Evoluția și Caracteristicile Structurale ale Cilindrilor Principali de Frână Hidraulici Auto

De când Karl Benz a construit primul automobil cu un singur-cilindru cu trei{-roți în 1885, vehiculele au însoțit dezvoltarea socială umană timp de peste un secol. Sistemul de frânare, ca sistem critic de siguranță al unui vehicul, a evoluat continuu odată cu progresul auto. Fiind inima livrării de energie a sistemului de frânare hidraulice, cilindrul principal de frână hidraulic a fost reproiectat și îmbunătățit în mod repetat.

Traiectoria de dezvoltare a cilindrului principal de frână poate fi urmărită prin mai multe etape majore: cilindrul principal cu un singur circuit-, tipul de supapă de-presiune- reziduală, cilindrul principal cu dublu-circuit (tandem) și configurații concepute pentru a satisface cerințele sistemului de frânare electronică (ESP) și sistemul de frânare anti-. La fiecare etapă, au apărut variații pentru a răspunde nevoilor specifice de design și performanță. Această lucrare discută calea de dezvoltare a fiecărei configurații majore, caracteristicile structurale, principiile de funcționare și considerentele de producție.

Înainte de 1967, majoritatea cilindrilor principali de automobile erau lucruri simple-un singur rezervor cu un piston și o etanșare. Această arhitectură avea un dezavantaj semnificativ: dacă un cilindru de roată s-a scurs, o linie de frână s-a defectat sau etanșarea internă unică s-a defectat, șoferul ar putea pierde complet frânarea.

Revoluția către redundanța de siguranță a avut loc în 1962, când Cadillac a introdus un sistem de frânare cu două circuite-cu linii hidraulice separate față și spate. Dacă un circuit a suferit o scurgere, celălalt ar putea încă opri vehiculul. American Motors a adoptat, de asemenea, sisteme de cilindri divizați-de la început, deși arhitectura lor diagonală-divizată a împărțit circuitele între o roată din față și o roată din spate pe părți opuse-un design care a îmbunătățit siguranța, dar nu era încă o separare completă față-spate.

Mai mulți producători au lucrat independent la sisteme cu dublu-cilindru, oferind o redundanță integrată-. Wagner Electric a fost printre primii care au reușit. Adevăratul punct de cotitură a sosit în 1967, când guvernul federal al SUA a impus ca toate vehiculele să fie echipate cu un cilindru principal de frână dublu-cu circuite separate în caz de defecțiune a liniei sau alte defecțiuni.

Cilindrii principali de circuit dublu-de azi au de obicei două camere separate care separă circuitele de frână față și spate, deși unele configurații încă se împart în diagonală. Acest aranjament previne pierderea totală a frânării dacă o etanșare se defectează sau se dezvoltă o scurgere de presiune. Peste 75% din frânare este efectuată de roțile din față, ceea ce înseamnă că defecțiunea frânei din spate poate trece neobservată de șofer, dar partea din față rămâne pe deplin funcțională.

Operațional, când pedala de frână este apăsată, forța este transmisă prin tija{0}}de împingere către pistonul cilindrului principal. Pistonul încorporează două etanșări și se mișcă în două camere, cu o linie dedicată fiecărui circuit. Pe măsură ce pistoanele sunt forțate înainte, presiunea hidraulică crește și mișcă pistoanele mai mari în etriere sau cilindrii roților, oprind roțile.

1.1 Descriere generală

Cilindrul principal de frână cu circuit dublu{-piston-circuit dublu-denumit și în literatura de specialitate ca tip fără port sau tip-alimentare centrală-reprezintă o abatere fundamentală de la arhitectura convențională a cilindrului principal. În loc să plaseze orificii de compensare în peretele alezării cilindrului, acest design localizează pasajele de compensare pe pistonul însuși. Această repoziționare aparent simplă are implicații semnificative pentru integrarea sistemului, durabilitatea în condiții de ciclism ABS/ESP și ambalarea compactă.

Cilindrul principal de tip piston-este compact din punct de vedere structural. Componentele sale interne se telescopează împreună ca secțiuni de antenă, permițând ansamblului general să se extindă și să se retragă fără probleme. Acest aranjament telescopic reduce semnificativ axiallungime de instalare-de obiceicam jumatatecel al cilindrilor principali convenționali-în timp ce se întâlnesc simultan cuhidraulic strictcerințele de flux ale sistemelor ABS și ESP moderne.

1.2 Caracteristici structurale

Cea mai distinctivă caracteristică a cilindrului principal de tip piston-este amplasarea orificiilor de compensare pe piston, mai degrabă decât în ​​peretele alezării cilindrului. Acest design elimină muchia ascuțită a unui orificiu-lateral convențional, care în trecut a fost un loc de defectare principal pentru etanșările primare ale cupei. De asemenea, oferă o zonă de debit de compensare totală mult mai mare-mai multe orificii pot fi aranjate în jurul circumferinței pistonului.

În plus, deoarece întreaga lungime efectivă a pistonului este utilizată pentru etanșarea contactului cu peretele alezării cilindrului, lungimea totală a corpului cilindrului poate fi redusă substanțial.

1.3 Principiul de funcționare

În repaus, circuitele primar și secundar sunt deschise către rezervor prin porturile de compensare montate pe piston-. Când șoferul apasă pedala de frână, pistonul primar se deplasează înainte. Porturile de compensare trec pe lângă sigiliul primar al cupei, care acum merge pe o suprafață netedă, neîntreruptă. Odată ce porturile sunt ocolite, camera de presiune este etanșată și presiunea hidraulică crește, furnizând lichid în circuitele de frânare.

La eliberarea pedalei, pistonul revine sub forța arcului. Porturile de compensare re-intră în zona de dincolo de etanșarea cupei primare, re-stabilind comunicarea între camera de presiune și rezervor, permițând fluidului să curgă înapoi și să umple camera după cum este necesar.

1.4 Diferențele cheie față de modelele convenționale ale cilindrului principal

• 1.4.1 Lungimea axială semnificativ redusă

Deoarece componentele interne se telescopează unele în altele, lungimea totală a ansamblului poate fiscurtat drastic-de multe ori la aproximativ jumătate față de un cilindru principal tandem convențional cu diametrul alezajului și volumul de ieșire comparabile. Acest avantaj de ambalare este esențial pentru vehiculele cu aspect strâns al compartimentului motorului.

• 1.4.2 Compatibilitate directă cu sistemele ABS

Cilindrii principali convenționali cu orificii de compensare-peretelui au prezentat rate ridicate de deteriorare a etanșării cupei primare atunci când sunt utilizate cu ABS. Motivul constă în dinamica de funcționare a ABS: în timpul ciclării ABS active, sistemul eliberează în mod repetat și re{2}}presurizează lichidul de frână. Acest lucru face ca pistonul cilindrului principal să oscileze într-un interval îngust. Într-un design convențional, această oscilație poziționează frecvent garnitura primară a cupei exact în locația orificiului de compensare. La presiune ridicată, cupa de etanșare este forțată în deschiderea portului, ceea ce duce la uzura rapidă a etanșării, tăieturi sau defecțiuni de extrudare.

În designul de tip piston-, orificiile de compensare se deplasează împreună cu pistonul. Garnitura primară a cupei intră în contact doar cu un perete neted al alezării cilindrului pe întreaga sa gamă de cursă. Nicio margine a porturilor nu atinge etanșarea în orice poziție a pistonului, eliminând practic acest mod de defecțiune.

• 1.4.3 Compatibilitate cu ESP High-Flow Demands

Sistemele Electronic Stability Program (ESP), din ce în ce mai solicitate la nivel global, necesită ca cilindrul principal să livreze cantități mari de lichid de frână la intervale de timp foarte scurte pentru intervenția automată a frânei. Designul de tip piston-se potrivește cu această cerință prin capacitatea sa de a încorpora mai multe orificii mari de compensare dispuse în jurul circumferinței pistonului. Acest design a devenit arhitectura preferată pentru vehiculele echipate cu ESP.

1.5 Specificații de fabricație pentru cilindrii principali de tip piston-

Etanșarea corespunzătoare între etanșarea cupei primare și piston trebuie echilibrată cu nevoia de lichid pentru a ocoli etanșarea cupei în timpul fazei de compensare. În plus, alunecarea lină fără legare necesită un control precis al rotunjimii alezajului, dreptății pistonului și finisajului suprafeței.

2 Cilindru principal de frână cu circuit dublu cu supapă centrală-

2.1 Descriere generală

Cilindrul principal de tip supapă centrală-a fost dezvoltat special pentru utilizarea cu vehicule echipate cu ABS-. Asemenea designului de tip piston-, elimină orificiul convențional de compensare-peretelui, dar realizează acest lucru printr-un mecanism diferit: o supapă internă încărcată cu arc- poziționată în centrul fiecărui piston.

Brevetele care descriu configurațiile supapelor centrale pentru sistemele de frânare hidraulice anti{0}}blocare datează de la mijlocul anilor 1990, producătorii importanți, inclusiv Bosch, dezvoltându-și propriile versiuni de producție la începutul anilor 2000. Designul s-a dovedit deosebit de potrivit pentru aplicațiile autoturismelor în care spațiul de ambalare este mai puțin restrâns, dar durabilitatea ABS rămâne o prioritate.

2.2 Caracteristici structurale

Caracteristica definitorie a unui cilindru principal cu supapă centrală este absența completă a orificiilor de compensare în peretele alezării cilindrului. În schimb, fiecare piston încorporează o supapă centrală axială-constând dintr-un arc mic, o sferă de supapă sau o bilă și un scaun de etanșare-care controlează comunicarea fluidului între camera de presiune și rezervor. Alezajul cilindrului este complet neted din poziția de repaus pe toată lungimea cursei, oferind o suprafață de etanșare neîntreruptă pentru garniturile primare ale cupei.

Această structură elimină marginea ascuțită a orificiului de compensare care deteriorează etanșările primare ale cupei în modelele convenționale.

2.3 Diferențele față de modelele convenționale ale cilindrului principal

Diferența fundamentală este structurală: cilindrii de bază de tip supapă centrală-încorporează o supapă centrală și nu au orificii de compensare. Cilindrii principali convenționali au orificii de compensare și nicio supapă centrală.

Consecința funcțională este la fel de semnificativă. Într-un design convențional, etanșarea cupă primară trece în mod repetat peste marginea orificiului de compensare în timpul frânării normale. Acest mecanism de uzură este substanțial accelerat în aplicațiile ABS, unde pistonul oscilează rapid în apropierea poziției portului. În modelele de tip supapă centrală-, etanșarea cupei nu întâlnește niciodată nicio deschidere în peretele găurii, prelungind dramatic durata de viață a etanșării și a cilindrului.

În special pentru aplicațiile ABS, această diferență este critică. Atunci când ciclurile active ale ABS provoacă pulsații de presiune în camerele de presiune a cilindrului principal, etanșarea primară a cupei dintr-un design de supapă centrală trece pur și simplu pe o suprafață netedă a găurii, neafectată de presiunea pulsatorie care ar conduce o etanșare convențională într-o deschidere a orificiului.

2.4 Principiul de funcționare

În repaus, supapa centrală este ținută deschisă prin forța arcului și geometria opritorului mecanic. Lichidul de frână din rezervor curge prin supapă, în jurul valvei și în camera de presiune. Atunci când șoferul apasă pedala de frână și începe mișcarea pistonului, forța arcului supapei este depășită treptat, iar scaunul supapei se închide împotriva clapetei. Odată etanșată, camera de presiune este izolată de rezervor, iar mișcarea ulterioară a pistonului presurizează fluidul prins, livrându-l către circuitele de frânare.

La eliberarea pedalei, presiunea arcului de retur scade inițial, arcul supapei central rea{0}}deschide supapa și fluidul curge înapoi din rezervor în camera de presiune.

Forța arcului de preîncărcare a supapei centrale trebuie selectată cu atenție. Când forța de preîncărcare (F) împărțită la zona efectivă de etanșare produce o presiune hidraulică cu deschidere inversă mai mică de 0,03 MPa, compensarea lichidului de frână este accelerată, viteza de întoarcere a cilindrului principal este îmbunătățită și umplerea manuală a lichidului de frână în timpul asamblarii este facilitată.

2.5 Specificații de fabricație pentru cilindrii principale cu supapă centrală

Următoarele specificații reprezintă cerințe tipice pentru aplicațiile pentru vehicule de pasageri:

3 Tendințe și observații structurale cheie

3.1 Dezvoltare bazată pe reglementări-

Cel mai important motor al evoluției cilindrului principal a fost reglementarea de siguranță. Mandatul SUA din 1967 pentru sistemele de frânare cu dublu-circuit a transformat întreaga industrie. În mod similar, cerința Uniunii Europene ca toate vehiculele noi de pasageri să fie echipate cu sisteme de frânare anti-blocare (ABS) începând cu 2004-și cu programul electronic de stabilitate (ESP) începând cu 2014-a schimbat fundamental ceea ce trebuie să facă un cilindru principal.

Cerința ABS înseamnă că cilindrii principali trebuie să reziste acum la pulsațiile de presiune și la oscilațiile etanșării fără uzură prematură. Cerința ESP înseamnă că cilindrii principali trebuie să livreze volume mari de lichid instantaneu pentru intervențiile de frânare automată. Aceste cerințe nu sunt opționale-sunt minimul legal pentru omologarea vehiculelor pe majoritatea piețelor majore.

3.2 Cadrul de reglementare global

Pentru componentele sistemului de frânare destinate exportului, conștientizarea celor două cadre de reglementare dominante este esențială.

• FMVSS 105 (SUA): Standardul federal de siguranță pentru vehicule cu motor nr.. 105 acoperă sistemele de frânare hidraulice pentru autoturisme, vehicule de pasageri, camioane și autobuze multifuncționale, impunând teste pentru distanța de oprire, distribuția forței de frânare și integritatea sistemului.
• ECE R13 (UE și multe alte piețe): Regulamentul ONU nr.. 13 acoperă dispoziții uniforme pentru omologarea vehiculelor din categoriile M, N și O în ceea ce privește frânarea. Este adoptat pe scară largă în Europa, Asia, Orientul Mijlociu și nu numai.

Vehiculele moderne trebuie să respecte unul sau ambele dintre aceste standarde, iar proiectarea cilindrului principal trebuie să se adapteze protocoalelor de testare corespunzătoare.

3.3 Trecerea către arhitecturi fără port

Porturile convenționale-peretelui au demonstrat probleme de fiabilitate în timpul ciclismului ABS. Atât modelele de tip piston-, cât și cele de tip supapă centrală-elimină marginea orificiului, fiecare printr-un mecanism diferit. Ce arhitectură va domina în cele din urmă rămâne o întrebare deschisă, deși designul de tip piston-oferă avantaje în ceea ce privește lungimea axială și capacitatea de curgere care se pot dovedi decisive pentru aplicațiile viitoare.

3.4 Integrarea cu sistemele electronice de control

Programul Electronic de Stabilitate (ESP) și generația emergentă de sisteme de frână-prin-sârmă necesită cilindri principali capabili să furnizeze fluide rapid,-de volum mare, precum și integrarea cu unități de control electronice și senzori de poziție. Deși vehiculele complet autonome (Nivelul 4 și Nivelul 5) pot reduce în cele din urmă dependența de componentele hidraulice în favoarea frânării pur electronice, se așteaptă ca frânarea-cu fir-să mențină o bază hidraulică în viitorul apropiat.

Evoluția cilindrului principal de frână a urmărit doi factori principali: îmbunătățirea cerințelor de siguranță a frânării vehiculelor impuse de reglementările din întreaga lume, care au ridicat continuu ștacheta pentru siguranță, fiabilitate și compatibilitate cu alte componente ale sistemului de frânare; și perfecționarea continuă a proceselor de proiectare și fabricație a cilindrului principal pentru a obține performanțe mai bune, costuri mai mici și ambalaje mai compacte.

Cu ABS acum standard pentru toate vehiculele noi de pasageri de pe majoritatea piețelor (mandat din 2004) și ESP obligatoriu din 2014, cilindrii principali trebuie să reziste în mod fiabil la ciclul ABS și să îndeplinească cerințele de debit ESP. Industria converge către modele fără port-atât cu supapă centrală, cât și cu piston-tip-care elimină orificiul de compensare-peretelui. Este probabil ca această tranziție să continue, aceste arhitecturi pot înlocui cele mai convenționale modele în vehiculele noi.

Pe măsură ce ESP continuă să fie adoptat la nivel global, capacitatea cilindrului principal de tip piston-de a furniza volume mari, instantanee de fluid, îl poziționează puternic pentru aplicații viitoare. Între timp, adoptarea treptată a sistemelor electronice de frână de mână și a altor sisteme electronice de control a condus deja la desfășurarea limitată a cilindrilor principali cu senzori de poziție a pistonului.

Referințe

[1] Reglementări privind sistemul de frânare auto. Standardul federal de siguranță al vehiculelor cu motor din SUA nr.. 105 (FMVSS 105), Regulamentul UN ECE nr.. 13.

[2] Reglarea cilindrului principal cu două-circuite. Standard federal de siguranță pentru vehicule cu motor din SUA, mandat din 1967.

[3] Cronologia implementării ABS și ESP. ABS obligatoriu pentru vehiculele noi de pasageri din 2004, ESP obligatoriu din 2014.

[4] Tehnologia cilindrului principal cu supapă centrală. Sisteme de franare Bosch. Reducerea deteriorării etanșării cupei primare în aplicațiile ABS.

[5] Analiza pieței cilindri principali de frână 2025-2032. Stratistic MRC. Dimensiunea pieței 3,7 miliarde în 2025, proiectată pentru aproximativ 3,7 miliarde în 2025, proiectată pentru aproximativ 5,4 miliarde până în 2032 la 5,5% CAGR.

[6] Manuale Haynes. Înțelegerea cilindrului principal al mașinii tale. Istoricul dezvoltării 1960-1967.

[7] SAE International. Cilindri principali hidraulici SAE J1154 pentru frânele autovehiculelor – Cerințe de performanță (ultima revizuire).

[8] Brevete pentru cilindru principal de tip piston-. Hyundai MOBIS, Bosch. Specificații de proiectare și fabricație.