко бутало включва аксиален централен клапан-, състоящ се от малка пружина, тарелка на клапана или топка и уплътняващо гнездо-, което контролира комуникацията на течността между камерата под налягане и резервоара. Отворът на цилиндъра е напълно гладък от позицията на покой през цялата дължина на хода, осигурявайки непрекъсната уплътняваща повърхност за първичните уплътнения на чашата.

Тази структура елиминира острия ръб на компенсационния порт, който уврежда първичните уплътнения на чашата в конвенционалните конструкции.

2.3 Разлики от конвенционалните конструкции на главния цилиндър

Основната разлика е структурна: главните цилиндри от тип -централен клапан включват централен клапан и нямат компенсационни портове. Конвенционалните главни цилиндри имат компенсационни отвори и нямат централен клапан.

Функционалното последствие е също толкова важно. При конвенционален дизайн основното уплътнение на чашата многократно преминава през ръба на компенсационния порт по време на нормално спиране. Този механизъм на износване се ускорява значително при приложения с ABS, където буталото осцилира бързо близо до позицията на порта. При конструкции тип централен клапан-уплътнението на чашата никога не среща отвор в стената на отвора, което значително удължава живота на уплътнението и цилиндъра.

Конкретно за ABS приложения тази разлика е критична. Когато активните цикли на ABS причиняват пулсации на налягането в камерите за налягане на главния цилиндър, основното уплътнение на чашата в дизайна на централния клапан просто се движи през гладка повърхност на отвора, незасегнато от пулсиращото налягане, което би вкарало конвенционално уплътнение в отвора на порта.

2.4 Принцип на работа

В покой централният клапан се държи отворен от силата на пружината и геометрията на механичния ограничител. Спирачната течност от резервоара тече през клапана, около тарелката и в камерата под налягане. Когато водачът натисне спирачния педал и движението на буталото започне, силата на пружината на клапана постепенно се преодолява и леглото на клапана се затваря срещу цилиндъра. Веднъж запечатана, камерата под налягане е изолирана от резервоара и по-нататъшното движение на буталото създава налягане в уловената течност, доставяйки я към спирачните вериги.

При освобождаване на педала налягането на възвратната пружина първоначално пада, централната пружина на клапана-отваря отново клапана и течността се връща обратно от резервоара в камерата за налягане.

Силата на пружината за предварително натоварване на централния клапан трябва да бъде внимателно избрана. Когато силата на предварително натоварване (F), разделена на ефективната уплътняваща площ, дава хидравлично налягане при обратно{1}}отваряне по-малко от 0,03 MPa, компенсацията на спирачната течност се ускорява, скоростта на връщане на главния цилиндър се подобрява и ръчното пълнене на спирачна течност по време на монтажа се улеснява.

2.5 Производствени спецификации за главните цилиндри на централния клапан

Следните спецификации представляват типични изисквания за приложения на пътнически превозни средства:

3 Основни структурни тенденции и наблюдения

3.1 Регулиране-насочено развитие

Най-важният единствен двигател на еволюцията на главния цилиндър е регулирането на безопасността. Мандатът на САЩ от 1967 г. за двукръгови спирачни системи трансформира цялата индустрия. По подобен начин изискването на Европейския съюз всички нови пътнически превозни средства да бъдат оборудвани с-антиблокиращи спирачни системи (ABS) от 2004 г. нататък-и електронна стабилизираща програма (ESP) от 2014 г. нататък-фундаментално промени това, което трябва да прави главният цилиндър.

Изискването за ABS означава, че главните цилиндри вече трябва да издържат на пулсации на налягането и колебания на уплътнението без преждевременно износване. Изискването за ESP означава, че главните цилиндри трябва незабавно да доставят големи обеми течност за автоматични спирачни намеси. Тези изисквания не са задължителни-те са законовият минимум за хомологация на превозни средства на повечето големи пазари.

3.2 Глобална регулаторна рамка

За компонентите на спирачната система, предназначени за износ, познаването на двете доминиращи регулаторни рамки е от съществено значение.

• FMVSS 105 (САЩ): Федерален стандарт за безопасност на моторните превозни средства №. 105 обхваща хидравлични спирачни системи за пътнически автомобили, многоцелеви-пътнически превозни средства, камиони и автобуси, като изисква тестове за спирачен път, разпределение на спирачната сила и цялост на системата.
• ECE R13 (ЕС и много други пазари): Регламент № . 13 на ООН обхваща единни разпоредби за одобрение на превозни средства от категории M, N и O по отношение на спирането. Той е широко възприет в Европа, Азия, Близкия изток и извън тях.

Съвременните превозни средства трябва да отговарят на единия или и на двата стандарта, а дизайнът на главния цилиндър трябва да отговаря на съответните тестови протоколи.

3.3 Преходът към безпортови архитектури

Конвенционалните портове за -стена са показали проблеми с надеждността при ABS цикъл. Конструкциите от тип-бутало и тип централен клапан-елиминират ръба на порта, всеки чрез различен механизъм. Коя архитектура в крайна сметка ще доминира остава открит въпрос, въпреки че конструкцията от тип-бутало предлага предимства в аксиалната дължина и капацитета на потока, които може да се окажат решаващи за бъдещи приложения.

3.4 Интегриране с електронни системи за управление

Електронна стабилизираща програма (ESP) и нововъзникващото поколение спирачни-с-жични системи изискват главни цилиндри, способни на бързо,-подаване на течност с голям{2}}обем, както и интеграция с електронни контролни блокове и сензори за положение. Въпреки че напълно автономните превозни средства (Ниво 4 и Ниво 5) може в крайна сметка да намалят зависимостта от хидравлични компоненти в полза на чисто електронно спиране, се очаква спирачката-по{-жица да поддържа хидравлична основа в обозримо бъдеще.

Еволюцията на главния спирачен цилиндър следва два основни фактора: подобряващите се изисквания за безопасност при спиране на превозни средства, наложени от регулациите в световен мащаб, които непрекъснато вдигат летвата за безопасност, надеждност и съвместимост с други компоненти на спирачната система; и продължаващото усъвършенстване на дизайна на главния цилиндър и производствените процеси за постигане на по-добра производителност, по-ниска цена и по-компактна опаковка.

С ABS, който вече е стандартен за всички нови пътнически превозни средства на повечето пазари (задължителен от 2004 г.) и ESP, задължителен от 2014 г., главните цилиндри трябва надеждно да издържат на цикъла на ABS и да отговарят на изискванията за поток на ESP. Индустрията се сближава с дизайни без портове-както централен клапан, така и тип-бутало-, които елиминират отвора-компенсационен порт на стената. Този преход вероятно ще продължи, като тези архитектури потенциално ще заменят повечето конвенционални дизайни в новите превозни средства.

Тъй като ESP продължава да се възприема в световен мащаб, способността на главния цилиндър от тип-бутало да осигурява големи, мигновени обеми течност го позиционира силно за бъдещи приложения. Междувременно постепенното приемане на електронни системи за ръчна спирачка и други електронни системи за управление вече доведе до ограничено внедряване на главни цилиндри със сензори за положение на буталата.

Референции

[1] Разпоредби за автомобилната спирачна система. Федерален стандарт за безопасност на моторните превозни средства на САЩ №. 105 (FMVSS 105), Правило №. 13. на ИКЕ на ООН

[2] Дву{1}}регулиране на главния цилиндър. Федерален стандарт за безопасност на моторните превозни средства на САЩ, мандат от 1967 г.

[3] График за внедряване на ABS и ESP. Задължителен ABS за нови леки автомобили от 2004 г., задължителен ESP от 2014 г.

[4] Технология на главния цилиндър на централния клапан. Спирачни системи Bosch. Намаляване на повредата на първичното уплътнение на чашата при ABS приложения.

[5] Анализ на пазара на главните спирачни цилиндри 2025-2032 г. Стратистика MRC. Размер на пазара 3,7 милиарда през 2025 г., прогнозиран за достигане на всеки 3,7 милиарда през 2025 г., прогнозиран за достигане на 5,4 милиарда до 2032 г. при 5,5% CAGR.

[6] Наръчници на Хейнс. Разбиране на главния цилиндър на вашия автомобил. История на развитието 1960-1967.

[7] SAE International. SAE J1154 Главни хидравлични спирачки за моторни превозни средства – Изисквания за ефективност (последна ревизия).

[8] Патенти за главен цилиндър от-тип бутало. Hyundai MOBIS, Bosch. Проектиране и производствени спецификации.