Эволюция и структурные характеристики главных автомобильных гидравлических тормозных цилиндров

С тех пор как Карл Бенц построил первый одноцилиндровый трехцилиндровый-колесный автомобиль в 1885 году, транспортные средства сопровождали социальное развитие человечества на протяжении более столетия. Тормозная система, как важнейшая система безопасности автомобиля, постоянно развивалась вместе с прогрессом автомобилестроения. Главный гидравлический тормозной цилиндр, являющийся основой передачи энергии гидравлической тормозной системы, неоднократно подвергался модернизации и усовершенствованию.

Траекторию разработки главного тормозного цилиндра можно проследить в несколько основных этапов: одноконтурный главный цилиндр, тип клапана остаточного-давления-, двухконтурный (тандемный) главный цилиндр и конфигурации, разработанные с учетом требований анти-тормозной системы (ABS) и электронной программы стабилизации (ESP). На каждом этапе появлялись вариации, отвечающие конкретным потребностям в дизайне и производительности. В этом документе обсуждается путь разработки каждой основной конфигурации, структурные особенности, принципы работы и аспекты производства.

До 1967 года большинство главных автомобильных цилиндров представляли собой простые-бачки с одним поршнем и одним уплотнением. У этой архитектуры был существенный недостаток: если протекал колесный цилиндр, выходила из строя тормозная магистраль или выходило из строя единственное внутреннее уплотнение, водитель мог полностью потерять торможение.

Прорыв в обеспечении безопасности произошел в 1962 году, когда Cadillac представил двухконтурную тормозную систему с отдельными передними и задними гидравлическими линиями. Если в одном контуре возникнет утечка, другой все равно сможет остановить автомобиль. Компания American Motors также на ранних этапах внедрила системы с раздельными-цилиндрами, хотя их архитектура с диагональным-разделением цилиндров разделяла контуры между одним передним и одним задним колесами на противоположных сторонах-, что повышало безопасность, но еще не обеспечивало полного разделения передней-задней части автомобиля.

Несколько производителей независимо друг от друга работали над двухцилиндровыми-системами со встроенным- резервированием. Wagner Electric была одной из первых, кому это удалось. Настоящий поворотный момент наступил в 1967 году, когда федеральное правительство США потребовало, чтобы все автомобили были оборудованы двойным-главным тормозным цилиндром с отдельными контурами на случай отказа магистрали или других неисправностей.

Современные двухконтурные главные цилиндры-обычно имеют две отдельные камеры, разделяющие передний и задний тормозные контуры, хотя в некоторых конфигурациях они все еще разделены по диагонали. Такое расположение предотвращает полную потерю торможения в случае выхода из строя одного уплотнения или возникновения утечки давления. Более 75% торможения осуществляется передними колесами, а это означает, что отказ задних тормозов может остаться незамеченным водителем, но передние остаются полностью работоспособными.

Оперативно, когда педаль тормоза нажата, усилие передается через толкатель-шток на поршень главного цилиндра. Поршень имеет два уплотнения и перемещается внутри двух камер, причем для каждого контура предусмотрена линия. Когда поршни продвигаются вперед, создается гидравлическое давление, которое перемещает более крупные поршни в суппортах или колесных цилиндрах, останавливая колеса.

1.1 Общее описание

Главный тормозной цилиндр плунжерного-двухконтурного-контурного тормоза-также называемый в некоторых отраслевых изданиях беспортовым или-типом с центральной подачей-, представляет собой фундаментальное отличие от традиционной конструкции главного тормозного цилиндра. Вместо размещения компенсационных каналов в стенке цилиндра в этой конструкции компенсационные каналы располагаются на самом поршне. Это, казалось бы, простое изменение положения имеет серьезные последствия для системной интеграции, долговечности при циклическом использовании ABS/ESP и компактности упаковки.

Главный цилиндр плунжерного-типа имеет компактную конструкцию. Его внутренние компоненты складываются вместе, как секции антенны, позволяя всему узлу плавно выдвигаться и втягиваться. Такое телескопическое расположение значительно уменьшает осевоедлина установки-обычнооколо половинычем обычные главные цилиндры-при одновременном соблюдениистрогий гидравлическийтребования современных систем ABS и ESP.

1.2 Структурные характеристики

Наиболее отличительной особенностью главного цилиндра плунжерного-типа является расположение компенсационных отверстий на поршне, а не в стенке цилиндра. В этой конструкции отсутствует острый край обычного отверстия-бокового отверстия, который исторически был основным местом выхода из строя первичных манжетных уплотнений. Это также обеспечивает гораздо большую общую площадь компенсационного потока.-По окружности поршня можно расположить несколько отверстий.

Кроме того, поскольку вся эффективная длина поршня используется для уплотнения контакта со стенкой отверстия цилиндра, общая длина корпуса цилиндра может быть существенно уменьшена.

1.3 Принцип работы

В состоянии покоя первичный и вторичный контуры открыты для резервуара через установленные на поршне компенсационные порты-. Когда водитель нажимает педаль тормоза, первичный поршень движется вперед. Компенсационные порты проходят мимо первичного манжетного уплотнения, которое теперь прилегает к гладкой непрерывной поверхности отверстия. После обхода портов камера давления герметизируется и создается гидравлическое давление, подавая жидкость в тормозные контуры.

После отпускания педали поршень возвращается под действием пружины. Компенсационные порты-входят в область за первичным уплотнением манжеты, восстанавливая-сообщение между камерой давления и резервуаром, позволяя жидкости течь обратно и пополнять камеру по мере необходимости.

1.4 Ключевые отличия от традиционных конструкций главного цилиндра

• 1.4.1 Значительно уменьшенная осевая длина

Поскольку внутренние компоненты выдвигаются друг в друга, общая длина сборки может составлятьрадикально сокращен-часто примерно вдвое меньше, чем у обычного тандемного главного цилиндра с сопоставимым диаметром отверстия и выходным объемом. Это преимущество упаковки имеет решающее значение для автомобилей с тесным расположением моторного отсека.

• 1.4.2 Прямая совместимость с системами ABS

Обычные главные цилиндры с компенсационными отверстиями-на стенке показали высокий уровень повреждения первичного уплотнения чашки при использовании с ABS. Причина кроется в динамике работы АБС: во время активной работы АБС система неоднократно сбрасывает и-повышает давление тормозной жидкости. Это заставляет поршень главного цилиндра колебаться в узком диапазоне. В традиционной конструкции это колебание часто позиционирует первичное уплотнение манжеты точно в месте расположения компенсационного порта. Под высоким давлением уплотнительная чашка вдавливается в отверстие порта, что приводит к быстрому износу уплотнения, порезам или сбою экструзии.

В конструкции плунжерного-типа компенсационные порты перемещаются вместе с поршнем. Первичное манжетное уплотнение контактирует только с гладкой стенкой цилиндра во всем диапазоне хода. Ни одна кромка порта не контактирует с уплотнением ни при каком положении поршня, что практически исключает этот вид отказа.

• 1.4.3 Совместимость с высокими-требованиями к расходу ESP

Системы электронной программы стабилизации (ESP), которые все чаще используются во всем мире, требуют, чтобы главный цилиндр подавал большие объемы тормозной жидкости за очень короткие промежутки времени для автоматического вмешательства в тормозную систему. Конструкция плунжерного-типа удовлетворяет этому требованию благодаря способности включать несколько крупных компенсационных отверстий, расположенных по окружности поршня. Эта конструкция стала предпочтительной архитектурой для автомобилей, оснащенных ESP.

1.5 Технические характеристики изготовления главных цилиндров плунжерного-типа

Надлежащее уплотнение между первичным манжетным уплотнением и поршнем должно быть сбалансировано с учетом необходимости обхода манжетного уплотнения жидкостью во время фазы компенсации. Кроме того, плавное скольжение без заеданий требует точного контроля округлости отверстия, прямолинейности поршня и качества поверхности.

2 Центральный клапан, двухконтурный-главный тормозной цилиндр

2.1 Общее описание

Главный цилиндр с центральным клапаном-был специально разработан для использования в автомобилях,-оснащенных ABS. Как и конструкция плунжерного-типа, в ней отсутствует обычный компенсационный порт-стенки отверстия, но достигается это за счет другого механизма: внутреннего подпружиненного-клапана, расположенного в центре каждого поршня.

Патенты, описывающие конфигурации центрального клапана для анти-гидравлических тормозных систем, датируются серединой 1990-х годов, когда крупные производители, включая Bosch, разработали свои собственные производственные версии в начале 2000-х годов. Эта конструкция особенно подходит для легковых автомобилей, где пространство для упаковки менее ограничено, но долговечность ABS остается приоритетом.

2.2 Структурные характеристики

Отличительной особенностью главного цилиндра с центральным клапаном является полное отсутствие компенсационных отверстий в стенке цилиндра. Вместо этого каждый поршень включает осевой центральный клапан,-состоящий из небольшой пружины, тарельчатого клапана или шарика и уплотняющего седла-, которое контролирует гидравлическое сообщение между камерой давления и резервуаром. Отверстие цилиндра совершенно гладкое от исходного положения на всем протяжении хода, обеспечивая непрерывную поверхность уплотнения для первичных манжетных уплотнений.

Эта конструкция устраняет острый край компенсационного порта, который повреждает первичные манжетные уплотнения в традиционных конструкциях.

2.3 Отличия от традиционных конструкций главного цилиндра

Фундаментальное отличие заключается в конструкции: главные цилиндры типа с центральным клапаном-имеют центральный клапан и не имеют компенсационных отверстий. Обычные главные цилиндры имеют компенсационные порты и не имеют центрального клапана.

Функциональные последствия столь же значимы. В традиционной конструкции первичное уплотнение манжеты неоднократно проходит через кромку компенсационного порта во время нормального торможения. Этот механизм износа существенно ускоряется в системах ABS, где поршень быстро колеблется вблизи положения порта. В конструкциях с центральным клапаном-уплотнение манжеты никогда не сталкивается с какими-либо отверстиями в стенке отверстия, что значительно продлевает срок службы уплотнения и цилиндра.

В частности, для приложений ABS эта разница имеет решающее значение. Когда активные циклы ABS вызывают пульсации давления в напорных камерах главного цилиндра, первичное уплотнение манжеты в конструкции центрального клапана просто перемещается по гладкой поверхности отверстия, не подвергаясь воздействию пульсирующего давления, которое могло бы вдавить обычное уплотнение в отверстие порта.

2.4 Принцип работы

В состоянии покоя центральный клапан удерживается открытым за счет силы пружины и геометрии механического упора. Тормозная жидкость из бачка течет через клапан, вокруг тарелки и в камеру давления. Когда водитель нажимает на педаль тормоза и начинается движение поршня, сила пружины клапана постепенно преодолевается, и седло клапана закрывается, прижимаясь к тарелке. После герметизации камера давления изолируется от резервуара, и дальнейшее движение поршня создает давление в захваченной жидкости, доставляя ее в тормозные контуры.

После отпускания педали давление возвратной пружины первоначально падает, пружина центрального клапана снова-открывает клапан, и жидкость вытекает обратно из резервуара в камеру давления.

Усилие пружины предварительного натяга центрального клапана необходимо тщательно выбирать. Когда сила предварительного натяга (F), разделенная на эффективную площадь уплотнения, обеспечивает гидравлическое давление обратного-открывания менее 0,03 МПа, компенсация тормозной жидкости ускоряется, скорость возврата главного цилиндра увеличивается и облегчается заправка тормозной жидкости вручную во время сборки.

2.5 Производственные спецификации главных цилиндров центрального клапана

Следующие характеристики представляют собой типичные требования для легковых автомобилей:

3 ключевые структурные тенденции и наблюдения

3.1 Развитие, основанное на регулировании-

Наиболее важной движущей силой эволюции главного цилиндра стало регулирование безопасности. Принятие в США в 1967 году требования к двухконтурным-контурным тормозным системам изменило всю отрасль. Аналогичным образом, требование Европейского Союза оборудовать все новые легковые автомобили анти-антиблокировочной тормозной системой (ABS) с 2004 года-и программой электронной стабилизации (ESP) с 2014 года-фундаментально изменило то, что должен делать главный цилиндр.

Требование ABS означает, что главные цилиндры теперь должны выдерживать пульсации давления и колебания уплотнений без преждевременного износа. Требование ESP означает, что главные цилиндры должны мгновенно подавать большие объемы жидкости для автоматического торможения. Эти требования не являются факультативными-. Они представляют собой юридический минимум для омологации транспортных средств на большинстве основных рынков.

3.2 Глобальная нормативно-правовая база

Для компонентов тормозной системы, предназначенных для экспорта, важно знать две доминирующие нормативные базы.

• ФМВСС 105 (США): Федеральный стандарт безопасности транспортных средств №. 105 распространяется на гидравлические тормозные системы легковых автомобилей, многоцелевых пассажирских транспортных средств, грузовых автомобилей и автобусов и требует проведения испытаний на тормозной путь, распределение тормозных усилий и целостность системы.
• ECE R13 (ЕС и многие другие рынки): Правила ООН №. 13 охватывают единообразные положения по официальному утверждению транспортных средств категорий M, N и O в отношении торможения. Он широко распространен в Европе, Азии, на Ближнем Востоке и за его пределами.

Современные автомобили должны соответствовать одному или обоим этим стандартам, а конструкция главного цилиндра должна соответствовать соответствующим протоколам испытаний.

3.3 Переход к беспортовым архитектурам

Обычные отверстия-настенные порты продемонстрировали проблемы с надежностью при циклическом использовании ABS. Как в конструкции плунжерного-типа, так и в конструкции с центральным клапаном- кромка порта устраняется, причем каждая из них использует свой механизм. Какая архитектура в конечном итоге будет доминировать, остается открытым вопросом, хотя конструкция плунжерного типа - предлагает преимущества в осевой длине и пропускной способности, которые могут оказаться решающими для будущих применений.

3.4 Интеграция с электронными системами управления

Программа электронной стабилизации (ESP) и новое поколение тормозных-по-систем требуют наличия главных тормозных цилиндров, способных быстро подавать жидкость в больших-объемах, а также интеграции с электронными блоками управления и датчиками положения. Хотя полностью автономные транспортные средства (уровни 4 и 5) могут в конечном итоге снизить зависимость от гидравлических компонентов в пользу чисто электронного торможения, ожидается, что тормозное-по-проводному устройству сохранит гидравлическую основу в обозримом будущем.

Эволюция главного тормозного цилиндра следовала двум основным движущим силам: совершенствованию требований к безопасности торможения транспортных средств, предъявляемых мировыми правилами, которые постоянно поднимают планку безопасности, надежности и совместимости с другими компонентами тормозной системы; а также постоянное совершенствование конструкции и производственных процессов главного цилиндра для достижения более высоких характеристик, снижения затрат и более компактной упаковки.

Поскольку ABS теперь входит в стандартную комплектацию всех новых легковых автомобилей на большинстве рынков (введена в действие с 2004 года) и ESP обязательна с 2014 года, главные цилиндры должны надежно выдерживать циклическое переключение ABS и соответствовать требованиям ESP по расходу. Промышленность переходит на конструкции без портов-как с центральным клапаном, так и с плунжерным-типом-, в которых отсутствует компенсационный порт-стенки. Этот переход, вероятно, продолжится, поскольку эти архитектуры потенциально заменят большинство традиционных конструкций в новых автомобилях.

Поскольку система ESP продолжает применяться во всем мире, способность главного цилиндра плунжерного-типа обеспечивать большие мгновенные объемы жидкости делает его надежным кандидатом на будущее. Между тем постепенное внедрение электронных систем стояночного тормоза и других электронных систем управления уже привело к ограниченному использованию главных цилиндров с датчиками положения поршней.

Ссылки

[1] Правила в отношении автомобильных тормозных систем. Федеральный стандарт безопасности транспортных средств США №. 105 (FMVSS 105), Правила ЕЭК ООН №. 13.

[2] Двухконтурное-регулирование главного цилиндра. Федеральный стандарт безопасности транспортных средств США, мандат 1967 года.

[3] График внедрения ABS и ESP. Обязательная ABS для новых легковых автомобилей с 2004 года, обязательная ESP с 2014 года.

[4] Технология главного цилиндра с центральным клапаном. Тормозные системы Бош. Уменьшение повреждений первичного уплотнения манжеты при использовании ABS.

[5] Анализ рынка главных тормозных цилиндров на 2025–2032 годы. Стратистика MRC. Размер рынка составит 3,7 миллиарда в 2025 году, прогнозируется, что он достигнет 3,7 миллиарда в 2025 году, а к 2032 году прогнозируется достичь 5,4 миллиарда при среднегодовом темпе роста 5,5%.

[6] Руководства Хейнса. Понимание главного цилиндра вашего автомобиля. История развития 1960-1967 гг.

[7] САЭ Интернэшнл. SAE J1154 Гидравлические главные цилиндры тормозов автомобилей. Требования к эксплуатационным характеристикам (последняя редакция).

[8] Патенты на главный цилиндр плунжерного-типа. Хюндай МОБИС, Бош. Особенности конструкции и изготовления.