Az autóipari hidraulikus fékfőhengerek fejlődése és szerkezeti jellemzői

Amióta Karl Benz 1885-ben megépítette az első egy{0}}hengeres, háromkerekű-kerekű autót, a járművek több mint egy évszázada kísérik az emberi társadalmi fejlődést. A fékrendszer, mint a jármű kritikus biztonsági rendszere, az autóipar fejlődésével párhuzamosan folyamatosan fejlődött. A hidraulikus fékrendszer energiaellátásának szíveként a hidraulikus fékfőhengert többször is újratervezték és továbbfejlesztették.

A főfékhenger fejlődési pályája több fő szakaszon keresztül követhető nyomon: az egy-körös főfékhenger, a maradék-nyomás-szelep típusa, a két-áramkörű (tandem) főfékhenger, valamint a konfigurációk, amelyeket úgy terveztek, hogy illeszkedjenek az S}Brakkolásgátló rendszerhez (ES) és St. {4}AB blokkolásgátló rendszerhez. követelményeknek. Minden szakaszban változatok jelentek meg a konkrét tervezési és teljesítményigények kielégítésére. Ez a cikk az egyes főbb konfigurációk fejlesztési útját, szerkezeti jellemzőit, működési elveit és gyártási szempontjait tárgyalja.

1967 előtt a legtöbb autóipari főfékhenger egyszerű dolog volt,-egy tartály egy dugattyúval és egy tömítéssel. Ennek az architektúrának volt egy jelentős hátránya: ha egy kerékhenger szivárog, egy fékvezeték meghibásodott, vagy az egyetlen belső tömítés meghibásodott, a vezető teljesen elveszítheti a fékezést.

Az áttörés a biztonsági redundancia felé 1962-ben következett be, amikor a Cadillac bevezette a kétkörös fékrendszert, külön első és hátsó hidraulika vezetékekkel. Ha az egyik áramkör szivárgást szenvedett, a másik továbbra is megállíthatja a járművet. Az American Motors korán bevezette a split-hengeres rendszereket is, bár az átlós-split architektúra felosztotta az áramköröket egy első és egy hátsó kerék között az ellenkező oldalon,-ez a kialakítás javította a biztonságot, de még nem volt teljes az első-hátsó elválasztás.

Számos gyártó önállóan dolgozott kéthengeres{0}}rendszereken, amelyek beépített-redundanciát kínáltak. A Wagner Electric az elsők között volt, akinek sikerült. Az igazi fordulópont 1967-ben következett be, amikor az Egyesült Államok szövetségi kormánya elrendelte, hogy minden járművet fel kell szerelni kettős-főfékhengerrel, külön áramkörrel, vezetékhiba vagy egyéb meghibásodás esetére.

A mai kettős{0}}körös főfékhengerek jellemzően két külön kamrával rendelkeznek, amelyek elválasztják az első és a hátsó fékkört, bár egyes konfigurációk még mindig átlósan osztódnak. Ez az elrendezés megakadályozza a fékhatás teljes elvesztését, ha valamelyik tömítés meghibásodik vagy nyomásszivárgás lép fel. A fékezés több mint 75%-át az első kerekek végzik, ami azt jelenti, hogy a hátsó fék meghibásodását a vezető nem veszi észre, de az első kerekek teljesen működőképesek maradnak.

Működésileg, amikor a fékpedált lenyomják, az erő a tolórúdon keresztül-átadódik a főhenger dugattyújához. A dugattyú két tömítést tartalmaz, és két kamrán belül mozog, mindegyik áramkörhöz külön vonallal. Ahogy a dugattyúk előre vannak kényszerítve, a hidraulikus nyomás növeli és elmozdítja a nagyobb dugattyúkat a féknyergekben vagy a kerékhengerekben, leállítva a kerekeket.

1.1 Általános leírás

A dugattyús-típusú, kétkörös-körös fékfékhenger-egyes iparági szakirodalomban portnélküli vagy középső-tápláló típusú-ként is emlegetik a hagyományos főfékhenger-architektúrától való alapvető eltérést. Ez a kialakítás ahelyett, hogy a kompenzációs nyílásokat a hengerfurat falába helyezné, magán a dugattyún helyezi el a kompenzációs járatokat. Ez a látszólag egyszerű áthelyezés jelentős hatással van a rendszerintegrációra, az ABS/ESP kerékpározás melletti tartósságra és a kompakt csomagolásra.

A dugattyús{0}}típusú főhenger szerkezetileg kompakt. Belső alkatrészei antennarészekhez hasonlóan teleszkóposak, lehetővé téve a teljes szerelvény zökkenőmentes ki- és behúzását. Ez a teleszkópos elrendezés jelentősen csökkenti az axiálisbeépítési hossz-általábankörülbelül a feléthogy a hagyományos főfékhengerek-egyidejűleg megfelelnek aszigorú hidraulikaa modern ABS és ESP rendszerek áramlási igényei.

1.2 Szerkezeti jellemzők

A dugattyús{0}}típusú főhenger legmeghatározóbb jellemzője a kompenzációs nyílások elhelyezése a dugattyún, nem pedig a hengerfurat falán. Ez a kialakítás kiküszöböli a hagyományos furat{2}}oldali nyílás éles szélét, amely a történelemben az elsődleges csészetömítések elsődleges meghibásodási helye volt. Sokkal nagyobb teljes kompenzációs áramlási területet is biztosít,{4}}több nyílás helyezhető el a dugattyú kerülete mentén.

Ezen túlmenően, mivel a dugattyú teljes effektív hosszát a hengerfurat falával való tömítő érintkezésre használják fel, a hengertest teljes hossza jelentősen csökkenthető.

1.3 Működési elv

Nyugalmi állapotban a primer és a szekunder kör a dugattyúra szerelt kompenzációs portokon keresztül nyitott a tartály felé. Amikor a vezető lenyomja a fékpedált, az elsődleges dugattyú előremozdul. A kompenzációs nyílások az elsődleges csésze tömítés mellett haladnak el, amely most egy sima, megszakítás nélküli furatfelületnek ütközik. A nyílások kiiktatása után a nyomáskamra lezárásra kerül, és hidraulikus nyomás keletkezik, amely folyadékot szállít a fékkörökhöz.

A pedál elengedésekor a dugattyú rugóerő hatására visszatér. A kompenzációs nyílások újra-bejutnak az elsődleges csésze tömítésen túli területre, helyreállítva a kommunikációt a nyomáskamra és a tartály között, lehetővé téve a folyadék visszaáramlását, és szükség szerint a kamrát.

1.4 Főbb különbségek a hagyományos főfékhenger-konstrukcióktól

• 1.4.1 Jelentősen csökkentett axiális hossz

Mivel a belső alkatrészek egymáson belül helyezkednek el, az összeszerelés teljes hossza lehetdrasztikusan lerövidült-gyakran hozzávetőlegesen a fele egy hasonló furatátmérőjű és kimeneti térfogatú hagyományos tandem főhengerének. Ez a csomagolási előny kritikus fontosságú a szűk motortér-elrendezésű járműveknél.

• 1.4.2 Közvetlen kompatibilitás ABS rendszerekkel

A furat{0}}falkiegyenlítő nyílásokkal rendelkező hagyományos főhengerek nagy arányban károsítják az elsődleges csésze tömítést, ha ABS-szel használták őket. Az ok az ABS működési dinamikájában rejlik: aktív ABS-ciklus közben a rendszer ismételten kiengedi és újra{2}}nyomás alá helyezi a fékfolyadékot. Ez azt eredményezi, hogy a főhenger dugattyúja szűk tartományon belül oszcillál. Hagyományos kivitelben ez az oszcilláció gyakran pontosan a kompenzációs nyílás helyére helyezi az elsődleges csésze tömítést. Nagy nyomás alatt a tömítőpohár beszorul a nyílásba, ami gyors tömítéskopáshoz, vágáshoz vagy extrudálási hibához vezet.

A dugattyús{0}}típusú kivitelben a kompenzációs nyílások a dugattyúval együtt haladnak. Az elsődleges csésze tömítés a teljes lökettartományban csak egy sima hengerfuratfallal érintkezik. A dugattyú egyetlen helyzetben sem érintkezik a tömítéssel, gyakorlatilag kiküszöbölve ezt a meghibásodási módot.

• 1.4.3 Kompatibilitás az ESP magas-áramlási igényeivel

Az elektronikus menetstabilizáló program (ESP) rendszerek, amelyek világszerte egyre inkább kötelezővé válnak, megkövetelik a főfékhengertől, hogy nagyon rövid időközönként nagy mennyiségű fékfolyadékot szállítson az automatikus fékbeavatkozáshoz. A dugattyú{1}}típusú kialakítása megfelel ennek a követelménynek azáltal, hogy képes több nagy kompenzációs portot beépíteni a dugattyú kerülete körül. Ez a kialakítás az ESP-vel felszerelt járművek preferált architektúrájává vált.

1.5 A dugattyús{1}}típusú főhengerek gyártási előírásai

Az elsődleges csésze tömítés és a dugattyú közötti megfelelő tömítést egyensúlyba kell hozni azzal a szükséglettel, hogy a kompenzációs fázisban folyadéknak kell megkerülnie a csésze tömítését. Ezenkívül a kötés nélküli sima csúszás a furat kerekségének, a dugattyús egyenességnek és a felületi minőségnek a pontos szabályozását igényli.

2 középső szelep, kettős{1}}áramköri fékfőhenger

2.1 Általános leírás

A középső szelep-típusú főfékhengert kifejezetten az ABS-felszereltségű járművekhez fejlesztették ki. A dugattyús-típusú kialakításhoz hasonlóan ez is kiküszöböli a hagyományos furat-falkompenzációs portot, de ezt egy másik mechanizmussal éri el: egy belső rugós-szeleppel, amely az egyes dugattyúk közepén helyezkedik el.

A blokkolásgátló hidraulikus fékrendszerek középső szelep-konfigurációit leíró szabadalmak az 1990-es évek közepéig nyúlnak vissza, és a nagy gyártók, köztük a Bosch, a 2000-es évek elején fejlesztették ki saját sorozatgyártású változataikat. A kialakítás különösen alkalmas személygépkocsi-alkalmazásokhoz, ahol a csomagolási hely kevésbé szűk, de az ABS tartóssága továbbra is prioritást élvez.

2.2 Szerkezeti jellemzők

A központi szelep főhenger meghatározó jellemzője a kompenzációs nyílások teljes hiánya a hengerfurat falában. Ehelyett minden dugattyú tartalmaz egy axiális középső szelepet-, amely egy kis rugóból, egy szelepfejből vagy golyóból áll, és egy tömítőülékből-, amely szabályozza a folyadékkommunikációt a nyomáskamra és a tartály között. A hengerfurat a nyugalmi helyzettől a teljes lökethosszon keresztül teljesen sima, megszakítás nélküli tömítőfelületet biztosítva az elsődleges csésze tömítések számára.

Ez a szerkezet kiküszöböli az éles kompenzációs nyílás szélét, amely károsítja a hagyományos kiviteleknél az elsődleges csésze tömítéseket.

2.3 Különbségek a hagyományos főfékhenger-konstrukcióktól

Az alapvető különbség szerkezeti: a középső szelep{0}}típusú főhengerek tartalmaznak egy központi szelepet, és nincsenek kompenzációs portjaik. A hagyományos főfékhengerek kompenzációs nyílásokkal rendelkeznek, és nincs központi szelep.

A funkcionális következmény ugyanilyen jelentős. Hagyományos kivitelben az elsődleges csésze tömítés normál fékezés közben többször áthalad a kompenzációs nyílás szélén. Ez a kopási mechanizmus lényegesen felgyorsult az ABS-alkalmazásokban, ahol a dugattyú gyorsan oszcillál a nyílás közelében. A középső szelep-típusú kiviteleknél a csésze tömítés soha nem találkozik nyílásokkal a furat falában, ami jelentősen megnöveli a tömítés és a henger élettartamát.

Kifejezetten az ABS alkalmazások esetében ez a különbség kritikus. Amikor az ABS aktív ciklusai nyomás lüktetést okoznak a főhenger nyomáskamráiban, a középső szelepes kialakítású elsődleges csésze tömítés egyszerűen áthalad egy sima furatfelületen, és nem befolyásolja a pulzáló nyomás, amely a hagyományos tömítést a nyílásba hajtaná.

2.4 Működési elv

Nyugalomban a középső szelepet a rugóerő és a mechanikus ütközőgeometria tartja nyitva. A fékfolyadék a tartályból a szelepen keresztül, a féktárcsa körül áramlik a nyomókamrába. Amikor a vezető lenyomja a fékpedált, és megindul a dugattyúmozgás, a szeleprugó ereje fokozatosan leküzdődik, és a szelepülék a fékpedálhoz ér. A tömítettség után a nyomáskamra el van választva a tartálytól, és a további dugattyúmozgás nyomás alá helyezi a visszatartott folyadékot, és eljuttatja azt a fékkörhöz.

A pedál elengedésekor a visszatérő rugó nyomása kezdetben csökken, a középső szelep rugója újra-nyitja a szelepet, és a folyadék visszaáramlik a tartályból a nyomókamrába.

A középső szelep előfeszítő rugóerejét gondosan meg kell választani. Ha az előfeszítő erő (F) elosztva a tényleges tömítési területtel, 0,03 MPa-nál kisebb visszanyitási

2.5 A középső szelep főhengereinek gyártási előírásai

Az alábbi specifikációk a személygépjármű-alkalmazások jellemző követelményeit képviselik:

3 Főbb szerkezeti trendek és megfigyelések

3.1 Szabályozás-vezérelt fejlesztés

A főfékhenger fejlődésének legfontosabb hajtóereje a biztonsági szabályozás volt. Az Egyesült Államok 1967-es, kétkörös fékrendszerekre vonatkozó felhatalmazása az egész iparágat átalakította. Hasonlóképpen, az Európai Unió azon előírása, hogy 2004-től minden új személygépjárművet blokkolásgátló fékrendszerrel (ABS)-és 2014-től elektronikus menetstabilizáló programmal (ESP) kell felszerelni,{10}}alapvetően megváltoztatta a főfékhenger feladatait.

Az ABS-követelmény azt jelenti, hogy a főfékhengereknek ellenállniuk kell a nyomás lüktetésének és a tömítés rezgésének idő előtti kopás nélkül. Az ESP követelmény azt jelenti, hogy a főfékhengereknek azonnal nagy mennyiségű folyadékot kell szállítaniuk az automatikus fékezési beavatkozásokhoz. Ezek a követelmények nem kötelezőek,{2}}ezek a törvényes minimumot jelentik a járművek homologizációjához a legtöbb nagy piacon.

3.2 Globális szabályozási keret

Az exportra szánt fékrendszer-alkatrészek esetében elengedhetetlen a két meghatározó szabályozási keret ismerete.

• FMVSS 105 (USA): A{0}} számú szövetségi gépjármű-biztonsági szabvány lefedi a személygépkocsik, több-célú személygépjárművek, teherautók és buszok hidraulikus fékrendszereit, kötelezően elvégzi a féktávolság, a fékerő-elosztás és a rendszerintegritás vizsgálatát.
• ECE R13 (EU és sok más piac): A(z) . 13 számú ENSZ-előírás egységes rendelkezéseket tartalmaz az M, N és O kategóriájú járművek fékezési jóváhagyására vonatkozóan. Széles körben elterjedt Európában, Ázsiában, a Közel-Keleten és azon túl.

A modern járműveknek e szabványok egyikének vagy mindkettőnek meg kell felelniük, és a főfékhenger kialakításának figyelembe kell vennie a megfelelő vizsgálati protokollokat.

3.3. Eltolódás a port nélküli architektúrák felé

A hagyományos furat{0}}fali csatlakozók megbízhatósági problémákat mutattak az ABS-ciklus során. Mind a dugattyú-típusa, mind a középső szelep-típusú kialakítás kiküszöböli a nyílás szélét, mindegyik más mechanizmus révén. Az, hogy végül melyik architektúra dominál, továbbra is nyitott kérdés, bár a dugattyús{5}}típusú kialakítás olyan előnyöket kínál a tengelyirányú hossz és az áramlási kapacitás tekintetében, amelyek meghatározóak lehetnek a jövőbeni alkalmazások számára.

3.4 Integráció elektronikus vezérlőrendszerekkel

Az elektronikus menetstabilizáló program (ESP) és a fék-by-fékrendszerek feltörekvő generációja olyan főhengereket igényel, amelyek képesek gyors, nagy mennyiségű folyadékszállításra, valamint integrálhatók elektronikus vezérlőegységekkel és helyzetérzékelőkkel. Bár a teljesen autonóm járművek (4. és 5. szint) végül csökkenthetik a hidraulikus alkatrészektől való függőséget a tisztán elektronikus fékezés javára, a-huzalos-fék várhatóan megőrzi a hidraulikus alapot a belátható jövőben.

A főfékhenger evolúciója két fő mozgatórugót követett: a járművek fékbiztonságának javuló követelményeit, amelyeket világszerte előírnak az előírások, amelyek folyamatosan emelték a lécet a biztonság, a megbízhatóság és a többi fékrendszer-alkatrészekkel való kompatibilitás terén; valamint a főfékhenger tervezési és gyártási folyamatainak folyamatos finomítása a jobb teljesítmény, alacsonyabb költségek és kompaktabb csomagolás érdekében.

Mivel az ABS a legtöbb piacon már alapfelszereltség az összes új személygépkocsiban (2004 óta), és az ESP 2014 óta kötelező, a főfékhengereknek megbízhatóan ellen kell állniuk az ABS-ciklusnak, és meg kell felelniük az ESP áramlási igényeinek. Az iparág közeledik a port nélküli kialakítások felé,-mind a középső szelep, mind a dugattyú-típusa-, amelyek kiküszöbölik a furat-falkompenzációs portot. Ez az átmenet valószínűleg folytatódni fog, és ezek az architektúrák potenciálisan felváltják a legtöbb hagyományos kialakítást az új járművekben.

Mivel az ESP továbbra is világszerte elterjedt, a dugattyús{0}}főhenger nagy, pillanatnyi folyadékmennyiséget biztosító képessége erősen pozicionálja a jövőbeli alkalmazásokhoz. Mindeközben az elektronikus rögzítőfékrendszerek és más elektronikus vezérlőrendszerek fokozatos átvétele már a dugattyúhelyzet-érzékelőkkel ellátott főhengerek korlátozott kiépítéséhez vezetett.

Hivatkozások

[1] Gépjárművek fékrendszerére vonatkozó előírások. Az Egyesült Államok szövetségi gépjármű-biztonsági szabványa: . 105 (FMVSS 105), ENSZ-EGB előírás: . 13.

[2] Kettős-körös főfékhenger szabályozás. Az Egyesült Államok szövetségi gépjármű-biztonsági szabványa, 1967. évi mandátum.

[3] Az ABS és az ESP megvalósítási ütemterve. 2004-től kötelező ABS az új személygépjárművekhez, 2014-től kötelező ESP.

[4] Központi szelep főfékhenger technológia. Bosch fékrendszerek. Elsődleges csésze tömítés sérülésének enyhítése ABS alkalmazásoknál.

[5] Főfékhenger-piaci elemzés 2025–2032. Stratistics MRC. A piac mérete 2025-ben 3,7 milliárd, az előrejelzések szerint 2025-ben eléri a 3,7 milliárdot, az előrejelzések szerint 2032-re eléri az 5,4 milliárdot 5,5%-os CAGR mellett.

[6] Haynes kézikönyvek. Az autó főfékhengerének megértése. Fejlődéstörténet 1960-1967.

[7] SAE International. SAE J1154 hidraulikus főfékhengerek gépjárműfékekhez – Teljesítménykövetelmények (legutóbbi változat).

[8] Dugattyú{1}}típusú főhenger-szabadalmak. Hyundai MOBIS, Bosch. Tervezési és gyártási előírások.