Udvikling og strukturelle egenskaber af automotive hydrauliske bremsemastercylindre

Siden Karl Benz byggede den første enkelt-cylindrede tre-bil i 1885, har køretøjer fulgt menneskets sociale udvikling i over et århundrede. Bremsesystemet, som det kritiske sikkerhedssystem i et køretøj, har løbende udviklet sig sideløbende med fremskridt i bilindustrien. Som hjertet i det hydrauliske bremsesystems energiforsyning er den hydrauliske bremsehovedcylinder gentagne gange blevet omdesignet og forbedret.

Udviklingsforløbet for hovedbremsecylinderen kan spores gennem flere store faser: enkelt-kredsløbshovedcylinderen, rest--tryk-ventiltypen, dobbelt-kredsløbshovedcylinderen (tandem) og konfigurationer designet til at imødekomme kravene til anti-bremsesystem (ABS) og elektronisk stabilitet (ESP). På hvert trin dukkede variationer op for at imødekomme specifikke design- og ydeevnebehov. Dette papir diskuterer hver større konfigurations udviklingsvej, strukturelle funktioner, driftsprincipper og fremstillingsovervejelser.

Før 1967 var de fleste automotive hovedcylindre simple affærer-et enkelt reservoir med et stempel og en tætning. Denne arkitektur havde en betydelig ulempe: Hvis en hjulcylinder lækkede, en bremseledning svigtede, eller den enkelte indre tætning gik dårligt, kunne føreren miste bremsen helt.

Gennembruddet mod sikkerhedsredundans kom i 1962, da Cadillac introducerede et dobbelt-kredsløbsbremsesystem med separate for- og baghydrauliklinjer. Hvis det ene kredsløb havde en lækage, kunne det andet stadig stoppe køretøjet. American Motors adopterede tidligt også split-cylindersystemer, selvom deres diagonale-delte arkitektur delte kredsløb mellem et forhjul og et baghjul på modsatte sider-et design, der forbedrede sikkerheden, men som endnu ikke var en fuldstændig forreste-bagadskillelse.

Flere producenter arbejdede uafhængigt på dobbelt-cylindersystemer, der tilbød indbygget-redundans. Wagner Electric var blandt de første til at få succes. Det virkelige vendepunkt kom i 1967, da den amerikanske føderale regering gav mandat til, at alle køretøjer skulle være udstyret med en dobbelt-hovedbremsecylinder med separate kredsløb i tilfælde af linjefejl eller andre fejl.

Nutidens hovedcylindre med dobbelt-kredsløb har typisk to separate kamre, der adskiller de forreste og bagerste bremsekredsløb, selvom nogle konfigurationer stadig er delt diagonalt. Dette arrangement forhindrer totalt tab af bremsning, hvis en tætning svigter, eller der opstår en tryklækage. Mere end 75 % af bremsningen udføres af forhjulene, hvilket betyder, at bagbremsesvigt kan forblive ubemærket af føreren, men fronten forbliver fuldt funktionsdygtig.

Operationelt, når bremsepedalen trykkes ned, overføres kraften gennem tryk-stangen til hovedcylinderens stempel. Stemplet inkorporerer to tætninger og bevæger sig inden for to kamre, med en linje dedikeret til hvert kredsløb. Når stemplerne tvinges fremad, opbygger og flytter det hydrauliske tryk større stempler i kaliberne eller hjulcylindrene, hvilket stopper hjulene.

1.1 Generel beskrivelse

Stemplets-type dobbelt-kredsløbsbremsehovedcylinder-også omtalt i noget branchelitteratur som den portløse-indføringstype-repræsenterer en grundlæggende afvigelse fra konventionel hovedcylinderarkitektur. I stedet for at placere kompensationsporte i cylinderboringens væg, lokaliserer dette design kompensationspassagerne på selve stemplet. Denne tilsyneladende enkle repositionering har betydelige konsekvenser for systemintegration, holdbarhed under ABS/ESP-cykling og kompakt emballage.

Hovedcylinderen af ​​stempel-typen er strukturelt kompakt. Dens indvendige komponenter teleskoperer sammen som antennesektioner, hvilket gør det muligt for den samlede samling at forlænge og trække sig jævnt tilbage. Dette teleskoparrangement reducerer markant aksialinstallationslængde-typiskomkring halvdelenden for konventionelle hovedcylindre-og samtidig opfylderstringent hydraulikflowkrav til moderne ABS- og ESP-systemer.

1.2 Strukturelle egenskaber

Det mest karakteristiske træk ved hovedcylinderen af ​​stempel-typen er placeringen af ​​kompensationsporte på stemplet i stedet for i cylinderens væg. Dette design eliminerer den skarpe kant af en konventionel boring-sideport, som historisk set var et primært fejlsted for primære kopforseglinger. Det giver også et meget større samlet kompensationsflowområde-flere porte kan arrangeres rundt om stemplets omkreds.

Fordi hele den effektive længde af stemplet anvendes til tætningskontakt med cylinderboringsvæggen, kan den samlede længde af cylinderlegemet desuden reduceres væsentligt.

1.3 Driftsprincip

I hvile er det primære og sekundære kredsløb åbne til reservoiret via de stempel-monterede kompensationsporte. Når føreren trykker på bremsepedalen, bevæger det primære stempel sig fremad. Kompensationsportene bevæger sig forbi den primære kopforsegling, som nu kører mod en glat, uafbrudt boringsoverflade. Når portene er forbigået, er trykkammeret forseglet, og det hydrauliske tryk opbygges, hvilket leverer væske til bremsekredsløbene.

Når pedalen slippes, vender stemplet tilbage under fjederkraft. Kompensationsportene-går igen ind i området forbi den primære kopforsegling, og-genopretter kommunikationen mellem trykkammeret og reservoiret, hvilket tillader væske at strømme tilbage og genopfylde kammeret efter behov.

1.4 Nøgleforskelle fra konventionelle hovedcylinderdesigns

• 1.4.1 Betydeligt reduceret aksial længde

Fordi interne komponenter teleskoperer inden i hinanden, kan den samlede samlingslængde væredrastisk forkortet-ofte til omkring halvdelen af ​​en konventionel tandem-mastercylinder med sammenlignelig boringsdiameter og udgangsvolumen. Denne emballagefordel er afgørende for køretøjer med stramme motorrumslayouts.

• 1.4.2 Direkte kompatibilitet med ABS-systemer

Konventionelle hovedcylindre med udboring-vægkompensationsporte har vist høje skader på primær kopforsegling, når de bruges sammen med ABS. Årsagen ligger i driftsdynamikken i ABS: Under aktiv ABS-cykling udløser systemet gentagne gange og gen-sætter bremsevæske under tryk. Dette får hovedcylinderens stempel til at oscillere inden for et snævert område. I et konventionelt design placerer denne oscillation ofte den primære kopforsegling nøjagtigt ved placeringen af ​​kompensationsporten. Under højt tryk tvinges tætningskoppen ind i portåbningen, hvilket fører til hurtig tætningsslid, snit eller ekstruderingsfejl.

I stempeltype-designet bevæger kompensationsportene sig med stemplet. Den primære koptætning kontakter kun en glat cylinderboringsvæg gennem hele dens slaglængde. Ingen portkant kommer i kontakt med tætningen ved nogen stempelposition, hvilket praktisk talt eliminerer denne fejltilstand.

• 1.4.3 Kompatibilitet med ESP høje-flowkrav

ESP-systemer (Electronic Stability Program), som i stigende grad pålægges globalt, kræver, at hovedcylinderen leverer store mængder bremsevæske i meget korte tidsintervaller til automatisk bremseindgreb. Stempeltypens-design imødekommer dette krav gennem dets evne til at inkorporere flere store kompensationsporte arrangeret rundt om stemplets omkreds. Dette design er blevet den foretrukne arkitektur for køretøjer udstyret med ESP.

1.5 Produktionsspecifikationer for stempel-type hovedcylindre

Korrekt tætning mellem den primære kopforsegling og stemplet skal afbalanceres mod behovet for væske til at omgå kopforseglingen under kompensationsfasen. Derudover kræver glat glidning uden binding præcis kontrol af boringens rundhed, stemplets rethed og overfladefinish.

2 centerventil dobbelt-kredsløbsbremsehovedcylinder

2.1 Generel beskrivelse

Hovedcylinderen af ​​centerventiltypen- blev specielt udviklet til brug med ABS-udstyrede køretøjer. Ligesom stempel--designet eliminerer den den konventionelle boring-vægkompensationsport, men opnår dette gennem en anden mekanisme: en intern fjederbelastet ventil placeret i midten af ​​hvert stempel.

Patenter, der beskriver centerventilkonfigurationer til anti-hydrauliske bremsesystemer, går tilbage til midten af ​​1990'erne, hvor store producenter, herunder Bosch, udviklede deres egne produktionsversioner i begyndelsen af ​​2000'erne. Designet har vist sig at være særligt velegnet til anvendelser i personbiler, hvor emballagepladsen er mindre begrænset, men ABS-holdbarhed forbliver en prioritet.

2.2 Strukturelle egenskaber

Det afgørende træk ved en centerventilhovedcylinder er det fuldstændige fravær af kompensationsporte i cylinderboringens væg. I stedet inkorporerer hvert stempel en aksial centerventil-bestående af en lille fjeder, en ventilklap eller kugle og et tætningssæde-, der styrer væskekommunikationen mellem trykkammeret og reservoiret. Cylinderboringen er helt glat fra hvilepositionen gennem hele slaglængden, hvilket giver en uafbrudt tætningsflade til de primære koptætninger.

Denne struktur eliminerer den skarpe kompensationsportkant, der beskadiger primære kopforseglinger i konventionelle designs.

2.3 Forskelle fra konventionelle hovedcylinderdesigns

Den grundlæggende forskel er strukturel: Hovedcylindre af centerventil-type har en centerventil og har ingen kompensationsporte. Konventionelle hovedcylindre har kompensationsporte og ingen centerventil.

Den funktionelle konsekvens er lige så stor. I et konventionelt design passerer den primære kopforsegling gentagne gange hen over kompensationsportens kant under normal opbremsning. Denne slidmekanisme accelereres væsentligt i ABS-applikationer, hvor stemplet svinger hurtigt nær portpositionen. I design af centerventiltype- støder koptætningen aldrig på nogen åbning i borevæggen, hvilket dramatisk forlænger tætningen og cylinderens levetid.

Specifikt til ABS-applikationer er denne forskel kritisk. Når aktive ABS-cyklusser forårsager trykpulseringer i hovedcylinderens trykkamre, kører den primære koptætning i et centerventildesign simpelthen hen over en glat boringsoverflade, upåvirket af det pulserende tryk, der ville drive en konventionel tætning ind i en portåbning.

2.4 Driftsprincip

I hvile holdes centerventilen åben af ​​fjederkraft og mekanisk stopgeometri. Bremsevæske fra reservoiret strømmer gennem ventilen, rundt om ventilen og ind i trykkammeret. Når føreren trykker på bremsepedalen, og stemplets bevægelse begynder, overvindes ventilfjederkraften gradvist, og ventilsædet lukker mod ventilen. Når det er forseglet, er trykkammeret isoleret fra reservoiret, og yderligere stempelbevægelse sætter den indespærrede væske under tryk og leverer den til bremsekredsløbene.

Når pedalen slippes, falder returfjedertrykket til at begynde med, midterventilfjederen -åbner igen ventilen, og væske strømmer tilbage fra reservoiret ind i trykkammeret.

Centerventilens forspændingsfjederkraft skal vælges omhyggeligt. Når forspændingskraften (F) divideret med det effektive tætningsareal giver et tilbage-hydraulisk tryk på mindre end 0,03 MPa, accelereres bremsevæskekompensationen, hovedcylinderens returhastighed forbedres, og manuel påfyldning af bremsevæske under monteringen lettes.

2.5 Fremstillingsspecifikationer for centerventilhovedcylindre

Følgende specifikationer repræsenterer typiske krav til personbilanvendelser:

3 Strukturelle nøgletendenser og observationer

3.1 Regulering-drevet udvikling

Den vigtigste enkeltdriver i hovedcylinderudviklingen har været sikkerhedsregulering. Det amerikanske mandat fra 1967 for dobbelte-bremsesystemer forvandlede hele industrien. Tilsvarende har EU's krav om, at alle nye personbiler skal være udstyret med -blokeringsfri bremsesystemer (ABS) fra 2004 og frem-og Electronic Stability Program (ESP) fra 2014 og frem{10}} fundamentalt ændret, hvad en hovedcylinder skal gøre.

ABS-kravet betyder, at hovedcylindre nu skal modstå trykpulseringer og tætningsoscillation uden for tidligt slid. ESP-kravet betyder, at hovedcylindre skal levere store væskevolumener øjeblikkeligt til automatiske bremseindgreb. Disse krav er ikke valgfrie-de er det juridiske minimum for køretøjshomologering på de fleste større markeder.

3.2 Global Regulatory Framework

For bremsesystemkomponenter beregnet til eksport er kendskab til de to dominerende reguleringsrammer afgørende.

• FMVSS 105 (USA): Federal Motor Vehicle Safety Standard No. 105 dækker hydrauliske bremsesystemer til personbiler, multi-passagerkøretøjer, lastbiler og busser, påbud om test af bremselængde, bremsekraftfordeling og systemintegritet.
• ECE R13 (EU og mange andre markeder): FN-regulativ nr.. 13 dækker ensartede bestemmelser for godkendelse af køretøjer i kategori M, N og O med hensyn til bremsning. Det er bredt vedtaget i Europa, Asien, Mellemøsten og videre.

Moderne køretøjer skal overholde en eller begge af disse standarder, og hovedcylinderdesign skal rumme de tilsvarende testprotokoller.

3.3 Skiftet mod portløse arkitekturer

Konventionelle bore-vægporte har vist pålidelighedsproblemer under ABS-cykling. Både stempel--- og centerventil---typen eliminerer portkanten, hver gennem en forskellig mekanisme. Hvilken arkitektur der i sidste ende vil dominere, er stadig et åbent spørgsmål, selvom stempeltypen -design tilbyder fordele i aksial længde og flowkapacitet, som kan vise sig at være afgørende for fremtidige applikationer.

3.4 Integration med elektroniske styresystemer

Electronic Stability Program (ESP) og den nye generation af bremse-by-systemer kræver hovedcylindre, der er i stand til hurtig, høj-volumen væskelevering samt integration med elektroniske styreenheder og positionssensorer. Selvom fuldt autonome køretøjer (niveau 4 og niveau 5) i sidste ende kan reducere afhængigheden af ​​hydrauliske komponenter til fordel for rent elektronisk bremsning, forventes bremse-ved-wire at opretholde et hydraulisk fundament i en overskuelig fremtid.

Udviklingen af ​​hovedbremsecylinderen har fulgt to primære drivkræfter: de forbedrede krav til køretøjsbremsesikkerhed, som er pålagt af regulativer verden over, som konstant har hævet barren for sikkerhed, pålidelighed og kompatibilitet med andre bremsesystemkomponenter; og den løbende forfining af hovedcylinderdesign og fremstillingsprocesser for at opnå bedre ydeevne, lavere omkostninger og mere kompakt emballage.

Med ABS nu standard på alle nye personbiler på de fleste markeder (påbudt siden 2004) og ESP påbud siden 2014, skal hovedcylindre pålideligt modstå ABS-cykler og opfylde ESP-flowkravene. Industrien konvergerer med portløse designs-både centerventil og stempel-type-, der eliminerer boringens-vægkompensationsport. Denne overgang vil sandsynligvis fortsætte, idet disse arkitekturer potentielt erstatter de fleste konventionelle designs i nye køretøjer.

Da ESP fortsætter med at blive vedtaget globalt, positionerer hovedcylinderens-stempeltypes evne til at levere store, øjeblikkelige væskevolumener den stærkt til fremtidige applikationer. I mellemtiden har den gradvise indførelse af elektroniske parkeringsbremsesystemer og andre elektroniske styresystemer allerede ført til begrænset anvendelse af hovedcylindre med stempelpositionssensorer.

Referencer

[1] Forskrifter for bremsesystem til biler. US Federal Motor Vehicle Safety Standard No. 105 (FMVSS 105), UN ECE Regulation No. 13.

[2] Dobbelt-hovedcylinderregulering. US Federal Motor Vehicle Safety Standard, mandat fra 1967.

[3] Tidslinje for implementering af ABS og ESP. Obligatorisk ABS for nye personbiler fra 2004, obligatorisk ESP fra 2014.

[4] Centerventil hovedcylinderteknologi. Bosch bremsesystemer. Bekæmpelse af primær kopforsegling ved ABS-applikationer.

[5] Bremsehovedcylindre Markedsanalyse 2025-2032. Stratistik MRC. Markedsstørrelse 3,7 milliarder i 2025, forventes at nå 3,7 milliarder i 2025, forventes at nå 5,4 milliarder i 2032 ved 5,5 % CAGR.

[6] Haynes-manualer. Forstå din bils hovedcylinder. Udviklingshistorie 1960-1967.

[7] SAE International. SAE J1154 Hydrauliske hovedcylindre til motorkøretøjsbremser – præstationskrav (seneste revision).

[8] Stempeltype-hovedcylinderpatenter. Hyundai MOBIS, Bosch. Design- og fremstillingsspecifikationer.