Sự phát triển và đặc điểm cấu trúc của xi lanh phanh chính phanh thủy lực ô tô

Kể từ khi Karl Benz chế tạo chiếc ô tô ba bánh-xi-lanh đơn đầu tiên vào năm 1885, phương tiện giao thông đã đồng hành cùng sự phát triển xã hội loài người trong hơn một thế kỷ. Hệ thống phanh, là hệ thống an toàn quan trọng của ô tô, đã liên tục phát triển cùng với sự phát triển của ô tô. Là trung tâm của việc cung cấp năng lượng cho hệ thống phanh thủy lực, xi lanh phanh chính thủy lực đã nhiều lần được thiết kế lại và cải tiến.

Quỹ đạo phát triển của xi lanh chính phanh có thể được theo dõi qua một số giai đoạn chính: xi lanh chính-mạch đơn, loại van-áp suất{2}}dư lượng, xi lanh chính-mạch kép (song song) và các cấu hình được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) và Chương trình ổn định điện tử (ESP). Ở mỗi giai đoạn, các biến thể xuất hiện để giải quyết các nhu cầu về thiết kế và hiệu suất cụ thể. Bài viết này thảo luận về lộ trình phát triển, đặc điểm cấu trúc, nguyên tắc vận hành và cân nhắc sản xuất của từng cấu hình chính.

Trước năm 1967, hầu hết các xi lanh chính của ô tô đều là những công việc đơn giản-một bình chứa duy nhất với một pít-tông và một vòng đệm. Kiến trúc này có một nhược điểm đáng kể: nếu xi lanh bánh xe bị rò rỉ, dây phanh bị hỏng hoặc vòng đệm bên trong bị hỏng, người lái xe có thể mất phanh hoàn toàn.

Bước đột phá hướng tới sự an toàn dự phòng xuất hiện vào năm 1962, khi Cadillac giới thiệu hệ thống phanh mạch kép với các đường thủy lực phía trước và phía sau riêng biệt. Nếu một mạch bị rò rỉ thì mạch kia vẫn có thể dừng xe. American Motors cũng sớm áp dụng hệ thống xi-lanh-phân chia, mặc dù cấu trúc phân chia-đường chéo của họ phân chia các mạch giữa một bánh trước và một bánh sau ở hai bên đối diện-một thiết kế giúp cải thiện độ an toàn nhưng chưa phải là sự tách biệt hoàn toàn phía trước-phía sau.

Một số nhà sản xuất đã làm việc độc lập trên các hệ thống-xi lanh kép cung cấp khả năng dự phòng-được tích hợp sẵn. Wagner Electric là một trong những công ty đầu tiên thành công. Bước ngoặt thực sự đến vào năm 1967, khi Chính phủ Liên bang Hoa Kỳ quy định tất cả các phương tiện giao thông phải được trang bị một-xi lanh phanh chính kép với các mạch điện riêng biệt trong trường hợp đường dây bị hỏng hoặc các hỏng hóc khác.

Xi lanh mạch chính-kép ngày nay thường có hai khoang riêng biệt ngăn cách mạch phanh trước và sau, mặc dù một số cấu hình vẫn phân chia theo đường chéo. Sự sắp xếp này ngăn chặn việc mất hoàn toàn lực phanh nếu một vòng đệm bị hỏng hoặc xảy ra rò rỉ áp suất. Hơn 75% lực phanh được thực hiện bởi bánh trước, nghĩa là người lái có thể không nhận ra sự cố ở phanh sau nhưng bánh trước vẫn hoạt động đầy đủ.

vận hành, khi nhấn bàn đạp phanh, lực sẽ được truyền qua cần đẩy{0}}đến piston của xi lanh chính. Piston kết hợp hai vòng đệm và di chuyển trong hai buồng, với một đường dành riêng cho mỗi mạch. Khi các piston bị ép về phía trước, áp suất thủy lực hình thành và di chuyển các piston lớn hơn trong kẹp phanh hoặc xi lanh bánh xe, khiến các bánh xe dừng lại.

1.1 Mô tả chung

Xi lanh phanh chính-loại-mạch kép-có pít tông-cũng được đề cập đến trong một số tài liệu trong ngành là loại-tiếp liệu trung tâm-không có cổng{4}}thể hiện sự khác biệt cơ bản so với kiến ​​trúc xi lanh chính thông thường. Thay vì đặt các cổng bù vào thành lỗ xi ​​lanh, thiết kế này định vị các đường bù trên chính piston. Việc tái định vị có vẻ đơn giản này mang lại ý nghĩa quan trọng đối với việc tích hợp hệ thống, độ bền khi đạp xe ABS/ESP và bao bì nhỏ gọn.

Xi lanh chính loại pít tông-có cấu trúc nhỏ gọn. Các bộ phận bên trong của nó kết hợp với nhau giống như các phần ăng-ten, cho phép toàn bộ cụm có thể kéo dài và rút lại một cách trơn tru. Sự sắp xếp kính thiên văn này làm giảm đáng kể trụcchiều dài cài đặt-thườngkhoảng một nửacủa xi lanh chính thông thường-đồng thời đáp ứng đượcthủy lực nghiêm ngặtnhu cầu dòng chảy của hệ thống ABS và ESP hiện đại.

1.2 Đặc điểm cấu trúc

Đặc điểm đặc biệt nhất của xi lanh chính loại pít tông{0}}là vị trí của các cổng bù trên pít tông thay vì trên thành lỗ xi ​​lanh. Thiết kế này giúp loại bỏ cạnh sắc của lỗ khoan bên-thông thường, vốn là vị trí hư hỏng chính của vòng đệm cốc chính. Nó cũng cung cấp tổng diện tích dòng bù lớn hơn nhiều-nhiều cổng có thể được bố trí xung quanh chu vi piston.

Ngoài ra, do toàn bộ chiều dài hiệu dụng của pít-tông được sử dụng để bịt kín tiếp xúc với thành lỗ xi-lanh nên chiều dài tổng thể của thân xi-lanh có thể giảm đáng kể.

1.3 Nguyên tắc hoạt động

Ở trạng thái nghỉ, mạch sơ cấp và thứ cấp được mở thông với bình chứa thông qua các cổng bù được gắn trên pít-tông. Khi người lái đạp bàn đạp phanh, piston chính sẽ di chuyển về phía trước. Các cổng bù đi qua vòng đệm cốc chính, hiện nằm trên bề mặt lỗ khoan nhẵn không bị gián đoạn. Khi các cổng được bỏ qua, buồng áp suất sẽ được bịt kín và áp suất thủy lực sẽ tăng lên, cung cấp chất lỏng cho mạch phanh.

Khi nhả bàn đạp, pít-tông quay trở lại dưới tác dụng của lực lò xo. Các cổng bù lại-đi vào khu vực phía sau vòng đệm cốc chính,-thiết lập lại liên lạc giữa buồng áp suất và bình chứa, cho phép chất lỏng chảy ngược lại và bổ sung thêm cho khoang khi cần thiết.

1.4 Điểm khác biệt chính so với thiết kế xi lanh chính thông thường

• 1.4.1 Chiều dài trục giảm đáng kể

Bởi vì các bộ phận bên trong lồng vào nhau nên tổng chiều dài lắp ráp có thể làrút ngắn đáng kể-thường bằng khoảng một nửa so với xi lanh chính song song thông thường có đường kính lỗ khoan và thể tích đầu ra tương đương. Ưu điểm về bao bì này rất quan trọng đối với những xe có bố trí khoang động cơ chật hẹp.

• 1.4.2 Khả năng tương thích trực tiếp với hệ thống ABS

Các xi lanh chính thông thường có-các cổng bù trên thành lỗ khoan cho thấy tỷ lệ hư hỏng đệm kín sơ cấp cao khi sử dụng với ABS. Lý do nằm ở động lực vận hành của ABS: trong quá trình đạp xe ABS hoạt động, hệ thống liên tục nhả và{2}}tăng áp suất dầu phanh. Điều này làm cho piston của xi lanh chính dao động trong phạm vi hẹp. Trong thiết kế thông thường, dao động này thường định vị vòng đệm cốc chính chính xác tại vị trí của cổng bù. Dưới áp suất cao, cốc bịt kín bị ép vào lỗ mở của cổng, dẫn đến bị mòn, cắt hoặc đùn nhanh chóng.

Trong thiết kế kiểu pít-tông, các cổng bù di chuyển cùng với pít-tông. Vòng đệm cốc chính chỉ tiếp xúc với thành lỗ hình trụ nhẵn trong toàn bộ phạm vi hành trình của nó. Không có cạnh cổng nào tiếp xúc với phốt ở bất kỳ vị trí pít-tông nào, hầu như loại bỏ chế độ hỏng hóc này.

• 1.4.3 Khả năng tương thích với nhu cầu lưu lượng-cao của ESP

Hệ thống Chương trình ổn định điện tử (ESP), ngày càng được yêu cầu trên toàn cầu, yêu cầu xi lanh chính cung cấp một lượng lớn dầu phanh trong khoảng thời gian rất ngắn để can thiệp phanh tự động. Thiết kế kiểu pít tông-đáp ứng yêu cầu này thông qua khả năng kết hợp nhiều cổng bù lớn được bố trí xung quanh chu vi pít tông. Thiết kế này đã trở thành kiến ​​trúc được ưa chuộng cho các phương tiện được trang bị ESP.

1.5 Thông số kỹ thuật sản xuất cho xi lanh chính-loại pít tông

Việc bịt kín thích hợp giữa vòng đệm cốc chính và pít-tông phải được cân bằng với nhu cầu chất lỏng đi qua vòng đệm cốc trong giai đoạn bù. Ngoài ra, việc trượt trơn tru mà không bị ràng buộc đòi hỏi phải kiểm soát chính xác độ tròn của lỗ khoan, độ thẳng của piston và độ hoàn thiện bề mặt.

2 Xi lanh phanh chính-Van trung tâm

2.1 Mô tả chung

Xy lanh chính loại van trung tâm-được phát triển đặc biệt để sử dụng cho các phương tiện được trang bị-ABS. Giống như thiết kế kiểu-pít tông, nó loại bỏ cổng bù-thành lỗ khoan thông thường nhưng đạt được điều này thông qua một cơ chế khác: van lò xo-nội địa được đặt ở giữa mỗi pít-tông.

Bằng sáng chế mô tả cấu hình van trung tâm cho-hệ thống phanh thủy lực chống bó cứng có từ giữa những năm 1990, khi các nhà sản xuất lớn bao gồm cả Bosch phát triển các phiên bản sản xuất của riêng họ vào đầu những năm 2000. Thiết kế này đã được chứng minh là đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng trên xe du lịch, nơi không gian đóng gói ít bị hạn chế hơn nhưng độ bền ABS vẫn là ưu tiên hàng đầu.

2.2 Đặc điểm cấu trúc

Đặc điểm nổi bật của xi lanh chính van trung tâm là hoàn toàn không có cổng bù trong thành lỗ xi ​​lanh. Thay vào đó, mỗi pít-tông kết hợp một van trung tâm hướng trục-bao gồm một lò xo nhỏ, một con van hoặc bi và một đế bịt kín-điều khiển sự liên lạc chất lỏng giữa buồng áp suất và bình chứa. Lỗ xi lanh hoàn toàn nhẵn từ vị trí nghỉ cho đến toàn bộ chiều dài hành trình, mang lại bề mặt bịt kín không bị gián đoạn cho các vòng đệm cốc chính.

Cấu trúc này giúp loại bỏ cạnh cổng bù sắc nhọn có thể làm hỏng đệm kín cốc chính trong các thiết kế thông thường.

2.3 Sự khác biệt so với thiết kế xi lanh chính thông thường

Sự khác biệt cơ bản là về cấu trúc: xi lanh chính loại van trung tâm-kết hợp với van trung tâm và không có cổng bù. Xi lanh chính thông thường có cổng bù và không có van trung tâm.

Hậu quả chức năng cũng quan trọng không kém. Trong thiết kế thông thường, vòng đệm cốc chính liên tục đi qua mép cổng bù trong quá trình phanh bình thường. Cơ chế mài mòn này được tăng tốc đáng kể trong các ứng dụng ABS, trong đó piston dao động nhanh gần vị trí cổng. Trong các thiết kế kiểu van trung tâm-, vòng đệm dạng cốc không bao giờ gặp bất kỳ lỗ hở nào trên thành lỗ, giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của vòng đệm và xi lanh.

Đặc biệt đối với các ứng dụng ABS, sự khác biệt này rất quan trọng. Khi chu trình hoạt động của ABS gây ra xung động áp suất trong buồng áp suất xi lanh chính, vòng đệm cốc chính trong thiết kế van trung tâm chỉ đơn giản di chuyển trên bề mặt lỗ khoan nhẵn, không bị ảnh hưởng bởi áp suất xung sẽ đẩy vòng đệm thông thường vào lỗ mở cổng.

2.4 Nguyên tắc hoạt động

Ở trạng thái nghỉ, van trung tâm được giữ mở bằng lực lò xo và hình dạng dừng cơ học. Dầu phanh từ bình chứa chảy qua van, xung quanh con rối và vào buồng áp suất. Khi người lái nhấn bàn đạp phanh và chuyển động của pít-tông bắt đầu, lực lò xo van dần dần bị khắc phục và bệ van đóng lại so với con búp bê. Sau khi bịt kín, buồng áp suất sẽ được tách ra khỏi bình chứa và chuyển động tiếp theo của piston sẽ tạo áp suất cho chất lỏng bị mắc kẹt, đưa nó đến mạch phanh.

Khi nhả bàn đạp, áp suất lò xo hồi vị ban đầu giảm xuống, lò xo van trung tâm{0}}mở lại van và chất lỏng chảy ngược từ bình chứa vào buồng áp suất.

Lực lò xo tải trước van trung tâm phải được lựa chọn cẩn thận. Khi lực tải trước (F) chia cho vùng bịt kín hiệu quả mang lại áp suất thủy lực-mở sau nhỏ hơn 0,03 MPa, quá trình bù dầu phanh được tăng tốc, tốc độ quay trở lại của xi lanh chính được cải thiện và việc đổ dầu phanh bằng tay trong quá trình lắp ráp được tạo điều kiện thuận lợi.

2.5 Thông số kỹ thuật sản xuất xi lanh chính van trung tâm

Các thông số kỹ thuật sau đây thể hiện các yêu cầu điển hình cho các ứng dụng của xe chở khách:

3 xu hướng cấu trúc chính và quan sát

3.1 Quy định-Phát triển theo định hướng

Động lực quan trọng nhất của sự phát triển xi lanh chính là quy định an toàn. Quy định năm 1967 của Hoa Kỳ về hệ thống phanh mạch kép-đã thay đổi toàn bộ ngành công nghiệp. Tương tự, yêu cầu của Liên minh Châu Âu rằng tất cả các phương tiện chở khách mới đều phải được trang bị Hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) từ năm 2004 trở đi-và Chương trình ổn định điện tử (ESP) từ năm 2014 trở đi-đã thay đổi về cơ bản chức năng của xi lanh chính.

Yêu cầu về ABS có nghĩa là các xi lanh chính giờ đây phải chịu được xung áp suất và dao động của vòng đệm mà không bị mài mòn sớm. Yêu cầu ESP có nghĩa là xi lanh chính phải cung cấp lượng dầu lớn ngay lập tức để can thiệp phanh tự động. Những yêu cầu này không phải là tùy chọn-mà là yêu cầu tối thiểu về mặt pháp lý để công nhận xe ở hầu hết các thị trường lớn.

3.2 Khung pháp lý toàn cầu

Đối với các bộ phận của hệ thống phanh dành cho xuất khẩu, nhận thức về hai khung pháp lý chủ yếu là rất cần thiết.

• FMVSS 105 (Mỹ): Tiêu chuẩn an toàn phương tiện cơ giới liên bang số. 105 bao gồm hệ thống phanh thủy lực cho ô tô chở khách, xe chở khách đa năng, xe tải và xe buýt, bắt buộc phải kiểm tra khoảng cách dừng, phân bổ lực phanh và tính toàn vẹn của hệ thống.
• ECE R13 (EU và nhiều thị trường khác): Quy định số của Liên hợp quốc. 13 bao gồm các quy định thống nhất về việc phê duyệt các phương tiện thuộc loại M, N và O liên quan đến phanh. Nó được áp dụng rộng rãi trên khắp Châu Âu, Châu Á, Trung Đông và hơn thế nữa.

Các phương tiện hiện đại phải tuân thủ một hoặc cả hai tiêu chuẩn này và thiết kế xi lanh chính phải đáp ứng các quy trình thử nghiệm tương ứng.

3.3 Sự chuyển hướng sang kiến ​​trúc không cổng

Các cổng trên tường có lỗ khoan thông thường đã chứng tỏ có vấn đề về độ tin cậy trong quá trình đạp xe ABS. Cả thiết kế kiểu pít tông và kiểu van trung tâm đều loại bỏ cạnh cổng, mỗi thiết kế đều thông qua một cơ chế khác nhau. Cấu trúc nào cuối cùng sẽ chiếm ưu thế vẫn là một câu hỏi mở, mặc dù thiết kế kiểu pít tông-mang lại lợi thế về chiều dài trục và khả năng lưu lượng có thể mang tính quyết định cho các ứng dụng trong tương lai.

3.4 Tích hợp với hệ thống điều khiển điện tử

Chương trình ổn định điện tử (ESP) và thế hệ hệ thống phanh-bằng-dây mới nổi yêu cầu xi lanh chính có khả năng phân phối chất lỏng-nhanh, cao cũng như tích hợp với bộ điều khiển điện tử và cảm biến vị trí. Mặc dù các phương tiện tự hành hoàn toàn (Cấp 4 và Cấp 5) cuối cùng có thể giảm sự phụ thuộc vào các bộ phận thủy lực để chuyển sang sử dụng phanh điện tử thuần túy, phanh-bằng-dây dự kiến ​​sẽ duy trì nền tảng thủy lực trong tương lai gần.

Sự phát triển của xi lanh phanh chính tuân theo hai động lực chính: các yêu cầu nâng cao về an toàn phanh xe do các quy định trên toàn thế giới đặt ra, đã liên tục nâng cao tiêu chuẩn về độ an toàn, độ tin cậy và khả năng tương thích với các bộ phận khác của hệ thống phanh; và sự cải tiến liên tục của quy trình thiết kế và sản xuất xi lanh chính để đạt được hiệu suất tốt hơn, chi phí thấp hơn và bao bì nhỏ gọn hơn.

Với ABS hiện là tiêu chuẩn trên tất cả các loại xe chở khách mới ở hầu hết các thị trường (bắt buộc từ năm 2004) và ESP được bắt buộc từ năm 2014, các xi lanh chính phải chịu được chu trình ABS một cách đáng tin cậy và đáp ứng nhu cầu về dòng ESP. Ngành công nghiệp đang tập trung vào các thiết kế không có cổng-cả loại van trung tâm và loại pít tông--giúp loại bỏ cổng bù lỗ khoan-trên tường. Quá trình chuyển đổi này có thể sẽ tiếp tục, với những kiến ​​trúc này có khả năng thay thế hầu hết các thiết kế thông thường trên các phương tiện mới.

Khi ESP tiếp tục được áp dụng trên toàn cầu, khả năng của xi lanh chính loại pít tông-trong việc cung cấp thể tích chất lỏng lớn, tức thời sẽ giúp nó có vị trí vững chắc cho các ứng dụng trong tương lai. Trong khi đó, việc áp dụng dần dần hệ thống phanh đỗ điện tử và các hệ thống điều khiển điện tử khác đã dẫn đến việc hạn chế triển khai xi lanh chính có cảm biến vị trí piston.

Tài liệu tham khảo

[1] Quy định về hệ thống phanh ô tô. Tiêu chuẩn an toàn phương tiện cơ giới liên bang của Hoa Kỳ số. 105 (FMVSS 105), Quy định số ECE của Liên hợp quốc. 13.

[2] Điều chỉnh xi lanh chính mạch-kép. Tiêu chuẩn An toàn Phương tiện Cơ giới Liên bang Hoa Kỳ, quy định năm 1967.

[3] Tiến trình triển khai ABS và ESP. ABS bắt buộc cho xe du lịch mới từ 2004, ESP bắt buộc từ 2014.

[4] Công nghệ xi lanh chủ van trung tâm. Hệ thống phanh Bosch. Giảm thiểu hư hỏng vòng đệm cốc sơ cấp trong các ứng dụng ABS.

[5] Phân tích thị trường xi lanh phanh chính 2025-2032. Chiến lược MRC. Quy mô thị trường 3,7 tỷ vào năm 2025, dự kiến ​​đạt 3,7 tỷ vào năm 2025, dự kiến ​​đạt 5,4 tỷ vào năm 2032 với tốc độ CAGR 5,5%.

[6] Sách hướng dẫn của Haynes. Tìm hiểu xi lanh chính của ô tô của bạn. Lịch sử phát triển 1960-1967.

[7] SAE quốc tế. Xi lanh thủy lực chính SAE J1154 dành cho phanh xe cơ giới - Yêu cầu về hiệu suất (bản sửa đổi mới nhất).

[8] Bằng sáng chế về loại pít tông-xi lanh chính. Huyndai MOBIS, Bosch. Thông số kỹ thuật thiết kế và sản xuất.