Vývoj a konštrukčné charakteristiky hlavných brzdových valcov pre automobilový priemysel

Odkedy Karl Benz v roku 1885 zostrojil prvý jedno{0}}valcový trojkolesový automobil-, vozidlá sprevádzali ľudský spoločenský vývoj už viac ako storočie. Brzdový systém ako kritický bezpečnostný systém vozidla sa neustále vyvíjal spolu s pokrokom v automobilovom priemysle. Ako srdce dodávky energie hydraulického brzdového systému bol hlavný valec hydraulickej brzdy opakovane prepracovaný a vylepšený.

Vývojovú trajektóriu hlavného brzdového valca možno sledovať cez niekoľko hlavných etáp: jednookruhový hlavný valec, typ ventilu so zvyškovým -tlakom-, dvojokruhový (tandemový) hlavný valec a konfigurácie navrhnuté tak, aby vyhovovali požiadavkám programu stability protiblokovacieho brzdového systému (ABS) a elektronického stabilizačného programu (ESP). V každej fáze sa objavili variácie, ktoré riešili špecifické potreby dizajnu a výkonu. Tento dokument popisuje cestu vývoja každej hlavnej konfigurácie, štrukturálne vlastnosti, prevádzkové princípy a výrobné úvahy.

Pred rokom 1967 bola väčšina automobilových hlavných valcov jednoduchou záležitosťou-jedinou nádržou s jedným piestom a jedným tesnením. Táto architektúra mala značnú nevýhodu: ak unikol valec kolesa, zlyhalo brzdové vedenie alebo sa pokazilo jediné vnútorné tesnenie, vodič mohol úplne stratiť brzdenie.

Prelom smerom k redundancii bezpečnosti nastal v roku 1962, keď Cadillac predstavil dvojokruhový{1}}okruhový brzdový systém so samostatným predným a zadným hydraulickým vedením. Ak by došlo k úniku z jedného okruhu, druhý by stále mohol zastaviť vozidlo. Spoločnosť American Motors tiež už na začiatku prijala systémy delených-valcov, hoci ich diagonálna-architektúra delených obvodov rozdeľovala obvody medzi jedno predné koleso a jedno zadné koleso na opačných stranách-dizajn, ktorý zlepšil bezpečnosť, ale ešte nebol úplným oddelením predných-zadných kolies.

Niekoľko výrobcov pracovalo nezávisle na systémoch s dvojitým{0}valcom, ktoré ponúkajú vstavanú-redundanciu. Wagner Electric bol medzi prvými, ktorým sa to podarilo. Skutočný zlom nastal v roku 1967, keď federálna vláda USA nariadila, že všetky vozidlá musia byť vybavené duálnym-hlavným brzdovým valcom s oddelenými okruhmi pre prípad zlyhania vedenia alebo iných porúch.

Dnešné dvojokruhové{0}}hlavné valce zvyčajne obsahujú dve samostatné komory oddeľujúce predný a zadný brzdový okruh, hoci niektoré konfigurácie sú stále rozdelené diagonálne. Toto usporiadanie zabraňuje úplnej strate brzdenia v prípade zlyhania jedného tesnenia alebo úniku tlaku. Viac ako 75 % brzdenia vykonávajú predné kolesá, čo znamená, že zlyhanie zadnej brzdy si vodič nemusí všimnúť, ale predná časť zostáva plne funkčná.

Operatívne, keď je zošliapnutý brzdový pedál, sila sa prenáša cez tlačnú -tyčku na piest hlavného valca. Piest obsahuje dve tesnenia a pohybuje sa v dvoch komorách, pričom každému okruhu je venovaná línia. Keď sú piesty tlačené dopredu, hydraulický tlak sa zvyšuje a pohybuje väčšími piestami v strmeňoch alebo valcoch kolies, čím sa kolesá zastavujú.

1.1 Všeobecný popis

Plunžerový-dvojokruhový{1}}hlavný brzdový valec{2}}tiež označovaný v niektorej priemyselnej literatúre ako bezportový alebo stredový{3}}typ s prívodom-predstavuje zásadný odklon od konvenčnej architektúry hlavného valca. Namiesto umiestňovania kompenzačných otvorov do steny vŕtania valca táto konštrukcia umiestňuje kompenzačné priechody na samotnom pieste. Toto zdanlivo jednoduché premiestnenie má významné dôsledky pre integráciu systému, odolnosť pri cyklovaní ABS/ESP a kompaktné balenie.

Hlavný valec-piestu je konštrukčne kompaktný. Jeho vnútorné komponenty sa spájajú ako časti antény, čo umožňuje hladké vysúvanie a zasúvanie celej zostavy. Toto teleskopické usporiadanie výrazne znižuje axiálnedĺžka inštalácie-zvyčajneasi polovicakonvenčných hlavných valcov-pri súčasnom splneníprísna hydraulikaprietokové nároky moderných systémov ABS a ESP.

1.2 Štrukturálne charakteristiky

Najvýraznejšou črtou hlavného valca-piestu je umiestnenie kompenzačných otvorov na pieste a nie v stene otvoru valca. Tento dizajn eliminuje ostrú hranu konvenčného vŕtaného-bočného otvoru, ktorý bol historicky hlavným miestom zlyhania primárnych miskových tesnení. Poskytuje tiež oveľa väčšiu celkovú kompenzačnú prietokovú plochu-po obvode piesta je možné usporiadať viacero portov.

Okrem toho, pretože celá efektívna dĺžka piesta je využitá na tesniaci kontakt so stenou vŕtania valca, môže byť celková dĺžka telesa valca podstatne znížená.

1.3 Princíp fungovania

V pokoji sú primárny a sekundárny okruh otvorené do zásobníka cez kompenzačné porty-namontované na pieste. Keď vodič stlačí brzdový pedál, primárny piest sa posunie dopredu. Kompenzačné porty prechádzajú okolo primárneho miskovitého tesnenia, ktoré sa teraz pohybuje po hladkom neprerušovanom povrchu otvoru. Po obídení portov sa tlaková komora utesní a vytvorí sa hydraulický tlak, ktorý dodáva kvapalinu do brzdových okruhov.

Po uvoľnení pedálu sa piest pod silou pružiny vráti späť. Kompenzačné porty sa vrátia-do oblasti za tesnením primárneho pohárika, čím sa obnoví-komunikácia medzi tlakovou komorou a zásobníkom, čo umožní tekutine prúdiť späť a doplniť komoru podľa potreby.

1.4 Kľúčové rozdiely od konvenčných návrhov hlavného valca

• 1.4.1 Výrazne znížená axiálna dĺžka

Vzhľadom k tomu, že vnútorné komponenty sú navzájom ďalekohľadné, celková dĺžka zostavy môže byťdrasticky skrátené-často až približne polovičné v porovnaní s konvenčným tandemovým hlavným valcom s porovnateľným priemerom otvoru a výstupným objemom. Táto výhoda balenia je rozhodujúca pre vozidlá s tesným usporiadaním motorového priestoru.

• 1.4.2 Priama kompatibilita so systémami ABS

Konvenčné hlavné valce s dierou-kompenzačnými otvormi v stene vykazovali vysokú mieru poškodenia primárneho tesnenia misky pri použití s ​​ABS. Dôvod spočíva v prevádzkovej dynamike ABS: počas aktívneho cyklovania ABS systém opakovane uvoľňuje a pretlakuje brzdovú kvapalinu. To spôsobí, že piest hlavného valca osciluje v úzkom rozsahu. V konvenčnom dizajne táto oscilácia často umiestňuje primárne miskovité tesnenie presne na miesto kompenzačného portu. Pod vysokým tlakom je tesniaca miska vtlačená do otvoru, čo vedie k rýchlemu opotrebovaniu tesnenia, prerezaniu alebo zlyhaniu vytláčania.

V konštrukcii typu plunžera- sa kompenzačné porty pohybujú spolu s piestom. Primárne miskovité tesnenie sa v celom rozsahu zdvihu dotýka iba hladkej steny vŕtania valca. Žiadna hrana portu sa nedotýka tesnenia v žiadnej polohe piesta, čo prakticky eliminuje tento spôsob zlyhania.

• 1.4.3 Kompatibilita s ESP High Flow Demands-

Systémy elektronického stabilizačného programu (ESP), ktoré sú celosvetovo čoraz častejšie povinné, vyžadujú, aby hlavný valec dodával veľké objemy brzdovej kvapaliny vo veľmi krátkych časových intervaloch na automatický zásah bŕzd. Konštrukcia typu plunžera{1}} spĺňa túto požiadavku vďaka svojej schopnosti začleniť viacero veľkých kompenzačných otvorov usporiadaných po obvode piesta. Tento dizajn sa stal preferovanou architektúrou pre vozidlá vybavené ESP.

1.5 Výrobné špecifikácie pre hlavné valce-typu piestu

Správne tesnenie medzi primárnym miskovitým tesnením a piestom musí byť vyvážené vzhľadom na potrebu tekutiny obchádzať miskovité tesnenie počas fázy kompenzácie. Okrem toho, hladké kĺzanie bez viazania vyžaduje presné ovládanie kruhovitosti otvoru, priamosti piesta a povrchovej úpravy.

Hlavný brzdový valec s dvojokruhovým{1}okruhom s 2 stredovým ventilom

2.1 Všeobecný popis

Hlavný valec -typu stredového ventilu bol špeciálne vyvinutý na použitie vo vozidlách s-systémom ABS. Podobne ako piestový-konštrukcia, eliminuje konvenčný dierovaný-kompenzačný port steny, ale dosahuje to pomocou iného mechanizmu: vnútorným pružinovým-ventilom umiestneným v strede každého piesta.

Patenty popisujúce konfigurácie stredových ventilov pre anti{0}}blokovacie hydraulické brzdové systémy pochádzajú z polovice 90. rokov 20. storočia, pričom hlavní výrobcovia vrátane spoločnosti Bosch vyvinuli svoje vlastné výrobné verzie začiatkom 21. storočia. Tento dizajn sa ukázal ako obzvlášť vhodný pre aplikácie v osobných automobiloch, kde je priestor na balenie menej obmedzený, ale prioritou zostáva odolnosť ABS.

2.2 Štrukturálne charakteristiky

Charakteristickým znakom hlavného valca so stredovým ventilom je úplná absencia kompenzačných otvorov v stene otvoru valca. Namiesto toho každý piest obsahuje axiálny stredový ventil-pozostávajúci z malej pružiny, ventilového taniera alebo gule a tesniaceho sedla-, ktoré riadi komunikáciu tekutiny medzi tlakovou komorou a zásobníkom. Vŕtanie valca je úplne hladké od pokojovej polohy po celú dĺžku zdvihu, čím poskytuje neprerušovaný tesniaci povrch pre primárne miskovité tesnenia.

Táto štruktúra eliminuje ostrú hranu kompenzačného portu, ktorá poškodzuje tesnenia primárneho pohárika v konvenčných dizajnoch.

2.3 Rozdiely od konvenčných návrhov hlavného valca

Základný rozdiel je v štruktúre: hlavné valce-typu stredového ventilu obsahujú stredový ventil a nemajú žiadne kompenzačné otvory. Bežné hlavné valce majú kompenzačné otvory a nemajú stredový ventil.

Funkčný dôsledok je rovnako významný. V konvenčnom dizajne primárne miskovité tesnenie opakovane prechádza cez okraj kompenzačného portu počas normálneho brzdenia. Tento mechanizmus opotrebovania je podstatne zrýchlený v aplikáciách ABS, kde piest rýchlo osciluje blízko polohy otvoru. Pri konštrukciách so stredovým ventilom- sa miskovité tesnenie nikdy nestretne s otvorom v stene otvoru, čím sa výrazne predlžuje životnosť tesnenia a valca.

Konkrétne pre aplikácie ABS je tento rozdiel kritický. Keď aktívne cykly ABS spôsobujú pulzáciu tlaku v tlakových komorách hlavného valca, primárne miskovité tesnenie v dizajne stredového ventilu sa jednoducho pohybuje po hladkom povrchu otvoru, bez ovplyvnenia pulzujúcim tlakom, ktorý by konvenčné tesnenie vtlačil do otvoru.

2.4 Princíp fungovania

V pokoji je stredový ventil udržiavaný otvorený silou pružiny a geometriou mechanického dorazu. Brzdová kvapalina z nádržky prúdi cez ventil, okolo taniera a do tlakovej komory. Keď vodič stlačí brzdový pedál a začne sa pohybovať piest, sila pružiny ventilu sa postupne prekoná a sedlo ventilu sa uzavrie proti tanieru. Po utesnení je tlaková komora izolovaná od zásobníka a ďalší pohyb piestu stláča zachytenú kvapalinu a dodáva ju do brzdových okruhov.

Po uvoľnení pedálu tlak vratnej pružiny spočiatku klesne, stredová pružina ventilu znova{0}} otvorí ventil a kvapalina prúdi späť zo zásobníka do tlakovej komory.

Sila predpätia pružiny stredového ventilu musí byť starostlivo zvolená. Keď sila predpätia (F) vydelená účinnou tesniacou plochou spôsobí spätný{1}}otvárací hydraulický tlak menší ako 0,03 MPa, zrýchli sa kompenzácia brzdovej kvapaliny, zlepší sa rýchlosť návratu hlavného valca a uľahčí sa manuálne plnenie brzdovej kvapaliny počas montáže.

2.5 Výrobné špecifikácie pre hlavné valce so stredovým ventilom

Nasledujúce špecifikácie predstavujú typické požiadavky pre aplikácie osobných vozidiel:

3 Kľúčové štrukturálne trendy a pozorovania

3.1 Vývoj riadený predpismi-

Najdôležitejším jediným hnacím motorom evolúcie hlavného valca bola bezpečnostná regulácia. Mandát USA pre dvojokruhové brzdové systémy z roku 1967 zmenil celý priemysel. Podobne požiadavka Európskej únie, aby všetky nové osobné vozidlá boli od roku 2004 vybavené protiblokovacími brzdovými systémami (ABS)-a elektronickým stabilizačným programom (ESP) od roku 2014{{10}, zásadne zmenila to, čo musí hlavný valec vykonávať.

Požiadavka ABS znamená, že hlavné valce musia teraz odolávať tlakovým pulzáciám a osciláciám tesnenia bez predčasného opotrebovania. Požiadavka ESP znamená, že hlavné valce musia okamžite dodávať veľké objemy kvapaliny na automatické brzdenie. Tieto požiadavky nie sú voliteľné-, predstavujú zákonné minimum pre homologizáciu vozidla na väčšine hlavných trhov.

3.2 Globálny regulačný rámec

V prípade komponentov brzdových systémov určených na vývoz je nevyhnutné poznať dva dominantné regulačné rámce.

• FMVSS 105 (USA): Federálna bezpečnostná norma pre motorové vozidlá č. 105 pokrýva hydraulické brzdové systémy pre osobné automobily,-viacúčelové osobné vozidlá, nákladné autá a autobusy, ktoré vyžadujú testy brzdnej dráhy, rozloženia brzdnej sily a integrity systému.
• ECE R13 (EÚ a mnohé ďalšie trhy): Predpis OSN č Je široko prijímaný v Európe, Ázii, na Strednom východe a mimo neho.

Moderné vozidlá musia spĺňať jednu alebo obe z týchto noriem a konštrukcia hlavného valca musí spĺňať príslušné skúšobné protokoly.

3.3 Posun smerom k bezportovým architektúram

Bežné dierované-porty v stene vykazovali problémy so spoľahlivosťou pri cyklovaní ABS. Konštrukcia typu piestu- aj typu stredového ventilu- eliminuje okraj portu, každý prostredníctvom iného mechanizmu. Ktorá architektúra bude nakoniec dominovať, zostáva otvorenou otázkou, aj keď piestový{5}}typ dizajnu ponúka výhody v axiálnej dĺžke a prietokovej kapacite, ktoré sa môžu ukázať ako rozhodujúce pre budúce aplikácie.

3.4 Integrácia s elektronickými riadiacimi systémami

Elektronický stabilizačný program (ESP) a nastupujúca generácia brzdových-by{1}}systémov vyžaduje hlavné valce schopné rýchleho,-dopravovania veľkého objemu kvapaliny, ako aj integráciu s elektronickými riadiacimi jednotkami a snímačmi polohy. Hoci plne autonómne vozidlá (úroveň 4 a úroveň 5) môžu v konečnom dôsledku znížiť spoliehanie sa na hydraulické komponenty v prospech čisto elektronického brzdenia, očakáva sa, že brzdenie-po-drôte si v dohľadnej budúcnosti zachová hydraulický základ.

Evolúcia hlavného brzdového valca sledovala dve hlavné hnacie sily: zlepšujúce sa požiadavky na bezpečnosť bŕzd vozidiel stanovené celosvetovými predpismi, ktoré neustále zvyšujú latku bezpečnosti, spoľahlivosti a kompatibility s ostatnými komponentmi brzdového systému; a neustále zdokonaľovanie konštrukcie hlavného valca a výrobných procesov s cieľom dosiahnuť lepší výkon, nižšie náklady a kompaktnejšie balenie.

Keďže ABS je teraz štandardom pre všetky nové osobné vozidlá na väčšine trhov (nariadené od roku 2004) a ESP je povinné od roku 2014, hlavné valce musia spoľahlivo odolávať cyklovaniu ABS a spĺňať požiadavky na prietok ESP. Priemysel sa približuje k bezportovým konštrukciám-centrového ventilu aj piestu-typu-, ktoré eliminujú dieru-kompenzačného portu steny. Tento prechod bude pravdepodobne pokračovať, pričom tieto architektúry potenciálne nahradia väčšinu konvenčných dizajnov v nových vozidlách.

Keďže ESP sa celosvetovo stále používa, schopnosť piestového{0}}hlavného valca poskytovať veľké, okamžité objemy kvapaliny ho výrazne predurčuje pre budúce aplikácie. Postupné zavádzanie systémov elektronickej parkovacej brzdy a iných elektronických riadiacich systémov už medzitým viedlo k obmedzenému nasadeniu hlavných valcov so snímačmi polohy piestov.

Referencie

[1] Predpisy pre automobilový brzdový systém. Americká federálna bezpečnostná norma pre motorové vozidlá č. 105 (FMVSS 105), predpis EHK OSN č. 13.

[2] Dvojokruhová-regulácia hlavného valca. Americká federálna bezpečnostná norma pre motorové vozidlá, mandát z roku 1967.

[3] Harmonogram implementácie ABS a ESP. Povinné ABS pre nové osobné vozidlá od roku 2004, povinné ESP od roku 2014.

[4] Technológia hlavného valca so stredovým ventilom. Brzdové systémy Bosch. Zmiernenie poškodenia primárneho tesnenia misky v aplikáciách ABS.

[5] Analýza trhu hlavných brzdových valcov 2025-2032. Stratistika MRC. Veľkosť trhu 3,7 miliardy v roku 2025, predpokladaná na 3,7 miliardy v roku 2025, predpokladaná na 5,4 miliardy do roku 2032 pri 5,5 % CAGR.

[6] Príručky Haynes. Pochopenie hlavného valca vášho auta. História vývoja 1960-1967.

[7] SAE International. Hydraulické hlavné valce SAE J1154 pre brzdy motorových vozidiel – Požiadavky na výkon (najnovšia revízia).

[8] Patenty hlavného valca-piestu. Hyundai MOBIS, Bosch. Dizajn a výrobné špecifikácie.