Utveckling och strukturella egenskaper hos fordonshydrauliska bromshuvudcylindrar

Sedan Karl Benz byggde den första en-encylindriga tre-bilen 1885, har fordon följt människans sociala utveckling i över ett sekel. Bromssystemet, som det kritiska säkerhetssystemet för ett fordon, har kontinuerligt utvecklats tillsammans med fordonsframsteg. Den hydrauliska bromshuvudcylindern har gjorts om och förbättrats upprepade gånger, som hjärtat i energileveransen för det hydrauliska bromssystemet.

Utvecklingsbanan för huvudbromscylindern kan spåras genom flera stora steg: den enkla-huvudcylindern, den resterande -trycks-ventiltypen, den dubbla-huvudcylindern med dubbla kretsar (tandem) och konfigurationer utformade för att tillgodose kraven på anti-bromssystem (ABS) och elektroniskt stabilitetsprogram (ESP). I varje steg uppstod variationer för att möta specifika design- och prestandabehov. Det här dokumentet diskuterar varje större konfigurations utvecklingsväg, strukturella egenskaper, driftsprinciper och tillverkningsöverväganden.

Före 1967 var de flesta huvudcylindrar för bilar enkla saker-en enda reservoar med en kolv och en tätning. Denna arkitektur hade en betydande nackdel: om en hjulcylinder läckte, en bromsledning misslyckades eller den enda inre tätningen gick dåligt, kunde föraren förlora bromsningen helt.

Genombrottet mot säkerhetsredundans kom 1962, när Cadillac introducerade ett bromssystem med dubbla-kretsar med separata främre och bakre hydraulledningar. Om en krets drabbades av en läcka kunde den andra fortfarande stoppa fordonet. American Motors använde också tidigt delade-cylindersystem, även om deras diagonala-delade arkitektur delade kretsar mellan ett framhjul och ett bakhjul på motsatta sidor-en design som förbättrade säkerheten men som ännu inte var en fullständig främre-bakre separation.

Flera tillverkare arbetade oberoende av varandra på dubbla-cylindriga system med inbyggd-redundans. Wagner Electric var bland de första som lyckades. Den verkliga vändpunkten kom 1967, när den amerikanska federala regeringen gav mandat att alla fordon måste vara utrustade med en dubbel-huvudbromscylinder med separata kretsar i händelse av linjefel eller andra fel.

Dagens huvudcylindrar med dubbla-kretsar har vanligtvis två separata kammare som skiljer de främre och bakre bromskretsarna åt, även om vissa konfigurationer fortfarande delas diagonalt. Detta arrangemang förhindrar total förlust av bromsning om en tätning går sönder eller en tryckläcka uppstår. Mer än 75 % av bromsningen utförs av framhjulen, vilket innebär att bakbromsfel kan gå obemärkt förbi av föraren, men fronten förblir fullt fungerande.

Operativt, när bromspedalen trycks ned överförs kraften genom tryck-stången till huvudcylinderkolven. Kolven har två tätningar och rör sig inom två kammare, med en linje dedikerad till varje krets. När kolvarna tvingas framåt bygger hydraultrycket upp och flyttar större kolvar i bromsoken eller hjulcylindrarna, vilket stoppar hjulen.

1.1 Allmän beskrivning

Kolv-typ dubbel-kretsbromshuvudcylinder-som i viss branschlitteratur även hänvisas till som portlös eller mitt-matningstyp-representerar en grundläggande avvikelse från konventionell huvudcylinderarkitektur. Istället för att placera kompensationsportar i cylinderhålets vägg, lokaliserar denna design kompensationspassagerna på själva kolven. Denna till synes enkla ompositionering har betydande konsekvenser för systemintegration, hållbarhet under ABS/ESP-cykling och kompakt förpackning.

Huvudcylindern av kolvtyp- är strukturellt kompakt. Dess interna komponenter teleskoperar ihop som antennsektioner, vilket gör att den övergripande enheten kan förlängas och dras in smidigt. Detta teleskoparrangemang reducerar avsevärt axialinstallationslängd-vanligtvisungefär hälftendet för konventionella huvudcylindrar-samtidigt som de mötersträng hydraulikflödeskrav för moderna ABS- och ESP-system.

1.2 Strukturella egenskaper

Det mest utmärkande för huvudcylindern av kolvtyp- är placeringen av kompensationsportar på kolven snarare än i cylinderns hålvägg. Den här designen eliminerar den vassa kanten på en konventionell sidoport för hål-, som historiskt sett var en primär felplats för primära kopptätningar. Det ger också en mycket större total kompensationsflödesarea-flera portar kan anordnas runt kolvens omkrets.

Dessutom, eftersom kolvens hela effektiva längd utnyttjas för tätande kontakt med cylinderhålets vägg, kan cylinderkroppens totala längd väsentligt reduceras.

1.3 Verksamhetsprincip

I vila är de primära och sekundära kretsarna öppna till reservoaren via de kolvmonterade kompensationsportarna.- När föraren trycker ned bromspedalen rör sig primärkolven framåt. Kompensationsportarna går förbi den primära kopptätningen, som nu åker mot en slät oavbruten borryta. När portarna förbikopplas tätas tryckkammaren och hydraultrycket byggs upp, vilket levererar vätska till bromskretsarna.

När pedalen släpps återgår kolven under fjäderkraft. Kompensationsportarna-träder åter in i området förbi den primära kopptätningen,-återställer kommunikationen mellan tryckkammaren och reservoaren, vilket låter vätska strömma tillbaka och fylla på kammaren vid behov.

1.4 Viktiga skillnader från konventionella huvudcylinderkonstruktioner

• 1.4.1 Avsevärt reducerad axiell längd

Eftersom interna komponenter teleskoperar inuti varandra, kan den totala monteringslängden varadrastiskt förkortat-ofta till ungefär hälften av en konventionell tandemhuvudcylinder med jämförbar håldiameter och utgående volym. Denna förpackningsfördel är avgörande för fordon med snäva motorrumslayouter.

• 1.4.2 Direkt kompatibilitet med ABS-system

Konventionella huvudcylindrar med hål-väggkompensationsportar har visat höga frekvenser av primära koppstätningar när de används med ABS. Anledningen ligger i driftdynamiken hos ABS: under aktiv ABS-cykling släpper systemet upprepade gånger och åter-trycksätter bromsvätskan. Detta får huvudcylinderkolven att svänga inom ett smalt område. I en konventionell konstruktion placerar denna svängning ofta den primära skåltätningen exakt på platsen för kompensationsporten. Under högt tryck tvingas tätningskoppen in i portöppningen, vilket leder till snabbt tätningsförslitning, skärsår eller extruderingsfel.

I kolvtyp-utformningen går kompensationsportarna med kolven. Den primära skåltätningen kommer endast i kontakt med en slät cylindervägg genom hela dess slaglängd. Ingen portkant kommer i kontakt med tätningen vid något kolvläge, vilket praktiskt taget eliminerar detta felläge.

• 1.4.3 Kompatibilitet med ESP Höga-flödeskrav

ESP-system (Electronic Stability Program), som blir alltmer globalt pålagda, kräver att huvudcylindern levererar stora volymer bromsvätska under mycket korta tidsintervall för automatisk bromsingrepp. Utformningen av kolv-typ tillgodoser detta krav genom sin förmåga att inkorporera flera stora kompensationsportar arrangerade runt kolvens omkrets. Denna design har blivit den föredragna arkitekturen för fordon utrustade med ESP.

1.5 Tillverkningsspecifikationer för kolv-typ huvudcylindrar

Korrekt tätning mellan den primära kopptätningen och kolven måste balanseras mot behovet av vätska för att passera koppens tätning under kompensationsfasen. Dessutom kräver smidig glidning utan bindning exakt kontroll av hålets rundhet, kolvens rakhet och ytfinish.

2 Centerventil Dubbel-Circuit Brake Master Cylinder

2.1 Allmän beskrivning

Huvudcylindern av mittventil-typ utvecklades speciellt för användning med ABS-utrustade fordon. Liksom konstruktionen av kolvtyp-, eliminerar den den konventionella hål-väggkompensationsporten, men uppnår detta genom en annan mekanism: en intern fjäderbelastad ventil placerad i mitten av varje kolv.

Patent som beskriver centerventilkonfigurationer för -låsningsfria hydrauliska bromssystem går tillbaka till mitten av 1990-talet, där stora tillverkare inklusive Bosch utvecklade sina egna produktionsversioner i början av 2000-talet. Designen har visat sig särskilt lämpad för personbilstillämpningar där förpackningsutrymmet är mindre begränsat men ABS-hållbarhet förblir en prioritet.

2.2 Strukturella egenskaper

Det avgörande kännetecknet för en huvudcylinder för mittventil är den fullständiga frånvaron av kompensationsportar i cylinderns hålvägg. Istället har varje kolv en axiell mittventil-som består av en liten fjäder, en ventiltopp eller kula och ett tätningssäte-som styr vätskekommunikationen mellan tryckkammaren och behållaren. Cylinderhålet är helt slätt från viloläget genom hela slaglängden, vilket ger en oavbruten tätningsyta för de primära skåltätningarna.

Denna struktur eliminerar den skarpa kompensationsportens kant som skadar primära skåltätningar i konventionella konstruktioner.

2.3 Skillnader från konventionella huvudcylinderkonstruktioner

Den grundläggande skillnaden är strukturell: huvudcylindrar av mittventil-typ har en mittventil och har inga kompensationsportar. Konventionella huvudcylindrar har kompensationsportar och ingen mittventil.

Den funktionella konsekvensen är lika betydande. I en konventionell design passerar den primära skåltätningen upprepade gånger över kompensationsportens kant under normal inbromsning. Denna slitagemekanism accelereras avsevärt i ABS-tillämpningar, där kolven oscillerar snabbt nära portläget. I konstruktioner av mittventiltyp- möter kopptätningen aldrig någon öppning i hålets vägg, vilket dramatiskt förlänger tätningen och cylinderns livslängd.

Specifikt för ABS-applikationer är denna skillnad kritisk. När aktiva ABS-cykler orsakar tryckpulseringar i huvudcylinderns tryckkammare, åker den primära kopptätningen i en centrumventildesign helt enkelt över en slät hålyta, opåverkad av det pulserande trycket som skulle driva en konventionell tätning in i en portöppning.

2.4 Verksamhetsprincip

I vila hålls mittventilen öppen av fjäderkraft och mekanisk stoppgeometri. Bromsvätska från behållaren strömmar genom ventilen, runt tallriksventilen och in i tryckkammaren. När föraren trycker ned bromspedalen och kolvens rörelse börjar, övervinns ventilfjäderkraften gradvis och ventilsätet stängs mot tallriken. När den väl är förseglad isoleras tryckkammaren från behållaren och ytterligare kolvrörelse trycksätter den instängda vätskan och levererar den till bromskretsarna.

När pedalen släpps, sjunker returfjädertrycket initialt, mittventilfjädern -öppnar igen ventilen och vätska strömmar tillbaka från behållaren in i tryckkammaren.

Mittventilens förspänningsfjäderkraft måste väljas noggrant. När förspänningskraften (F) dividerat med den effektiva tätningsarean ger ett hydrauliskt bakåt-tryck på mindre än 0,03 MPa, accelereras bromsvätskekompensationen, huvudcylinderns returhastighet förbättras och manuell bromsvätskepåfyllning under monteringen underlättas.

2.5 Tillverkningsspecifikationer för huvudcylindrar för centrumventil

Följande specifikationer representerar typiska krav för tillämpningar för passagerarfordon:

3 Viktiga strukturella trender och observationer

3.1 Reglering-driven utveckling

Den viktigaste enskilda drivkraften för huvudcylinderutvecklingen har varit säkerhetsreglering. 1967 års amerikanska mandat för bromssystem med dubbla-kretsar förändrade hela branschen. På samma sätt har Europeiska unionens krav på att alla nya passagerarfordon ska vara utrustade med -låsningsfria bromssystem (ABS) från 2004 och framåt-och Electronic Stability Program (ESP) från 2014 och framåt{10}} fundamentalt förändrat vad en huvudcylinder måste göra.

ABS-kravet innebär att huvudcylindrar nu måste motstå tryckpulseringar och tätningsoscillationer utan för tidigt slitage. ESP-kravet innebär att huvudcylindrar måste leverera stora vätskevolymer omedelbart för automatiska bromsingrepp. Dessa krav är inte valfria-de är det lagstadgade minimumet för fordonshomologering på de flesta större marknader.

3.2 Globalt regelverk

För bromssystemkomponenter avsedda för export är medvetenhet om de två dominerande regelverken avgörande.

• FMVSS 105 (USA): Federal Motor Vehicle Safety Standard No. 105 täcker hydrauliska bromssystem för personbilar, multi-passagerarfordon, lastbilar och bussar, kräver tester för stoppsträcka, bromskraftsfördelning och systemintegritet.
• ECE R13 (EU och många andra marknader): FN:s föreskrifter nr. 13 täcker enhetliga bestämmelser för godkännande av fordon i kategorierna M, N och O med avseende på bromsning. Det är allmänt antaget i Europa, Asien, Mellanöstern och utanför.

Moderna fordon måste uppfylla en eller båda av dessa standarder, och huvudcylinderdesignen måste anpassas till motsvarande testprotokoll.

3.3 Förskjutningen mot portlösa arkitekturer

Konventionella hål-väggar har visat på tillförlitlighetsproblem under ABS-cykling. Både kolvtyp- och mittventil-design eliminerar portkanten, var och en genom olika mekanismer. Vilken arkitektur som i slutändan kommer att dominera är fortfarande en öppen fråga, även om designen av kolv-typ erbjuder fördelar i axiell längd och flödeskapacitet som kan visa sig vara avgörande för framtida tillämpningar.

3.4 Integration med elektroniska styrsystem

Electronic Stability Program (ESP) och den framväxande generationen av broms-by-system kräver huvudcylindrar som kan leverera snabb, hög-volym vätsketillförsel, såväl som integration med elektroniska styrenheter och positionssensorer. Även om helt autonoma fordon (nivå 4 och nivå 5) så småningom kan minska beroendet av hydrauliska komponenter till förmån för rent elektronisk bromsning, förväntas broms-med-vajer bibehålla en hydraulisk grund under överskådlig framtid.

Utvecklingen av huvudbromscylindern har följt två primära drivkrafter: de förbättrade kraven på fordonsbromssäkerhet som ställs av föreskrifter över hela världen, som kontinuerligt har höjt ribban för säkerhet, tillförlitlighet och kompatibilitet med andra bromssystemkomponenter; och den pågående förfiningen av huvudcylinderdesign och tillverkningsprocesser för att uppnå bättre prestanda, lägre kostnad och mer kompakt förpackning.

Med ABS nu standard på alla nya passagerarfordon på de flesta marknader (mandat sedan 2004) och ESP mandat sedan 2014, måste huvudcylindrarna på ett tillförlitligt sätt tåla ABS-cykler och uppfylla ESP-flödeskraven. Branschen konvergerar på portlösa konstruktioner-både centerventil och kolv-typ-som eliminerar borrnings-väggkompensationsporten. Denna övergång kommer sannolikt att fortsätta, med dessa arkitekturer som potentiellt kan ersätta de flesta konventionella konstruktioner i nya fordon.

Eftersom ESP fortsätter att användas globalt, positionerar huvudcylindern av kolvtyp-typ att tillhandahålla stora, momentana vätskevolymer den starkt för framtida tillämpningar. Samtidigt har det gradvisa införandet av elektroniska parkeringsbromsar och andra elektroniska styrsystem redan lett till begränsad användning av huvudcylindrar med kolvpositionssensorer.

Referenser

[1] Regler för bromssystem för fordon. USA:s federala säkerhetsstandard för motorfordon nr. 105 (FMVSS 105), UN ECE-föreskrifter nr. 13.

[2] Reglering av huvudcylinder med dubbla-kretsar. US Federal Motor Vehicle Safety Standard, mandat från 1967.

[3] Tidslinje för implementering av ABS och ESP. Obligatorisk ABS för nya personbilar från 2004, obligatorisk ESP från 2014.

[4] Huvudcylinderteknik för centrumventil. Bosch bromssystem. Primär minskning av skador på kopptätningar i ABS-applikationer.

[5] Huvudbromscylindrar Marknadsanalys 2025-2032. Stratistik MRC. Marknadsstorlek 3,7 miljarder år 2025, beräknad till 3,7 miljarder år 2025, beräknad till 5,4 miljarder år 2032 vid 5,5 % CAGR.

[6] Haynes manualer. Förstå din bils huvudcylinder. Utvecklingshistoria 1960-1967.

[7] SAE International. SAE J1154 Hydrauliska huvudcylindrar för motorfordonsbromsar – Prestandakrav (senaste revidering).

[8] Patent för huvudcylinder av kolvtyp-. Hyundai MOBIS, Bosch. Design- och tillverkningsspecifikationer.