Otomotiv Hidrolik Fren Ana Silindirlerinin Gelişimi ve Yapısal Özellikleri

Karl Benz'in 1885 yılında ilk tek-silindirli üç-tekerlekli otomobili üretmesinden bu yana, araçlar bir yüzyılı aşkın süredir insanın sosyal gelişimine eşlik ediyor. Bir aracın kritik güvenlik sistemi olan fren sistemi, otomotivdeki ilerlemeyle birlikte sürekli olarak gelişti. Hidrolik fren sistemi enerji dağıtımının kalbi olan hidrolik fren ana silindiri defalarca yeniden tasarlandı ve geliştirildi.

Ana fren silindirinin gelişim yörüngesi birkaç ana aşamadan takip edilebilir: tek-devreli ana silindir, artık-basınç-valf tipi, çift-devreli (tandem) ana silindir ve Kilitlenmeyi Önleyici Fren Sistemi (ABS) ve Elektronik Stabilite Programı (ESP) gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlanmış konfigürasyonlar. Her aşamada, spesifik tasarım ve performans ihtiyaçlarını karşılayan varyasyonlar ortaya çıktı. Bu belgede her bir ana konfigürasyonun geliştirme yolu, yapısal özellikleri, çalışma ilkeleri ve üretim hususları tartışılmaktadır.

1967'den önce, çoğu otomotiv ana silindiri basit işlerden oluşuyordu:-tek pistonlu ve tek contalı tek bir rezervuar. Bu mimarinin önemli bir dezavantajı vardı: Bir tekerlek silindiri sızdırırsa, fren hattı arızalanırsa veya tek iç conta bozulursa sürücü frenlemeyi tamamen kaybedebilirdi.

Güvenlik yedekliliğine yönelik atılım 1962'de Cadillac'ın ayrı ön ve arka hidrolik hatları olan çift-devreli fren sistemini piyasaya sürmesiyle gerçekleşti. Devrelerden birinde sızıntı olsa diğeri yine de aracı durdurabilir. American Motors ayrıca bölünmüş-silindir sistemlerini de erken dönemde benimsedi; ancak çapraz-bölünmüş mimarileri, devreleri bir ön tekerlek ve bir arka tekerlek arasında karşıt taraflara böldü-bu tasarım güvenliği artırdı ancak henüz tam bir ön-arka ayrım değildi.

Birkaç üretici, yerleşik yedeklilik sunan çift-silindirli sistemler üzerinde-bağımsız olarak çalıştı. Wagner Electric ilk başarılı olanlar arasındaydı. Gerçek dönüm noktası, 1967'de ABD Federal Hükümeti'nin, hat arızası veya diğer arızalar durumunda tüm araçların ayrı devrelere sahip çift-fren ana silindiri ile donatılmasını zorunlu kılmasıyla geldi.

Günümüzün çift-devreli ana silindirleri tipik olarak ön ve arka fren devrelerini ayıran iki ayrı bölmeye sahiptir, ancak bazı konfigürasyonlar hâlâ çapraz olarak bölünmüştür. Bu düzenleme, contalardan birinin arızalanması veya basınç kaçağı oluşması durumunda frenlemenin tamamen kaybolmasını önler. Frenlemenin %75'ten fazlası ön tekerlekler tarafından gerçekleştirilir; bu, arka fren arızasının sürücü tarafından fark edilmeyebileceği ancak ön tarafın tamamen işlevsel kaldığı anlamına gelir.

Operasyonel olarakfren pedalına basıldığında, kuvvet itme çubuğu aracılığıyla-ana silindir pistonuna iletilir. Piston iki conta içerir ve her devreye ayrılmış bir hat ile iki hazne içinde hareket eder. Pistonlar ileri doğru zorlandığında, hidrolik basınç kaliperlerde veya tekerlek silindirlerinde daha büyük pistonlar oluşturur ve hareket ettirerek tekerlekleri durdurur.

1.1 Genel Açıklama

Bazı sektör literatüründe portsuz veya merkezi-besleme türü- olarak da adlandırılan piston-tipi çift-devreli fren ana silindiri-, geleneksel ana silindir mimarisinden temel bir farklılığı temsil eder. Bu tasarım, dengeleme bağlantı noktalarını silindir deliği duvarına yerleştirmek yerine, dengeleme geçişlerini pistonun kendisine yerleştirir. Görünüşte basit olan bu yeniden konumlandırma, sistem entegrasyonu, ABS/ESP çevrimi altında dayanıklılık ve kompakt paketleme açısından önemli sonuçlar taşır.

Piston-tipi ana silindir yapısal olarak kompakttır. Dahili bileşenleri, anten bölümleri gibi birbirine teleskopik şekilde geçerek, genel düzeneğin sorunsuz bir şekilde uzatılıp geri çekilmesine olanak tanır. Bu teleskopik düzenleme eksenel yükü önemli ölçüde azaltırkurulum uzunluğu-tipik olarakyaklaşık yarısıgeleneksel ana silindirlerinkini-aynı anda karşılarkensıkı hidrolikModern ABS ve ESP sistemlerinin akış talepleri.

1.2 Yapısal Özellikler

Piston-tipi ana silindirin en ayırt edici özelliği, dengeleme portlarının silindir delik duvarı yerine piston üzerine yerleştirilmesidir. Bu tasarım, geçmişte birincil kapak contaları için birincil arıza yeri olan geleneksel delik-yan portunun keskin kenarını ortadan kaldırır. Aynı zamanda çok daha büyük bir toplam dengeleme akış alanı sağlar-piston çevresi etrafında birden fazla bağlantı noktası düzenlenebilir.

Ek olarak, pistonun tüm etkili uzunluğunun silindir deliği duvarı ile temasın sızdırmaz hale getirilmesi için kullanılması nedeniyle, silindir gövdesinin toplam uzunluğu büyük ölçüde azaltılabilir.

1.3 Çalışma Prensibi

Dinlenme halindeyken, birincil ve ikincil devreler, pistona monteli telafi portları aracılığıyla rezervuara açıktır. Sürücü fren pedalına bastığında ana piston ileri doğru hareket eder. Dengeleme portları, artık pürüzsüz, kesintisiz bir delik yüzeyine doğru ilerleyen ana kap contasının yanından geçer. Bağlantı noktaları atlandıktan sonra, basınç odası kapatılır ve hidrolik basınç oluşturularak fren devrelerine sıvı iletilir.

Pedal bırakıldığında piston yay kuvvetinin etkisi altında geri döner. Dengeleme portları,-birincil kap contasını geçen alana yeniden girerek-basınç odası ile rezervuar arasındaki iletişimi yeniden kurar, sıvının geri akmasına ve gerektiğinde odayı doldurmasına izin verir.

1.4 Geleneksel Ana Silindir Tasarımlarından Temel Farklılıklar

• 1.4.1 Önemli Ölçüde Azaltılmış Eksenel Uzunluk

İç bileşenler birbirinin içine geçtiği için toplam montaj uzunluğubüyük ölçüde kısaltılmış-karşılaştırılabilir delik çapına ve çıkış hacmine sahip geleneksel bir tandem ana silindirin genellikle yarısı kadardır. Bu paketleme avantajı, sıkı motor bölmesi yerleşimine sahip araçlar için kritik öneme sahiptir.

• 1.4.2 ABS Sistemleriyle Doğrudan Uyumluluk

Delik duvarı dengeleme bağlantı noktalarına sahip geleneksel ana silindirler, ABS ile kullanıldığında yüksek oranda birincil kapak contası hasarı göstermiştir. Bunun nedeni ABS'nin çalışma dinamiklerinde yatmaktadır: Aktif ABS döngüsü sırasında sistem, fren hidroliğini tekrar tekrar serbest bırakır ve-yeniden basınçlandırır. Bu, ana silindir pistonunun dar bir aralıkta salınmasına neden olur. Geleneksel bir tasarımda, bu salınım sıklıkla ana kap contasını tam olarak dengeleme portunun konumuna konumlandırır. Yüksek basınç altında conta kabı port açıklığına doğru zorlanır ve bu da contanın hızlı aşınmasına, kesilmesine veya ekstrüzyon arızasına yol açar.

Piston-tipi tasarımda dengeleme portları pistonla birlikte hareket eder. Birincil kapak contası, tüm strok aralığı boyunca yalnızca pürüzsüz bir silindir deliği duvarına temas eder. Hiçbir bağlantı noktası kenarı herhangi bir piston konumunda contaya temas etmez, bu da bu arıza modunu neredeyse tamamen ortadan kaldırır.

• 1.4.3 ESP'nin Yüksek-Akış Talepleriyle Uyumluluk

Küresel olarak giderek daha fazla zorunlu hale gelen Elektronik Stabilite Programı (ESP) sistemleri, otomatik fren müdahalesi için ana silindirin çok kısa zaman aralıklarında büyük miktarlarda fren hidroliği sağlamasını gerektirir. Piston-tipi tasarım, piston çevresi etrafında düzenlenmiş çok sayıda büyük dengeleme portunu birleştirme yeteneği sayesinde bu gereksinimi karşılar. Bu tasarım ESP donanımlı araçlarda tercih edilen mimari haline geldi.

1.5 Piston-Tipi Ana Silindirler için Üretim Spesifikasyonları

Ana kapak contası ile piston arasındaki uygun sızdırmazlık, telafi aşaması sırasında sıvının kapak contasını baypas etmesi ihtiyacına karşı dengelenmelidir. Ek olarak, bağlanmadan düzgün kayma, delik yuvarlaklığının, piston düzlüğünün ve yüzey kalitesinin hassas kontrolünü gerektirir.

2 Merkezi Valf Çift-Devreli Fren Ana Silindiri

2.1 Genel Açıklama

Merkezi valf-tipi ana silindir, ABS-donanımlı araçlarla kullanılmak üzere özel olarak geliştirildi. Piston-tipi tasarım gibi, geleneksel delik-duvar dengeleme portunu ortadan kaldırır, ancak bunu farklı bir mekanizma aracılığıyla başarır: her pistonun merkezine konumlandırılmış dahili yay-yüklü bir valf.

Kilitlenmeyi önleyici hidrolik fren sistemleri için merkezi valf konfigürasyonlarını açıklayan patentlerin tarihi 1990'ların ortalarına kadar uzanır; aralarında Bosch'un da bulunduğu büyük üreticiler 2000'lerin başında kendi üretim versiyonlarını geliştirirler. Tasarımın özellikle paketleme alanının daha az kısıtlı olduğu ancak ABS dayanıklılığının öncelikli olduğu binek araç uygulamaları için uygun olduğu kanıtlanmıştır.

2.2 Yapısal Özellikler

Merkezi valf ana silindirinin tanımlayıcı özelliği, silindir deliği duvarında dengeleme portlarının tamamen bulunmamasıdır. Bunun yerine, her pistonda küçük bir yaydan, bir valf popeti veya bilyesinden ve basınç odası ile rezervuar arasındaki sıvı iletişimini kontrol eden bir sızdırmazlık yuvasından- oluşan bir eksenel merkez valfi- bulunur. Silindir deliği, dinlenme konumundan tüm strok uzunluğu boyunca tamamen pürüzsüz olup, ana kapak contaları için kesintisiz bir sızdırmazlık yüzeyi sağlar.

Bu yapı, geleneksel tasarımlarda birincil kapak contalarına zarar veren keskin dengeleme portu kenarını ortadan kaldırır.

2.3 Geleneksel Ana Silindir Tasarımlarından Farklar

Temel fark yapısaldır: merkezi valf-tipi ana silindirler bir merkezi valf içerir ve dengeleme bağlantı noktalarına sahip değildir. Geleneksel ana silindirlerin dengeleme portları vardır ve merkez valfi yoktur.

İşlevsel sonuç da aynı derecede önemlidir. Geleneksel bir tasarımda, ana kapak contası normal frenleme sırasında tekrar tekrar dengeleme portu kenarından geçer. Bu aşınma mekanizması, pistonun bağlantı noktası yakınında hızla salındığı ABS uygulamalarında önemli ölçüde hızlanır. Merkezi valf-tipi tasarımlarda, kapak contası hiçbir zaman delik duvarında herhangi bir açıklıkla karşılaşmaz, bu da conta ve silindir ömrünü önemli ölçüde uzatır.

Özellikle ABS uygulamaları için bu fark kritik öneme sahiptir. ABS aktif döngüleri ana silindir basınç odalarında basınç dalgalanmalarına neden olduğunda, merkezi valf tasarımındaki ana kapak contası, geleneksel bir contayı bir port açıklığına yönlendirecek titreşimli basınçtan etkilenmeden, pürüzsüz bir delik yüzeyi boyunca basitçe hareket eder.

2.4 Çalışma Prensibi

Dinlenme halindeyken merkez valf, yay kuvveti ve mekanik durdurma geometrisi tarafından açık tutulur. Hazneden gelen fren hidroliği valf içinden, popetin etrafından ve basınç odasına akar. Sürücü fren pedalına bastığında ve piston hareketi başladığında, supap yayı kuvveti yavaş yavaş yenilir ve supap yuvası popete doğru kapanır. Sızdırmaz hale getirildikten sonra, basınç odası hazneden izole edilir ve pistonun daha fazla hareketi, sıkışan sıvıyı basınçlandırarak onu fren devrelerine iletir.

Pedalı bıraktıktan sonra geri dönüş yayı basıncı başlangıçta düşer, merkez valf yayı valfi yeniden- açar ve sıvı, hazneden basınç odasına geri akar.

Merkezi valf ön yükleme yayı kuvveti dikkatli bir şekilde seçilmelidir. Ön yük kuvveti (F) etkili sızdırmazlık alanına bölündüğünde, 0,03 MPa'dan daha düşük bir geri açılma hidrolik basıncı sağladığında, fren hidroliği dengelemesi hızlandırılır, ana silindir geri dönüş hızı iyileştirilir ve montaj sırasında manuel fren hidroliği dolumu kolaylaştırılır.

2.5 Merkezi Valf Ana Silindirlerinin Üretim Özellikleri

Aşağıdaki spesifikasyonlar binek araç uygulamalarına yönelik tipik gereksinimleri temsil etmektedir:

3 Temel Yapısal Eğilimler ve Gözlemler

3.1 Düzenleme- Odaklı Geliştirme

Ana silindir gelişiminin en önemli itici gücü güvenlik düzenlemesi olmuştur. 1967'de ABD'nin çift-devreli fren sistemlerine yönelik talimatı tüm sektörü dönüştürdü. Benzer şekilde, Avrupa Birliği'nin 2004'ten itibaren tüm yeni binek araçlarının Kilitlenmeyi Önleyici Fren Sistemleri (ABS)-ve 2014'ten itibaren Elektronik Stabilite Programı (ESP) ile donatılması yönündeki gerekliliği,{10}bir ana silindirin yapması gerekenleri temelden değiştirdi.

ABS gerekliliği, ana silindirlerin artık erken aşınma olmadan basınç dalgalanmalarına ve sızdırmazlık salınımına dayanması gerektiği anlamına gelir. ESP gerekliliği, otomatik frenleme müdahaleleri için ana silindirlerin anında büyük sıvı hacimleri sağlaması gerektiği anlamına gelir. Bu gereksinimler isteğe bağlı değildir-büyük pazarların çoğunda araç homologasyonu için yasal minimum gereksinimlerdir.

3.2 Küresel Düzenleyici Çerçeve

İhracata yönelik fren sistemi bileşenleri için iki baskın düzenleyici çerçevenin bilinmesi önemlidir.

• FMVSS 105 (ABD): Federal Motorlu Taşıt Güvenlik Standardı No. 105, binek otomobiller, çok-amaçlı yolcu taşıtları, kamyonlar ve otobüsler için hidrolik fren sistemlerini kapsar ve durma mesafesi, fren kuvveti dağıtımı ve sistem bütünlüğü testlerini zorunlu kılar.
• ECE R13 (AB ve diğer birçok pazar): BM Düzenleme No. 13, M, N ve O kategorisindeki araçların frenlemeyle ilgili onayına ilişkin tek tip hükümleri kapsar. Avrupa, Asya, Orta Doğu ve ötesinde yaygın olarak benimsenmektedir.

Modern araçların bu standartlardan birine veya her ikisine uyması gerekir ve ana silindir tasarımı ilgili test protokollerine uygun olmalıdır.

3.3 Portsuz Mimarilere Doğru Geçiş

Geleneksel delikli{0}duvar bağlantı noktaları, ABS çevrimi altında güvenilirlik sorunları göstermiştir. Hem piston-tipi hem de merkez valf-tipi tasarımlar, her biri farklı bir mekanizma yoluyla port kenarını ortadan kaldırır. Piston-tipi tasarım, eksenel uzunluk ve akış kapasitesi açısından gelecekteki uygulamalar için belirleyici olabilecek avantajlar sunsa da, sonuçta hangi mimarinin hakim olacağı açık bir soru olmaya devam ediyor.

3.4 Elektronik Kontrol Sistemleriyle Entegrasyon

Elektronik Stabilite Programı (ESP) ve yeni nesil telli fren sistemleri, hızlı, yüksek-hacimli sıvı dağıtımı yapabilen ana silindirlerin yanı sıra elektronik kontrol üniteleri ve konum sensörleriyle entegrasyon gerektirir. Her ne kadar tamamen otonom araçlar (Seviye 4 ve Seviye 5) sonunda tamamen elektronik frenleme lehine hidrolik bileşenlere olan bağımlılığı azaltabilecek olsa da, telli frenlemenin öngörülebilir gelecekte hidrolik bir temeli koruması bekleniyor.

Fren ana silindirinin evrimi iki ana etkeni takip etmiştir: güvenlik, güvenilirlik ve diğer fren sistemi bileşenleriyle uyumluluk konusunda çıtayı sürekli yükselten, dünya çapındaki yönetmeliklerin zorunlu kıldığı, araç frenleme güvenliğine ilişkin artan gereksinimler; ve daha iyi performans, daha düşük maliyet ve daha kompakt paketleme elde etmek için ana silindir tasarımı ve üretim süreçlerinin sürekli olarak iyileştirilmesi.

ABS'nin artık çoğu pazardaki tüm yeni binek araçlarda standart olması (2004'ten beri zorunlu) ve ESP'nin 2014'ten beri zorunlu olması nedeniyle, ana silindirlerin ABS döngüsüne güvenilir bir şekilde dayanması ve ESP akış taleplerini karşılaması gerekiyor. Sektör, delik-duvar dengeleme portunu ortadan kaldıran-hem merkezi valf hem de piston tipi-tipi-portsuz tasarımlara yöneliyor. Bu mimarilerin potansiyel olarak yeni araçlardaki çoğu geleneksel tasarımın yerini almasıyla bu geçişin devam etmesi muhtemeldir.

ESP dünya çapında benimsenmeye devam ettikçe, piston-tipi ana silindirin büyük, anlık sıvı hacimleri sağlama yeteneği onu gelecekteki uygulamalar için güçlü bir konuma getiriyor. Bu arada, elektronik park freni sistemlerinin ve diğer elektronik kontrol sistemlerinin kademeli olarak benimsenmesi, piston konum sensörlerine sahip ana silindirlerin sınırlı şekilde kullanılmasına yol açmıştır.

Referanslar

[1] Otomotiv fren sistemi düzenlemeleri. ABD Federal Motorlu Taşıt Güvenlik Standardı No. 105 (FMVSS 105), BM ECE Yönetmeliği No. 13.

[2] Çift-devreli ana silindir düzenlemesi. ABD Federal Motorlu Taşıt Güvenlik Standardı, 1967 talimatı.

[3] ABS ve ESP uygulama zaman çizelgesi. Yeni binek araçlar için 2004'ten itibaren zorunlu ABS, 2014'ten itibaren zorunlu ESP.

[4] Merkezi valf ana silindir teknolojisi. Bosch Fren Sistemleri. ABS uygulamalarında birincil kapak contası hasarının azaltılması.

[5] Fren Ana Silindirleri Piyasa Analizi 2025-2032. Stratejik MRC. Pazar büyüklüğü 2025'te 3,7 milyar, 2025'te 3,7 milyara ulaşması bekleniyor, 2032'ye kadar %5,5 Bileşik Büyüme Oranıyla 5,4 milyara ulaşması bekleniyor.

[6] Haynes Kılavuzları. Arabanızın Ana Silindirini Anlamak. Geliştirme tarihi 1960-1967.

[7] SAE Uluslararası. SAE J1154 Motorlu Taşıt Frenleri için Hidrolik Ana Silindirler – Performans Gereksinimleri (en son revizyon).

[8] Piston-tipi ana silindir patentleri. Hyundai MOBIS, Bosch. Tasarım ve imalat özellikleri.