Autojen hydraulisten jarrujen pääsylinterien kehitys ja rakenteelliset ominaisuudet

Siitä lähtien, kun Karl Benz rakensi ensimmäisen yksisylinterisen-kolmipyöräisen-auton vuonna 1885, ajoneuvot ovat seuranneet ihmisen sosiaalista kehitystä yli vuosisadan. Jarrujärjestelmä ajoneuvon kriittisenä turvajärjestelmänä on kehittynyt jatkuvasti autoteollisuuden kehityksen myötä. Hydraulisen jarrujärjestelmän energiansiirron ytimenä hydraulisen jarrun pääsylinteriä on toistuvasti suunniteltu uudelleen ja parannettu.

Jarrupääsylinterin kehityskulku voidaan jäljittää useiden päävaiheiden kautta: yksi-piiripääsylinteri, jäännös-paine-venttiilityyppi, kaksois-piirinen (tandem) pääsylinteri ja konfiguraatiot, jotka on suunniteltu mukautumaan jarrujen estämiseen (St Antiking System) (St{P4}AB) vaatimukset. Jokaisessa vaiheessa esitettiin muunnelmia tiettyjen suunnittelu- ja suorituskykytarpeiden täyttämiseksi. Tässä artikkelissa käsitellään kunkin suuren kokoonpanon kehityspolkua, rakenteellisia ominaisuuksia, toimintaperiaatteita ja valmistusnäkökohtia.

Ennen vuotta 1967 useimmat autojen pääsylinterit olivat yksinkertaisia,-yksi säiliö, jossa oli yksi mäntä ja yksi tiiviste. Tällä arkkitehtuurilla oli merkittävä haittapuoli: jos pyörän sylinteri vuotaa, jarruputki pettää tai yksittäinen sisäinen tiiviste meni rikki, kuljettaja saattoi menettää jarrutuksen kokonaan.

Turvallisuusredundanssin läpimurto tapahtui vuonna 1962, kun Cadillac esitteli kaksipiirijarrujärjestelmän, jossa on erilliset etu- ja takahydraulilinjat. Jos toinen piiri vuotaa, toinen voisi silti pysäyttää ajoneuvon. American Motors otti käyttöön myös split{4}}sylinteriset järjestelmät varhaisessa vaiheessa, vaikka niiden diagonaalinen-jaettu arkkitehtuuri jakoi piirit yhden etupyörän ja yhden takapyörän välillä vastakkaisilla puolilla-, mikä paransi turvallisuutta, mutta ei vielä ollut täydellinen etu-takaerottelu.

Useat valmistajat työskentelivät itsenäisesti kaksisylinteristen{0}}järjestelmien parissa, jotka tarjoavat sisäänrakennetun-redundanssin. Wagner Electric oli ensimmäisten joukossa menestyneitä. Todellinen käännekohta koitti vuonna 1967, kun Yhdysvaltain liittohallitus määräsi, että kaikki ajoneuvot on varustettava kahdella-jarrupääsylinterillä, jossa on erilliset piirit linjavian tai muiden vikojen varalta.

Nykypäivän kaksipiirisissä{0}}pääsylintereissä on tyypillisesti kaksi erillistä kammiota, jotka erottavat etu- ja takajarrupiirit, vaikka jotkin kokoonpanot jaetaan edelleen vinottain. Tämä järjestely estää jarrutuksen täydellisen häviämisen, jos yksi tiiviste rikkoutuu tai syntyy painevuoto. Yli 75 % jarrutuksesta suoritetaan etupyörien toimesta, mikä tarkoittaa, että takajarrun vika saattaa jäädä kuljettajalle huomaamatta, mutta etupyörä pysyy täysin toimivana.

Toiminnallisesti, kun jarrupoljinta painetaan, voima välittyy työntötangon- kautta pääsylinterin mäntään. Mäntä sisältää kaksi tiivistettä ja liikkuu kahdessa kammiossa, jossa kullekin piirille on omistettu linja. Kun mäntiä pakotetaan eteenpäin, hydraulipaine rakentaa ja siirtää suurempia mäntiä jarrusatulassa tai pyörän sylintereissä pysäyttäen pyörät.

1.1 Yleinen kuvaus

Mäntä-tyyppinen kaksoispiiri-jarrupääsylinteri-, johon viitataan joissakin alan kirjallisuudessa myös porttittomana tai keski{3}}syöttötyyppinä-, edustaa perustavanlaatuista poikkeamaa perinteisestä pääsylinteriarkkitehtuurista. Kompensointiporttien sijoittamisen sijaan sylinterin reiän seinämään tämä rakenne paikantaa kompensointikanavat itse männässä. Tällä näennäisesti yksinkertaisella uudelleensijoittelulla on merkittäviä vaikutuksia järjestelmän integrointiin, kestävyyteen ABS/ESP-pyöräilyn alla ja kompaktiin pakkaukseen.

Mäntä{0}}tyyppinen pääsylinteri on rakenteeltaan kompakti. Sen sisäiset komponentit teleskooppivat yhteen kuin antenniosat, mikä mahdollistaa kokonaisuuden laajenemisen ja vetäytymisen tasaisesti sisään. Tämä teleskooppijärjestely vähentää merkittävästi aksiaalistaasennuspituus-yleensänoin puolettavanomaisten pääsylintereiden -samalla, kun ne täyttävättiukka hydrauliikkanykyaikaisten ABS- ja ESP-järjestelmien virtausvaatimukset.

1.2 Rakenteelliset ominaisuudet

Mäntä{0}}tyyppisen pääsylinterin erottuvin piirre on kompensointiporttien sijoittaminen mäntään sylinterin reiän seinämän sijaan. Tämä rakenne eliminoi tavanomaisen reiän-sivuportin terävän reunan, joka on historiallisesti ollut ensisijaisten kuppien tiivisteiden ensisijainen vikapaikka. Se tarjoaa myös paljon suuremman kokonaiskompensointivirtausalueen-useita portteja voidaan järjestää männän kehän ympärille.

Lisäksi, koska männän koko tehollinen pituus käytetään tiivistämään kosketus sylinterin reiän seinämän kanssa, voidaan sylinterin rungon kokonaispituutta lyhentää oleellisesti.

1.3 Toimintaperiaate

Lepotilassa ensiö- ja toisiopiirit ovat avoinna säiliöön mäntä{0}}asennettujen kompensointiporttien kautta. Kun kuljettaja painaa jarrupoljinta, päämäntä liikkuu eteenpäin. Kompensointiaukot kulkevat ensisijaisen kupin tiivisteen ohi, joka nyt kulkee tasaista ja katkeamatonta porauspintaa vasten. Kun portit on ohitettu, painekammio tiivistetään ja hydraulinen paine muodostuu, mikä kuljettaa nestettä jarrupiireihin.

Kun poljin vapautetaan, mäntä palaa jousivoiman alaisena. Kompensaatioportit-menevät takaisin ensisijaisen kupin tiivisteen ohi olevalle alueelle ja muodostavat yhteyden painekammion ja säiliön välille uudelleen-, jolloin neste pääsee virtaamaan takaisin ja täydentämään kammiota tarpeen mukaan.

1.4 Tärkeimmät erot tavanomaisista pääsylintereistä

• 1.4.1 Huomattavasti pienempi aksiaalinen pituus

Koska sisäiset komponentit ovat kaukoputkessa toistensa sisällä, kokoonpanon kokonaispituus voi ollalyhennetty rajusti-usein noin puoleen verrattuna perinteiseen tandem-pääsylinteriin, jonka reiän halkaisija ja lähtötilavuus ovat vertailukelpoisia. Tämä pakkausetu on kriittinen ajoneuvoille, joissa on tiukat moottoritilat.

• 1.4.2 Suora yhteensopivuus ABS-järjestelmien kanssa

Perinteisissä pääsylintereissä, joissa on reiän-seinän kompensointiportit, on havaittu suuria määriä ensisijaisen kupin tiivistevaurioita, kun niitä on käytetty ABS:n kanssa. Syy on ABS:n toimintadynamiikassa: aktiivisen ABS-syklin aikana järjestelmä vapauttaa ja uudelleen-paineistaa jarrunestettä. Tämä saa pääsylinterin männän värähtelemään kapealla alueella. Perinteisessä rakenteessa tämä värähtely sijoittaa usein ensisijaisen kupin tiivisteen täsmälleen kompensointiportin kohtaan. Korkeassa paineessa tiivistekuppi pakotetaan portin aukkoon, mikä johtaa nopeaan tiivisteen kulumiseen, leikkauksiin tai suulakepuristusvirheeseen.

Mäntä{0}}tyyppisessä mallissa kompensointiaukot kulkevat männän mukana. Ensisijainen kupin tiiviste koskettaa vain sileää sylinterin reiän seinämää koko iskualueensa ajan. Mikään aukon reuna ei kosketa tiivistettä missään männän asennossa, mikä käytännössä eliminoi tämän vikatilan.

• 1.4.3 Yhteensopivuus ESP High{1}}Flow Demands -vaatimusten kanssa

Electronic Stability Program (ESP) -järjestelmät, joita käytetään yhä useammin maailmanlaajuisesti, edellyttävät, että pääsylinteri syöttää suuria määriä jarrunestettä hyvin lyhyissä aikaväleissä automaattista jarrutusta varten. Mäntä{1}}tyyppinen rakenne täyttää tämän vaatimuksen, koska siinä on useita suuria kompensointiportteja, jotka on järjestetty männän kehän ympärille. Tästä mallista on tullut ESP:llä varustetuissa ajoneuvoissa suosituin arkkitehtuuri.

1.5 Mänän{1}}tyyppisten pääsylinterien valmistustiedot

Ensisijaisen kupin tiivisteen ja männän välinen asianmukainen tiivistys on tasapainotettava sitä vastaan, että nestettä tarvitaan ohittamaan kupin tiiviste kompensointivaiheen aikana. Lisäksi tasainen liukuminen ilman sidontaa edellyttää reiän pyöreyden, männän suoruuden ja pinnan viimeistelyn tarkkaa hallintaa.

2-keskiventtiilin kaksois-piirijarrun pääsylinteri

2.1 Yleinen kuvaus

Keskiventtiili{0}}tyyppinen pääsylinteri on erityisesti kehitetty käytettäväksi ABS-varustetuissa ajoneuvoissa. Kuten mäntä-tyyppinen rakenne, se eliminoi perinteisen reiän-seinän kompensointiportin, mutta se saavutetaan eri mekanismilla: sisäisellä jousikuormitetulla-venttiilillä, joka on sijoitettu kunkin männän keskelle.

Patentit, jotka kuvaavat lukkiutumattomien hydraulisten jarrujärjestelmien keskiventtiilikokoonpanoja, ovat peräisin 1990-luvun puolivälistä, ja suuret valmistajat, kuten Bosch, kehittivät omia tuotantoversioitaan 2000-luvun alussa. Suunnittelu on osoittautunut erityisen sopivaksi henkilöautosovelluksiin, joissa pakkaustilaa on vähemmän rajoitettu, mutta ABS:n kestävyys on edelleen prioriteetti.

2.2 Rakenteelliset ominaisuudet

Keskiventtiilin pääsylinterin ominaispiirre on kompensointiporttien täydellinen puuttuminen sylinterin reiän seinämästä. Sen sijaan jokainen mäntä sisältää aksiaalisen keskiventtiilin, -joka koostuu pienestä jousesta, venttiilin lautasesta tai pallosta ja tiiviste-istukasta,-joka ohjaa nesteen yhteyttä painekammion ja säiliön välillä. Sylinterin reikä on täysin sileä lepoasennosta koko iskunpituuden ajan, mikä tarjoaa keskeytymättömän tiivistyspinnan ensisijaisille kupin tiivisteille.

Tämä rakenne eliminoi terävän kompensointiportin reunan, joka vahingoittaa tavanomaisten mallien ensisijaiset kupin tiivisteet.

2.3 Erot perinteisistä pääsylintereistä

Perimmäinen ero on rakenteellinen: keskiventtiili{0}}tyyppisissä pääsylintereissä on keskiventtiili, eikä niissä ole kompensointiportteja. Perinteisissä pääsylintereissä on kompensointiaukot eikä keskiventtiiliä.

Toiminnallinen seuraus on yhtä merkittävä. Perinteisessä rakenteessa ensiökupin tiiviste kulkee toistuvasti kompensointiaukon reunan yli normaalin jarrutuksen aikana. Tämä kulumismekanismi kiihtyy huomattavasti ABS-sovelluksissa, joissa mäntä värähtelee nopeasti lähellä porttia. Keskiventtiilin-tyyppisissä malleissa kupin tiiviste ei koskaan kohtaa aukkoa porauksen seinämässä, mikä pidentää dramaattisesti tiivisteen ja sylinterin käyttöikää.

Erityisesti ABS-sovelluksissa tämä ero on kriittinen. Kun ABS-aktiiviset syklit aiheuttavat paineen pulsaatioita pääsylinterin painekammioissa, keskiventtiilirakenteen ensisijainen kupin tiiviste yksinkertaisesti kulkee tasaisen reiän pinnan poikki, mihin ei vaikuta sykkivä paine, joka ajaisi tavanomaisen tiivisteen portin aukkoon.

2.4 Toimintaperiaate

Lepotilassa keskiventtiili pysyy auki jousivoiman ja mekaanisen pysäytysgeometrian avulla. Säiliöstä tuleva jarruneste virtaa venttiilin läpi lautasen ympärille ja painekammioon. Kun kuljettaja painaa jarrupoljinta ja männän liike alkaa, venttiilin jousivoima voitetaan vähitellen ja venttiilin istukka sulkeutuu lautasta vasten. Kun painekammio on suljettu, se eristetään säiliöstä, ja männän lisäliike paineistaa loukkuun jääneen nesteen ja kuljettaa sen jarrupiireihin.

Kun poljin vapautetaan, paluujousen paine laskee aluksi, keskiventtiilin jousi{0}}avaa venttiilin uudelleen ja neste virtaa takaisin säiliöstä painekammioon.

Keskiventtiilin esijännitysjousen voima on valittava huolellisesti. Kun esijännitysvoima (F) jaettuna tehokkaalla tiivistysalueella antaa takaisin-avaavaa hydraulipaineen alle 0,03 MPa, jarrunesteen kompensointi kiihtyy, pääsylinterin paluunopeus paranee ja jarrunesteen manuaalinen täyttö asennuksen aikana helpottuu.

2.5 Keskiventtiilin pääsylintereiden valmistustiedot

Seuraavat tekniset tiedot edustavat tyypillisiä henkilöautosovelluksiin liittyviä vaatimuksia:

3 Tärkeimmät rakenteelliset suuntaukset ja havainnot

3.1 Sääntelyyn perustuva-kehitys

Pääsylinterin kehityksen tärkein yksittäinen tekijä on ollut turvallisuussääntely. Yhdysvalloissa vuonna 1967 annettu kaksipiirijarrujärjestelmiä koskeva mandaatti muutti koko alan. Samoin Euroopan unionin vaatimus, jonka mukaan kaikki uudet henkilöautot on varustettava lukkiutumattomilla jarrujärjestelmillä (ABS) vuodesta 2004 alkaen-ja elektronisella ajonvakautusjärjestelmällä (ESP) vuodesta 2014 eteenpäin,{10}}on muuttanut perusteellisesti sitä, mitä pääsylinterin on tehtävä.

ABS-vaatimus tarkoittaa, että pääsylinterien on nyt kestettävä paineen pulsaatioita ja tiivisteen värähtely ilman ennenaikaista kulumista. ESP-vaatimus tarkoittaa, että pääsylintereiden on syötettävä suuria nestemääriä välittömästi automaattisia jarrutuksia varten. Nämä vaatimukset eivät ole valinnaisia,{2}}ne ovat laillinen vähimmäisvaatimus ajoneuvojen hyväksymiselle useimmilla suurilla markkinoilla.

3.2 Maailmanlaajuinen sääntelykehys

Vientiin tarkoitettujen jarrujärjestelmän osien osalta on olennaista tuntea kaksi hallitsevaa sääntelykehystä.

• FMVSS 105 (USA): Moottoriajoneuvojen liittovaltion turvallisuusstandardi nro{0}} kattaa henkilöautojen, moni-henkilöautojen, kuorma-autojen ja linja-autojen hydrauliset jarrujärjestelmät, pakottavat testit jarrutusmatkalle, jarruvoiman jakautumiselle ja järjestelmän eheydelle.
• ECE R13 (EU ja monet muut markkinat): YK:n sääntö nro{0}} kattaa yhtenäiset määräykset M-, N- ja O-luokkien ajoneuvojen hyväksynnästä jarrutuksen osalta. Se on laajalti käytössä Euroopassa, Aasiassa, Lähi-idässä ja sen ulkopuolella.

Nykyaikaisten ajoneuvojen on täytettävä jompikumpi tai molemmat näistä standardeista, ja pääsylinterin suunnittelussa on otettava huomioon vastaavat testiprotokollat.

3.3 Siirtyminen kohti portattomia arkkitehtuureja

Perinteiset poraus{0}}seinäportit ovat osoittaneet luotettavuusongelmia ABS-pyöräilyn aikana. Sekä männän-tyyppinen että keskiventtiili-tyyppinen rakenne eliminoi portin reunan, kumpikin eri mekanismin kautta. Se, mikä arkkitehtuuri lopulta hallitsee, on edelleen avoin kysymys, vaikka mäntä{5}}tyyppinen rakenne tarjoaa etuja aksiaalisen pituuden ja virtauskapasiteetin suhteen, mikä voi osoittautua ratkaisevaksi tulevissa sovelluksissa.

3.4 Integrointi elektronisiin ohjausjärjestelmiin

Elektroninen ajonvakautusohjelma (ESP) ja nouseva sukupolvi jarru-by-wire-järjestelmät vaativat pääsylintereitä, jotka pystyvät toimittamaan nopeaa ja suuren{2}}määrän nestettä, sekä integroitua elektronisiin ohjausyksiköihin ja asentoantureisiin. Vaikka täysin itseohjautuvat ajoneuvot (taso 4 ja taso 5) voivat lopulta vähentää riippuvuutta hydraulisista komponenteista puhtaasti elektronisen jarrutuksen hyväksi, -johtimen avulla tapahtuvan jarrutuksen- odotetaan ylläpitävän hydraulista perustaa lähitulevaisuudessa.

Jarrupääsylinterin kehitys on seurannut kahta päätekijää: ajoneuvojen jarrujen turvallisuuden parantamista koskevia vaatimuksia, jotka asetetaan maailmanlaajuisesti määräyksissä, jotka ovat jatkuvasti nostaneet rimaa turvallisuuden, luotettavuuden ja yhteensopivuuden suhteen muiden jarrujärjestelmän osien kanssa; ja jatkuva pääsylinterin suunnittelu- ja valmistusprosessien parantaminen paremman suorituskyvyn, alhaisempien kustannusten ja kompaktimman pakkauksen saavuttamiseksi.

Koska ABS on nyt vakiona kaikissa uusissa henkilöautoissa useimmilla markkinoilla (valtuutettu vuodesta 2004) ja ESP on pakollinen vuodesta 2014, pääsylinterien on kestettävä luotettavasti ABS-pyöräily ja täytettävä ESP:n virtausvaatimukset. Toimiala on lähestymässä porttomat mallit-sekä keskiventtiili että mäntä-tyyppi-, jotka eliminoivat reiän-seinän kompensointiportin. Tämä siirtymä todennäköisesti jatkuu, ja nämä arkkitehtuurit saattavat korvata useimmat perinteiset mallit uusissa ajoneuvoissa.

Koska ESP:n käyttöönotto jatkuu maailmanlaajuisesti, mäntä{0}}-pääsylinterin kyky tuottaa suuria, hetkellisiä nestetilavuuksia antaa sille vahvan aseman tulevia sovelluksia varten. Samaan aikaan elektronisten seisontajarrujärjestelmien ja muiden elektronisten ohjausjärjestelmien asteittainen käyttöönotto on jo johtanut männän asentoantureilla varustettujen pääsylinterien rajalliseen käyttöön.

Viitteet

[1] Autojen jarrujärjestelmiä koskevat määräykset. Yhdysvaltain liittovaltion moottoriajoneuvojen turvallisuusstandardi nro. 105 (FMVSS 105), YK:n Euroopan talouskomission sääntö nro. 13.

[2] Kaksipiirinen pääsylinterin säätö. Yhdysvaltain liittovaltion moottoriajoneuvojen turvallisuusstandardi, 1967 mandaatti.

[3] ABS:n ja ESP:n käyttöönoton aikajana. Pakollinen ABS uusissa henkilöautoissa vuodesta 2004, pakollinen ESP vuodesta 2014.

[4] Keskiventtiilin pääsylinteritekniikka. Bosch jarrujärjestelmät. Ensisijaisen kupin tiivisteen vaurioiden lieventäminen ABS-sovelluksissa.

[5] Jarrupääsylinterien markkina-analyysi 2025–2032. Stratistics MRC. Markkinoiden koko 3,7 miljardia vuonna 2025, ennustetaan saavuttavan 3,7 miljardia vuonna 2025, ennustetaan saavuttavan 5,4 miljardia vuoteen 2032 mennessä 5,5 %:n CAGR:llä.

[6] Haynes Manuals. Autosi pääsylinterin ymmärtäminen. Kehityshistoria 1960-1967.

[7] SAE International. SAE J1154 moottoriajoneuvojen jarrujen hydrauliset pääsylinterit – Suorituskykyvaatimukset (viimeisin versio).

[8] Mäntä{1}}tyyppinen pääsylinteripatentit. Hyundai MOBIS, Bosch. Suunnittelu- ja valmistustiedot.