Evolució i característiques estructurals dels cilindres mestres de fre hidràulic d'automoció

Des que Karl Benz va construir el primer automòbil mono-de tres-rodes d'un cilindre, l'any 1885, els vehicles han acompanyat el desenvolupament social humà durant més d'un segle. El sistema de frens, com a sistema de seguretat crític d'un vehicle, ha evolucionat contínuament al costat del progrés de l'automoció. Com a cor del subministrament d'energia del sistema de frenada hidràulica, el cilindre mestre de fre hidràulic s'ha redissenyat i millorat repetidament.

La trajectòria de desenvolupament del cilindre mestre de fre es pot traçar a través de diverses etapes principals: el cilindre mestre d'un-circuit, el tipus de vàlvula de-pressió-residual, el cilindre mestre de doble-circuit (tàndem) i configuracions dissenyades per adaptar-se als requisits del sistema de frenada electrònica (ESP) i del sistema de frenada anti-. En cada etapa, van sorgir variacions per abordar necessitats específiques de disseny i rendiment. Aquest document analitza la ruta de desenvolupament de cada configuració principal, les característiques estructurals, els principis de funcionament i les consideracions de fabricació.

Abans de 1967, la majoria dels cilindres mestres d'automoció eren coses senzilles-un sol dipòsit amb un pistó i un segell. Aquesta arquitectura tenia un inconvenient important: si un cilindre de la roda filtrava, fallava una línia de fre o es feia malament el segell intern únic, el conductor podia perdre la frenada completament.

L'avenç cap a la redundància de seguretat es va produir l'any 1962, quan Cadillac va introduir un sistema de frenada de doble-circuit amb línies hidràuliques davanteres i posteriors separades. Si un circuit patia una fuita, l'altre encara podria aturar el vehicle. American Motors també va adoptar sistemes de cilindres dividits-des del principi, tot i que la seva arquitectura dividida en diagonal-dividia els circuits entre una roda davantera i una roda posterior en costats oposats-un disseny que millorava la seguretat però encara no era una separació frontal-darrera completa.

Diversos fabricants van treballar de manera independent en sistemes de doble-cilindre que ofereixen-redundància integrada. Wagner Electric va ser dels primers a tenir èxit. L'autèntic punt d'inflexió va arribar l'any 1967, quan el govern federal dels EUA va ordenar que tots els vehicles havien d'estar equipats amb un cilindre principal de fre dual- amb circuits separats en cas de fallada de la línia o d'altres fallades.

Els cilindres mestres de circuit dual-actuals solen tenir dues cambres separades que separen els circuits de fre davanter i posterior, tot i que algunes configuracions encara es divideixen en diagonal. Aquesta disposició evita la pèrdua total de frenada si un segell falla o es desenvolupa una fuita de pressió. Més del 75% de la frenada la fan les rodes davanteres, la qual cosa significa que la fallada del fre posterior pot passar desapercebuda per al conductor, però la part davantera continua sent totalment funcional.

Operacionalment, quan s'aprimeix el pedal del fre, la força es transmet a través de la-barra d'empenta al pistó del cilindre mestre. El pistó incorpora dos segells i es mou dins de dues cambres, amb una línia dedicada a cada circuit. A mesura que es força els pistons cap endavant, la pressió hidràulica augmenta i mou pistons més grans a les pinces o cilindres de les rodes, aturant les rodes.

1.1 Descripció general

El cilindre mestre de fre de circuit dual-èmbol-circuit dual{-també conegut en algunes publicacions del sector com el tipus sense port o -alimentació central-representa una desviació fonamental de l'arquitectura convencional del cilindre mestre. En lloc de col·locar ports de compensació a la paret del forat del cilindre, aquest disseny localitza els passos de compensació al propi pistó. Aquest reposicionament aparentment senzill té implicacions importants per a la integració del sistema, la durabilitat amb el cicle ABS/ESP i l'embalatge compacte.

El cilindre mestre tipus pistó-és estructuralment compacte. Els seus components interns es telescopi junts com seccions d'antena, permetent que el conjunt general s'estengui i es retragui sense problemes. Aquesta disposició telescòpica redueix significativament l'axiallongitud d'instal·lació-normalmentaproximadament la meitatla dels cilindres mestres convencionals-a la vegada que es compleixen elshidràulic estricteexigències de flux dels sistemes ABS i ESP moderns.

1.2 Característiques estructurals

La característica més distintiva del cilindre mestre de tipus pistó-és la col·locació dels ports de compensació al pistó en lloc de la paret de l'orifici del cilindre. Aquest disseny elimina la vora afilada d'un port lateral-de forat convencional, que històricament era un lloc de fallada principal per als segells de copes primaris. També proporciona una àrea de flux de compensació total molt més gran-es poden disposar diversos ports al voltant de la circumferència del pistó.

A més, com que tota la longitud efectiva del pistó s'utilitza per segellar el contacte amb la paret del forat del cilindre, la longitud total del cos del cilindre es pot reduir substancialment.

1.3 Principi de funcionament

En repòs, els circuits primari i secundari estan oberts al dipòsit mitjançant els ports de compensació muntats en pistó-. Quan el conductor prem el pedal de fre, el pistó primari es mou cap endavant. Els ports de compensació passen per sobre del segell primari de la copa, que ara es mou contra una superfície llisa i ininterrompuda. Una vegada que els ports s'han anul·lat, la cambra de pressió es segella i la pressió hidràulica augmenta, lliurant fluid als circuits de fre.

En deixar anar el pedal, el pistó torna sota la força de la molla. Els ports de compensació tornen a -entrar a l'àrea més enllà del segell primari de la tassa, restablint-la comunicació entre la cambra de pressió i el dipòsit, permetent que el fluid torni i ompli la cambra segons sigui necessari.

1.4 Diferències clau amb els dissenys de cilindres mestres convencionals

• 1.4.1 Longitud axial significativament reduïda

Com que els components interns telescopi entre si, la longitud total del conjunt pot serescurçat dràsticament-sovint aproximadament la meitat que un cilindre mestre en tàndem convencional de diàmetre i volum de sortida comparables. Aquest avantatge d'embalatge és fonamental per als vehicles amb dissenys ajustats del compartiment del motor.

• 1.4.2 Compatibilitat directa amb sistemes ABS

Els cilindres mestres convencionals amb ports de compensació de paret-han mostrat alts índexs de dany al segell primari de la copa quan s'utilitzen amb ABS. El motiu rau en la dinàmica de funcionament de l'ABS: durant el cicle actiu de l'ABS, el sistema s'allibera repetidament i torna a pressionar el líquid de fre-. Això fa que el pistó del cilindre mestre oscil·li dins d'un rang estret. En un disseny convencional, aquesta oscil·lació sovint col·loca el segell primari de la tassa exactament a la ubicació del port de compensació. Sota alta pressió, la copa del segell es força a l'obertura del port, provocant un ràpid desgast del segell, talls o fallades d'extrusió.

En el disseny del tipus d'èmbol-, els ports de compensació viatgen amb el pistó. El segell primari de la copa només contacta amb una paret llisa del forat del cilindre durant tot el seu rang de carrera. Cap vora del port en contacte amb el segell en qualsevol posició del pistó, eliminant pràcticament aquest mode de fallada.

• 1.4.3 Compatibilitat amb les exigències de flux-elevats ESP

Els sistemes del programa d'estabilitat electrònica (ESP), cada cop més obligats a nivell mundial, requereixen que el cilindre mestre proporcioni grans volums de líquid de fre en intervals de temps molt curts per a la intervenció automàtica del fre. El disseny del tipus d'èmbol-s'adapta a aquest requisit gràcies a la seva capacitat d'incorporar múltiples ports de compensació grans disposats al voltant de la circumferència del pistó. Aquest disseny s'ha convertit en l'arquitectura preferida per als vehicles equipats amb ESP.

1.5 Especificacions de fabricació per a cilindres mestres de tipus -èmbol

El segellat correcte entre el segell primari de la copa i el pistó s'ha d'equilibrar amb la necessitat de que el fluid passi al segell de la copa durant la fase de compensació. A més, el lliscament suau sense enganxar requereix un control precís de la rodonesa del forat, la rectitud del pistó i l'acabat de la superfície.

2 Vàlvula central de doble -Cilindre mestre de fre de circuit

2.1 Descripció general

El cilindre principal tipus vàlvula central-s'ha desenvolupat específicament per utilitzar-lo amb vehicles equipats amb ABS-. Igual que el disseny del tipus d'èmbol-, elimina el port de compensació de la paret-del forat convencional, però ho aconsegueix mitjançant un mecanisme diferent: una vàlvula carregada de molla-interna situada al centre de cada pistó.

Les patents que descriuen les configuracions de la vàlvula central per als sistemes de frens hidràulics anti-bloqueig es remunten a mitjans dels anys noranta, i els principals fabricants, com Bosch, van desenvolupar les seves pròpies versions de producció a principis dels anys 2000. El disseny ha demostrat ser especialment adequat per a aplicacions de cotxes de passatgers on l'espai d'embalatge és menys limitat, però la durabilitat de l'ABS continua sent una prioritat.

2.2 Característiques estructurals

La característica que defineix un cilindre mestre de vàlvula central és l'absència total de ports de compensació a la paret del forat del cilindre. En canvi, cada pistó incorpora una vàlvula central axial-constituïda per una petita molla, una butaca o bola de vàlvula i un seient de segellat-que controla la comunicació de fluids entre la cambra de pressió i el dipòsit. El forat del cilindre és totalment llis des de la posició de repòs fins a tota la longitud de la carrera, proporcionant una superfície de segellat ininterrompuda per als segells primaris de la copa.

Aquesta estructura elimina la vora del port de compensació nítida que danya els segells de copes primaris en dissenys convencionals.

2.3 Diferències amb els dissenys de cilindres mestres convencionals

La diferència fonamental és estructural: els cilindres mestres de tipus vàlvula central-incorporen una vàlvula central i no tenen ports de compensació. Els cilindres mestres convencionals tenen ports de compensació i no tenen vàlvula central.

La conseqüència funcional és igualment significativa. En un disseny convencional, el segell primari de la copa passa repetidament per la vora del port de compensació durant la frenada normal. Aquest mecanisme de desgast s'accelera substancialment en aplicacions ABS, on el pistó oscil·la ràpidament a prop de la posició del port. En els dissenys de tipus de vàlvula central-, el segell de copa mai no troba cap obertura a la paret del forat, la qual cosa allarga de manera espectacular la vida útil del segell i del cilindre.

Per a aplicacions ABS específicament, aquesta diferència és crítica. Quan els cicles actius de l'ABS provoquen pulsacions de pressió a les cambres de pressió del cilindre mestre, el segell primari de la tassa en un disseny de vàlvula central simplement passa per una superfície llisa, sense ser afectat per la pressió pulsante que impulsaria un segell convencional a una obertura del port.

2.4 Principi de funcionament

En repòs, la vàlvula central es manté oberta per la força de la molla i la geometria de la parada mecànica. El líquid de fre del dipòsit flueix a través de la vàlvula, al voltant de la butxaca i a la cambra de pressió. Quan el conductor prem el pedal de fre i comença el moviment del pistó, la força de la molla de la vàlvula es supera gradualment i el seient de la vàlvula es tanca contra l'olla. Un cop segellada, la cambra de pressió s'aïlla del dipòsit i el moviment del pistó pressiona el fluid atrapat, lliurant-lo als circuits de fre.

En deixar anar el pedal, la pressió de la molla de retorn baixa inicialment, la molla de la vàlvula central -reobre la vàlvula i el fluid torna des del dipòsit a la cambra de pressió.

La força de la molla de precàrrega de la vàlvula central s'ha de seleccionar amb cura. Quan la força de precàrrega (F) dividida per l'àrea de segellat efectiva produeix una pressió hidràulica d'obertura posterior de menys de 0,03 MPa, s'accelera la compensació del líquid de fre, es millora la velocitat de retorn del cilindre mestre i es facilita l'ompliment manual del líquid de fre durant el muntatge.

2.5 Especificacions de fabricació de cilindres mestres de vàlvula central

Les especificacions següents representen els requisits típics per a les aplicacions de vehicles de passatgers:

3 Tendències i observacions estructurals clau

3.1 Desenvolupament impulsat per la regulació-

El motor més important de l'evolució del cilindre mestre ha estat la regulació de seguretat. El mandat dels Estats Units de 1967 per als sistemes de frens de doble-circuit va transformar tota la indústria. De la mateixa manera, l'exigència de la Unió Europea que tots els vehicles de passatgers nous estiguin equipats amb sistemes de frens anti-bloqueig (ABS) a partir del 2004-i el programa d'estabilitat electrònica (ESP) a partir del 2014-ha canviat fonamentalment el que ha de fer un cilindre mestre.

El requisit d'ABS significa que els cilindres mestres ara han de suportar les pulsacions de pressió i l'oscil·lació del segellat sense un desgast prematur. El requisit d'ESP significa que les cilindres mestres han de lliurar grans volums de fluid a l'instant per a intervencions de frenada automàtica. Aquests requisits no són opcionals-són el mínim legal per a l'homologació de vehicles a la majoria dels principals mercats.

3.2 Marc regulador global

Per als components del sistema de fre destinats a l'exportació, és essencial conèixer els dos marcs reguladors dominants.

• FMVSS 105 (EUA): L'estàndard federal de seguretat de vehicles de motor núm.. 105 cobreix els sistemes de frens hidràulics per a cotxes de passatgers, vehicles de passatgers, camions i autobusos polivalents, i exigeix ​​proves per a la distància d'aturada, la distribució de la força de frenada i la integritat del sistema.
• ECE R13 (UE i molts altres mercats): el Reglament de les Nacions Unides núm. . 13 inclou disposicions uniformes per a l'homologació de vehicles de les categories M, N i O pel que fa a la frenada. S'adopta àmpliament a Europa, Àsia, Orient Mitjà i més enllà.

Els vehicles moderns han de complir amb una o ambdues normes, i el disseny de la bomba principal ha d'adaptar-se als protocols de prova corresponents.

3.3 El canvi cap a les arquitectures sense port

Els ports de paret-convencionals han demostrat problemes de fiabilitat amb el cicle ABS. Tant el disseny del tipus d'èmbol-com el de la vàlvula central-eliminen la vora del port, cadascun mitjançant un mecanisme diferent. Quina arquitectura dominarà en última instància segueix sent una qüestió oberta, tot i que el disseny del tipus d'èmbol-ofereix avantatges en longitud axial i capacitat de flux que poden resultar determinants per a aplicacions futures.

3.4 Integració amb Sistemes de Control Electrònic

El programa d'estabilitat electrònica (ESP) i la generació emergent de sistemes de frens-per-de cables requereixen cilindres mestres capaços d'aportar fluids ràpids i-de gran volum, així com la integració amb unitats de control electrònic i sensors de posició. Tot i que els vehicles totalment autònoms (nivell 4 i nivell 5) poden reduir la dependència dels components hidràulics en favor de la frenada purament electrònica, s'espera que el fre-per cable- mantingui una base hidràulica en el futur previsible.

L'evolució del cilindre mestre de fre ha seguit dos principals motors: la millora dels requisits de seguretat de frenada dels vehicles imposats per les normatives a tot el món, que han augmentat contínuament el llistó de seguretat, fiabilitat i compatibilitat amb altres components del sistema de frenada; i el perfeccionament continu dels processos de disseny i fabricació del cilindre mestre per aconseguir un millor rendiment, un cost més baix i un embalatge més compacte.

Amb l'ABS de sèrie en tots els vehicles de passatgers nous a la majoria dels mercats (obligat des del 2004) i l'ESP obligatori des del 2014, els cilindres mestres han de suportar de manera fiable el cicle ABS i satisfer les demandes de flux ESP. La indústria convergeix en dissenys sense port-tant de tipus de vàlvula central com d'èmbol--que eliminen el port de compensació de la paret-del forat. És probable que aquesta transició continuï, amb aquestes arquitectures potencialment substituint la majoria de dissenys convencionals en vehicles nous.

A mesura que l'ESP es continua adoptant a nivell mundial, la capacitat del cilindre mestre de tipus pistó-per proporcionar grans volums de fluid instantani el posiciona fortament per a aplicacions futures. Mentrestant, l'adopció gradual dels sistemes electrònics de fre d'estacionament i altres sistemes de control electrònic ja ha portat a un desplegament limitat de cilindres mestres amb sensors de posició del pistó.

Referències

[1] Reglament del sistema de fre d'automòbil. Estàndard federal de seguretat de vehicles de motor dels EUA núm.. 105 (FMVSS 105), Reglament de l'ONU ECE núm.. 13.

[2] Regulació de la bomba principal de -circuit dual. Norma federal de seguretat de vehicles de motor dels EUA, mandat de 1967.

[3] Cronologia d'implementació d'ABS i ESP. ABS obligatori per a vehicles de passatgers nous a partir del 2004, ESP obligatori a partir del 2014.

[4] Tecnologia del cilindre principal de la vàlvula central. Sistemes de frens Bosch. Mitigació de danys del segell de copa principal en aplicacions ABS.

[5] Anàlisi del mercat de cilindres mestres de fre 2025-2032. Estratística MRC. Mida del mercat de 3.700 milions el 2025, projectat per a uns 3.700 milions el 2025, projectat per a uns 5.400 milions el 2032 amb un CAGR del 5,5%.

[6] Manuals Haynes. Comprendre el cilindre mestre del teu cotxe. Història del desenvolupament 1960-1967.

[7] SAE Internacional. Cilindres mestres hidràulics SAE J1154 per a frens de vehicles de motor - Requisits de rendiment (última revisió).

[8] Patents del cilindre mestre tipus émbol-. Hyundai MOBIS, Bosch. Especificacions de disseny i fabricació.