Hamulec hydrauliczny - Hydraulic brake

Schemat ilustrujący główne elementy układu hydraulicznego hamulca tarczowego.

Hamulec hydrauliczny jest układ hamowania mechanizm wykorzystuje płyn hamulcowy , zawierający zwykle etery glikolu lub glikolu dietylenowego , ciśnienia przeniesienie z mechanizmem sterującym do mechanizmu hamulcowego.

Historia

W 1904 roku Frederick George Heath (Heath Hydraulic Brake Co., Ltd.), Redditch, Anglia, opracował i zamontował hydrauliczny (wodno-glicerynowy) układ hamulcowy do roweru za pomocą dźwigni na kierownicy i tłoka. Uzyskał patent GB190403651A na „Poprawa hamulców uruchamianych hydraulicznie do rowerów i silników”, a następnie na ulepszone elastyczne gumowe przewody hydrauliczne.

W 1908 roku Ernest Walter Weight z Bristolu w Anglii opracował i zamontował hydrauliczny (olejowy) układ hamulcowy na cztery koła w samochodzie. Opatentował go w Wielkiej Brytanii (GB190800241A) w grudniu 1908 roku, później w Europie i USA, a następnie wystawił na Londyńskim Salonie Samochodowym w 1909 roku. Jego brat, William Herbert Weight poprawił patent (GB190921122A) i obaj zostali przydzieleni do firmy Weight Patent Automobile Brake Ltd. z 23 Bridge Street w Bristolu, kiedy została założona w 1909/10. Firma, która miała fabrykę na Luckwell Lane w Bristolu, zainstalowała czterokołowy hydrauliczny układ hamulcowy na podwoziu Metallurgique, wyposażonym w nadwozie Hill and Boll, który został wystawiony na targach motoryzacyjnych w Londynie w listopadzie 1910 roku. Chociaż w większej liczbie samochodów zainstalowano układ hamulcowy, a firma intensywnie się reklamowała, zniknął bez osiągnięcia sukcesu, na jaki zasługiwał.

Knox Motors Co. używał hamulców hydraulicznych w 1915 roku w ciągniku siodłowym .

Malcolm Loughhead (który później zmienił pisownię swojego nazwiska na Lockheed ) wynalazł hamulce hydrauliczne, które opatentował w 1917 roku. „Lockheed” to powszechne określenie płynu hamulcowego we Francji.

Fred Duesenberg zastosował hamulce hydrauliczne Lockheed Corporation w swoich samochodach wyścigowych z 1914 roku, a jego firma samochodowa Duesenberg jako pierwsza zastosowała tę technologię w modelu Duesenberg A w 1921 roku.

Firma Knox Motors z Springfield, MA , od 1915 roku wyposażała swoje ciągniki w hamulce hydrauliczne.

Technologia ta została zastosowana w motoryzacji i ostatecznie doprowadziła do wprowadzenia samozasilającego hydraulicznego układu hamulcowego bębnowego (Edward Bishop Boughton, Londyn, Anglia, 28 czerwca 1927 r.), który jest nadal w użyciu.

Budowa

Najpopularniejszy układ hamulców hydraulicznych w pojazdach osobowych, motocyklach, skuterach i motorowerach składa się z następujących elementów:

  • Pedał hamulca lub dźwignia
  • Popychacz (zwany również drążkiem uruchamiającym )
  • Zespół pompy hamulcowej zawierający zespół tłoka (składający się z jednego lub dwóch tłoków, sprężyny powrotnej, szeregu uszczelek / O-ringów i zbiornika płynu)
  • Wzmocnione przewody hydrauliczne
  • Zespół zacisku hamulcowego zwykle składający się z jednego lub dwóch wydrążonych aluminiowych lub chromowanych tłoków stalowych (zwanych tłokami zaciskowymi ), zestawu przewodzących ciepło klocków hamulcowych i wirnika (zwanego również tarczą hamulcową ) lub bębna przymocowanego do osi.

Układ jest zwykle wypełniony płynem hamulcowym na bazie eteru glikolowego (można również użyć innych płynów).

Kiedyś w samochodach osobowych powszechnie stosowane były hamulce bębnowe na wszystkich czterech kołach. Później zastosowano hamulce tarczowe z przodu i hamulce bębnowe z tyłu. Jednak hamulce tarczowe wykazały lepsze rozpraszanie ciepła i większą odporność na „blaknięcie” i dlatego są ogólnie bezpieczniejsze niż hamulce bębnowe. Tak więc hamulce tarczowe na cztery koła stają się coraz bardziej popularne, zastępując bębny we wszystkich pojazdach, z wyjątkiem najbardziej podstawowych. Jednak wiele projektów pojazdów dwukołowych nadal wykorzystuje hamulec bębnowy dla tylnego koła.

Poniższy opis wykorzystuje terminologię / i konfigurację prostego hamulca tarczowego.

Operacja systemowa

W hydraulicznym układzie hamulcowym, po naciśnięciu pedału hamulca, popychacz wywiera siłę na tłok (tłoki) w głównym cylindrze, powodując przepływ płynu ze zbiornika płynu hamulcowego do komory ciśnieniowej przez otwór kompensacyjny. Powoduje to wzrost ciśnienia w całym układzie hydraulicznym, wymuszając płyn przez przewody hydrauliczne w kierunku jednego lub więcej zacisków, gdzie oddziałuje na jeden lub więcej tłoków zacisku uszczelnionych jednym lub więcej osadzonymi pierścieniami O-ring (które zapobiegają wyciekowi płynu ).

Tłoki zacisku hamulcowego wywierają następnie siłę na klocki hamulcowe, dociskając je do wirującego wirnika, a tarcie między klockami a wirnikiem powoduje wytwarzanie momentu hamowania , co spowalnia pojazd. Ciepło generowane przez to tarcie jest rozpraszane przez otwory wentylacyjne i kanały w wirniku lub jest przenoszone przez klocki, które są wykonane ze specjalistycznych materiałów odpornych na ciepło, takich jak kevlar lub spiekane szkło .

Alternatywnie w hamulcu bębnowym płyn dostaje się do cylindra koła i dociska jedną lub dwie szczęki hamulcowe do wnętrza wirującego bębna. W klockach hamulcowych zastosowano podobny materiał cierny odporny na wysokie temperatury, co klocki stosowane w hamulcach tarczowych.

Późniejsze zwolnienie pedału/dźwigni hamulca umożliwia sprężynie(y) w zespole pompy hamulcowej przywrócenie tłoka(ów) głównego(ych) z powrotem na swoje miejsce. Działanie to najpierw zmniejsza ciśnienie hydrauliczne na zacisku, a następnie powoduje ssanie tłoczka hamulcowego w zespole zacisku, cofając go z powrotem do jego obudowy i umożliwiając klockom hamulcowym zwolnienie tarczy.

Hydrauliczny układ hamulcowy jest zaprojektowany jako układ zamknięty: o ile w układzie nie ma nieszczelności, żaden płyn hamulcowy nie dostaje się do niego ani nie opuszcza, ani płyn nie ulega zużyciu podczas użytkowania. Może jednak dojść do wycieku z pęknięć pierścieni uszczelniających lub przebicia przewodu hamulcowego. Pęknięcia mogą powstać, gdy zmieszane zostaną dwa rodzaje płynu hamulcowego lub jeśli płyn hamulcowy zostanie zanieczyszczony wodą, alkoholem, płynem niezamarzającym lub dowolną liczbą innych płynów.

Przykład hydraulicznego układu hamulcowego

Hamulce hydrauliczne przekazują energię w celu zatrzymania obiektu, zwykle obracającej się osi. W bardzo prostym układzie hamulcowym, składającym się tylko z dwóch cylindrów i hamulca tarczowego , cylindry można połączyć przewodami, z tłokiem wewnątrz cylindrów. Cylindry i rurki wypełnione są nieściśliwym olejem. Oba cylindry mają tę samą objętość, ale różne średnice, a co za tym idzie różne pola przekroju. Cylinder, z którego korzysta operator, nazywany jest cylindrem głównym . Wirujący hamulec tarczowy będzie sąsiadował z tłokiem o większym przekroju. Załóżmy, że średnica pompy hamulcowej jest równa połowie średnicy cylindra podrzędnego, więc cylinder główny ma czterokrotnie mniejszy przekrój. Teraz, jeśli tłok w głównym cylindrze zostanie wciśnięty o 40 mm, tłok pomocniczy przesunie się o 10 mm. Jeżeli na tłok główny zostanie przyłożona siła 10 niutonów (N), tłok pomocniczy będzie naciskał z siłą 40 N.

Siłę tę można dodatkowo zwiększyć, wkładając dźwignię połączoną między tłok główny, pedał i punkt obrotu . Jeżeli odległość od pedału do trzpienia jest trzykrotna odległość od trzpienia do połączonego tłoka, to siła nacisku na pedał jest mnożona przez 3 razy, tak że 10 N staje się 30 N na pedale. tłok główny i 120 N na klocku hamulcowym. I odwrotnie, pedał musi przesunąć się trzy razy dalej niż tłok główny. Jeśli wciśniemy pedał 120 mm w dół, tłoczek główny przesunie się o 40 mm, a tłok pomocniczy przesunie klocek hamulcowy o 10 mm.

Specyfika komponentów

(Dla typowych samochodowych układów hamulcowych do lekkich obciążeń)

W samochodzie czterokołowym norma FMVSS 105, 1976; wymaga wewnętrznego podziału pompy głównej na dwie sekcje, z których każda zasila oddzielny obwód hydrauliczny. Każda sekcja dostarcza ciśnienie do jednego obwodu. Połączenie jest znane jako tandemowy cylinder główny. Samochody osobowe zazwyczaj zarówno przód / tył układ hamulcowy podzielone lub przekątnej układu hamulcowego podzielonego (pompy hamulcowej w motocykla lub skutera może wywierania nacisku tylko jedną jednostkę, która będzie hamulca przedniego).

Układ dzielenia przód/tył wykorzystuje jedną sekcję pompy głównej do zwiększania ciśnienia w tłokach przedniego zacisku, a drugą do zwiększania ciśnienia w tłokach tylnego zacisku. Układ hamulcowy z dzielonym obwodem jest obecnie wymagany przez prawo w większości krajów ze względów bezpieczeństwa; jeśli jeden obwód ulegnie awarii, drugi obwód nadal może zatrzymać pojazd.

Systemy podziału diagonalnego były początkowo stosowane w samochodach American Motors w roku produkcyjnym 1967. Prawy przód i lewy tył są obsługiwane przez jeden tłok uruchamiający, podczas gdy lewy przód i prawy tył są obsługiwane wyłącznie przez drugi tłok uruchamiający (oba tłoki wytwarzają ciśnienie w odpowiednich sprzężonych liniach z jednego pedału nożnego). Jeśli jeden obwód ulegnie awarii, drugi, z co najmniej jednym hamulcem przednim (hamulce przednie zapewniają większość siły hamowania, ze względu na przeniesienie ciężaru ), pozostaje nienaruszony, aby zatrzymać mechanicznie uszkodzony pojazd. W latach 70. systemy dzielone po przekątnej stały się powszechne wśród samochodów sprzedawanych w Stanach Zjednoczonych. System ten został opracowany w oparciu o konstrukcję zawieszenia samochodów z napędem na przednie koła, aby zachować lepszą kontrolę i stabilność podczas awarii systemu.

Trójkątne wzdłużny został wprowadzony na Volvo serii 140 z mojego roku 1967, w którym przednie hamulce tarczowe mają układ czterocylindrowy, a oba układy działają na każdym kole przednim i na jednym z tylnych kół. Aranżację zachowano w kolejnych seriach modeli 200 i 700.

Średnica i długość pompy hamulcowej ma znaczący wpływ na działanie układu hamulcowego. Pompa hamulcowa o większej średnicy dostarcza więcej płynu hydraulicznego do tłoków zacisku, ale wymaga większej siły nacisku na pedał hamulca i mniejszego skoku pedału hamulca, aby osiągnąć dane opóźnienie. Pompa hamulcowa o mniejszej średnicy ma odwrotny skutek.

Pompa hamulcowa może również wykorzystywać różne średnice między dwiema sekcjami, aby umożliwić zwiększenie objętości płynu do jednego lub drugiego zestawu tłoków zacisku i nazywa się to „szybkim nabieraniem” M/C. Są one używane z przednimi zaciskami o „niskim oporze” w celu zwiększenia oszczędności paliwa.

Zawór dozowania może być stosowany w celu zmniejszenia ciśnienia do hamulców tylnych trakcie intensywnego hamowania. Ogranicza to tylne hamowanie, aby zmniejszyć szanse na zablokowanie tylnych hamulców i znacznie zmniejsza szanse na obrót.

Hamulce mocy

Wzmacniacz próżni lub serwo próżnia jest stosowany w większości nowoczesnych układów hamulców hydraulicznych, które zawierają cztery koła. Wzmacniacz podciśnienia jest zamocowany między pompą główną a pedałem hamulca i zwielokrotnia siłę hamowania wywieraną przez kierowcę. Jednostki te składają się z wydrążonej obudowy z ruchomą gumową membraną pośrodku, tworząc dwie komory. Po przymocowaniu do niskociśnieniowej części korpusu przepustnicy lub kolektora dolotowego silnika ciśnienie w obu komorach jednostki jest obniżane. Równowaga wytworzona przez niskie ciśnienie w obu komorach uniemożliwia ruch membrany do momentu wciśnięcia pedału hamulca. Sprężyna powrotna utrzymuje membranę w pozycji wyjściowej do momentu wciśnięcia pedału hamulca. Po naciśnięciu pedału hamulca ruch otwiera zawór powietrza, który wpuszcza powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym do jednej komory wzmacniacza. Ponieważ ciśnienie w jednej komorze wzrasta, membrana przesuwa się w kierunku komory niższego ciśnienia z siłą wytworzoną przez obszar membrany i różnicę ciśnień. Ta siła, oprócz siły nacisku na stopę kierowcy, naciska na tłok pompy hamulcowej. Wymagana jest jednostka wspomagająca o stosunkowo małej średnicy; dla bardzo konserwatywnej 50% próżni kolektora, siła pomocnicza około 1500 N (200n) jest wytwarzana przez 20 cm membranę o powierzchni 0,03 metra kwadratowego. Membrana przestanie się poruszać, gdy siły po obu stronach komory osiągną równowagę. Może to być spowodowane zamknięciem zaworu powietrza (ze względu na zatrzymanie pedału) lub osiągnięciem „braku”. Bicie występuje, gdy ciśnienie w jednej komorze osiąga ciśnienie atmosferyczne i żadna dodatkowa siła nie może być generowana przez stojącą teraz różnicę ciśnień. Po osiągnięciu punktu bicia, tylko siła nacisku stopy kierowcy może być wykorzystana do dalszego dociskania tłoka pompy hamulcowej.

Ciśnienie płynu z głównego cylindra przepływa przez parę stalowych rurek hamulcowych do zaworu różnicowego ciśnienia , czasami nazywanego „zaworem awarii hamulca”, który spełnia dwie funkcje: wyrównuje ciśnienie między dwoma systemami i zapewnia ostrzeżenie jeśli jeden system traci ciśnienie. Zawór różnicy ciśnień posiada dwie komory (do których przyłączone są przewody hydrauliczne) z tłokiem pomiędzy nimi. Gdy ciśnienie w którejkolwiek linii jest zrównoważone, tłok nie porusza się. Jeśli ciśnienie z jednej strony zostanie utracone, ciśnienie z drugiej strony porusza tłokiem. Gdy tłok zetknie się z prostą sondą elektryczną w środku jednostki, obwód zostaje zakończony, a operator jest ostrzegany o awarii układu hamulcowego.

Z zaworu różnicowego ciśnienia przewody hamulcowe przenoszą ciśnienie do jednostek hamulcowych na kołach. Ponieważ koła nie utrzymują stałego stosunku do samochodu, konieczne jest zastosowanie hydraulicznego przewodu hamulcowego od końca stalowej linki przy ramie pojazdu do zacisku przy kole. Umożliwienie zginania się stalowych rurek hamulcowych prowadzi do zmęczenia metalu i ostatecznie do awarii hamulców. Powszechnym ulepszeniem jest zastąpienie standardowych węży gumowych zestawem, który jest zewnętrznie wzmocniony plecionymi drutami ze stali nierdzewnej. Plecione druty mają znikome rozszerzanie się pod naciskiem i mogą zapewnić mocniejsze wyczucie pedału hamulca przy mniejszym skoku pedału przy danej sile hamowania.

Termin „hamulce hydrauliczne wspomagane” może również odnosić się do systemów działających na bardzo różnych zasadach, w których pompa napędzana silnikiem utrzymuje stałe ciśnienie hydrauliczne w centralnym akumulatorze. Pedał hamulca kierowcy po prostu steruje zaworem, aby upuścić ciśnienie do jednostek hamulcowych przy kołach, zamiast wytwarzać ciśnienie w głównym cylindrze przez naciśnięcie tłoka. Ten rodzaj hamulca jest analogiczny do układu hamulcowego pneumatycznego , ale z płynem hydraulicznym jako czynnikiem roboczym, a nie powietrzem. Jednak w hamulcu pneumatycznym powietrze jest wypuszczane z układu po zwolnieniu hamulców i należy uzupełnić zapas sprężonego powietrza. W hydraulicznym układzie hamulcowym o dużej mocy płyn pod niskim ciśnieniem jest zwracany z jednostek hamulcowych przy kołach do napędzanej silnikiem pompy, gdy hamulce są zwalniane, dzięki czemu w centralnym akumulatorze ciśnienia niemal natychmiast następuje ponowne ciśnienie. To sprawia, że ​​układ hydrauliki siłowej doskonale nadaje się do pojazdów, które muszą często się zatrzymywać i ruszać (takich jak autobusy w miastach). Ciągle krążący płyn usuwa również problemy z zamarzaniem części i nagromadzoną parą wodną, ​​które mogą wpływać na systemy powietrzne w zimnym klimacie. AEC Routemaster autobus jest dobrze znane stosowanie zasilania hamulców hydraulicznych i kolejnych pokoleń Citroen samochody z hydropneumatycznego zawieszenia również w pełni zasilane hamulce hydrauliczne zamiast konwencjonalnych systemów hamulcowych dla przemysłu motoryzacyjnego. Większość dużych samolotów korzysta również z hydraulicznych hamulców kół, ze względu na ogromną siłę hamowania, jaką mogą zapewnić; hamulce kół są połączone z jednym lub kilkoma głównymi układami hydraulicznymi samolotu , z dodatkiem akumulatora, który umożliwia hamowanie samolotu nawet w przypadku awarii hydraulicznej.

Uwagi specjalne

Pneumatyczne układy hamulcowe są nieporęczne i wymagają sprężarek powietrza i zbiorników zasobnikowych. Systemy hydrauliczne są mniejsze i tańsze.

Płyn hydrauliczny musi być nieściśliwy . W przeciwieństwie do hamulców pneumatycznych , w których zawór jest otwarty i powietrze przepływa do przewodów i komór hamulcowych, aż ciśnienie wystarczająco wzrośnie, systemy hydrauliczne polegają na pojedynczym skoku tłoka, aby przetłoczyć płyn przez układ. Jeśli jakakolwiek para zostanie wprowadzona do układu, ulegnie ściśnięciu, a ciśnienie może nie wzrosnąć wystarczająco, aby uruchomić hamulce.

Hydrauliczne układy hamulcowe są czasami poddawane działaniu wysokich temperatur podczas pracy, na przykład podczas zjazdów ze stromych wzniesień. Z tego powodu płyn hydrauliczny musi być odporny na parowanie w wysokich temperaturach.

Woda łatwo paruje pod wpływem ciepła i może powodować korozję metalowych części systemu. Woda, która dostanie się do przewodów hamulcowych, nawet w niewielkich ilościach, będzie reagować z większością powszechnie stosowanych płynów hamulcowych (tzn. takich, które są higroskopijne ) powodując tworzenie się osadów, które mogą zatykać przewody hamulcowe i zbiornik. Całkowite uszczelnienie układu hamulcowego przed działaniem wody jest prawie niemożliwe, co oznacza, że ​​konieczna jest regularna wymiana płynu hamulcowego, aby zapobiec przepełnieniu układu osadami powstałymi w wyniku reakcji z wodą. Lekkie oleje są czasami używane jako płyny hydrauliczne, ponieważ nie reagują z wodą: olej wypiera wodę, chroni plastikowe części przed korozją i może tolerować znacznie wyższe temperatury przed odparowaniem, ale ma inne wady w porównaniu z tradycyjnymi płynami hydraulicznymi. Płyny silikonowe są droższą opcją.

„ Zanikanie hamulców ” to stan spowodowany przegrzaniem, w którym skuteczność hamowania zmniejsza się i może zostać utracona. Może się to zdarzyć z wielu powodów. Podkładki, które sprzęgają się z obracającą się częścią, mogą się przegrzać i „zeszklić”, stając się tak gładkie i twarde, że nie mogą wystarczająco chwycić, aby spowolnić pojazd. Ponadto parowanie płynu hydraulicznego w ekstremalnych temperaturach lub zniekształceniach termicznych może powodować zmianę kształtu wykładzin i angażowanie mniejszej powierzchni obracającej się części. Zniekształcenia termiczne mogą również powodować trwałe zmiany kształtu elementów metalowych, co skutkuje zmniejszeniem zdolności hamowania, co wymaga wymiany uszkodzonych części.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Patenty

  • US 2746575 Hamulce tarczowe do pojazdów drogowych i innych pojazdów . Kinchin 1956-05-22 
  • US 2591793 Urządzenie do regulacji drogi powrotnej środków uruchamianych płynem . Dubois 1952-04-08 
  • US 2544849 Automatyczny regulator hamulca hydraulicznego . Marcin 1951-03-13 
  • US 2485032 Aparat hamulcowy . Bryant 1949.10.08 
  • US 2466990 Hamulec jednotarczowy . Johnson Wade C, Trishman Harry A, Stratton Edgar H. 1949-04-12 
  • US 2416091 Mechanizm kontroli ciśnienia płynu . Fitch 1947-02-12 
  • US 2405219 Hamulec tarczowy . Lambert Homer T. 1946-08-06 
  • US 2375855 Hamulec wielotarczowy . Lambert Homer T. 1945-05-15 
  • US 2366093 Hamulec . Forbes Joseph A. 1944-12-26 
  • US 2140752 Hamulec . La Brie 1938-12-20 
  • US 2084216 Hamulec typu V do pojazdów silnikowych . Poage Robert A. i Poage Marlin Z. 15.06.1937 
  • US 2028488 Hamulec . Avery William Leicester 21.02.1936 
  • US 1959049 Hamulec cierny . Buus Niels Peter Waldemar 15.05.1934 
  • US 1954534 Hamulec . Norton Raymond J 1934-04-10 
  • US 1721370 Hamulec do użytku w pojazdach . Boughton Edward Bishop 16.07.1929 r. 
  • DE 695921 Antriebsvorrichtung mit hydraulischem Gestaenge... . Borgwar Carl Friedrich Wilhelm 1940-09-06 
  • GB 377478 Ulepszenia cylindrów kół do hamulców hydraulicznych . Hall Frederick Harold 1932-07-28 
  • GB 365069 Udoskonalenia w sterowaniu urządzeń sterowanych hydraulicznie, aw szczególności hamulców pojazdów . Rubury John Meredith 1932-01-06