Entwicklung und strukturelle Eigenschaften hydraulischer Hauptbremszylinder für Kraftfahrzeuge

Seit Karl Benz 1885 das erste Einzylinder-Dreiradautomobil baute, begleiten Fahrzeuge seit über einem Jahrhundert die gesellschaftliche Entwicklung der Menschheit. Das Bremssystem als entscheidendes Sicherheitssystem eines Fahrzeugs hat sich im Zuge des automobilen Fortschritts kontinuierlich weiterentwickelt. Als Herzstück der Energiebereitstellung des hydraulischen Bremssystems wurde der hydraulische Hauptbremszylinder immer wieder neu gestaltet und verbessert.

Der Entwicklungsverlauf des Hauptbremszylinders lässt sich durch mehrere Hauptstadien verfolgen: den Einkreis-Hauptzylinder, den Restdruck--Ventiltyp, den Zweikreis-(Tandem-)Hauptzylinder und Konfigurationen, die den Anforderungen des Antiblockiersystems (ABS) und des elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) gerecht werden. In jeder Phase entstanden Variationen, um spezifische Design- und Leistungsanforderungen zu erfüllen. In diesem Dokument werden der Entwicklungspfad, die Strukturmerkmale, die Funktionsprinzipien und die Herstellungsüberlegungen jeder Hauptkonfiguration erörtert.

Vor 1967 bestanden die meisten Hauptbremszylinder von Kraftfahrzeugen aus einfachen Bauteilen-einem einzelnen Behälter mit einem Kolben und einer Dichtung. Diese Architektur hatte einen erheblichen Nachteil: Wenn ein Radzylinder undicht war, eine Bremsleitung versagte oder die einzelne innere Dichtung defekt war, konnte der Fahrer die Bremswirkung vollständig verlieren.

Der Durchbruch in Richtung Sicherheitsredundanz gelang 1962, als Cadillac ein Zweikreis-Bremssystem mit separaten Hydraulikleitungen vorne und hinten einführte. Sollte ein Stromkreis ein Leck aufweisen, könnte der andere das Fahrzeug immer noch stoppen. Auch American Motors führte schon früh Split-{4}Zylindersysteme ein, deren diagonale-Split-Architektur jedoch die Schaltkreise zwischen einem Vorderrad und einem Hinterrad auf gegenüberliegenden Seiten aufteilte-ein Design, das die Sicherheit verbesserte, aber noch keine vollständige Trennung von vorne-hinten darstellte.

Mehrere Hersteller arbeiteten unabhängig voneinander an Zweizylindersystemen mit integrierter Redundanz. Wagner Electric gehörte zu den ersten, denen dies gelang. Der eigentliche Wendepunkt kam im Jahr 1967, als die US-Bundesregierung vorschrieb, dass alle Fahrzeuge mit einem Doppel-Hauptbremszylinder mit getrennten Kreisläufen für den Fall eines Leitungsausfalls oder anderer Ausfälle ausgestattet sein müssen.

Heutige Zweikreis-Hauptzylinder verfügen typischerweise über zwei separate Kammern, die den vorderen und hinteren Bremskreis trennen, obwohl einige Konfigurationen immer noch diagonal geteilt sind. Diese Anordnung verhindert einen vollständigen Bremsverlust, wenn eine Dichtung ausfällt oder ein Druckleck entsteht. Mehr als 75 % der Bremsvorgänge werden von den Vorderrädern ausgeführt, was bedeutet, dass ein Ausfall der Hinterradbremse für den Fahrer möglicherweise unbemerkt bleibt, die Vorderradbremse jedoch voll funktionsfähig bleibt.

OperativWenn das Bremspedal betätigt wird, wird die Kraft über die Schubstange auf den Hauptzylinderkolben übertragen. Der Kolben verfügt über zwei Dichtungen und bewegt sich in zwei Kammern, wobei jedem Kreislauf eine eigene Leitung zugeordnet ist. Wenn die Kolben nach vorne gedrückt werden, baut sich hydraulischer Druck auf und bewegt größere Kolben in den Bremssätteln oder Radzylindern, wodurch die Räder angehalten werden.

1.1 Allgemeine Beschreibung

Der Plunger--Zwei--Kreis-Hauptbremszylinder-, der in manchen Branchenliteratur auch als Portless- oder Center-{3}}Feed-Typ- bezeichnet wird, stellt eine grundlegende Abkehr von der herkömmlichen Hauptzylinderarchitektur dar. Anstatt Ausgleichsöffnungen in der Wand der Zylinderbohrung zu platzieren, sind die Ausgleichskanäle bei dieser Konstruktion am Kolben selbst angeordnet. Diese scheinbar einfache Neupositionierung hat erhebliche Auswirkungen auf die Systemintegration, die Haltbarkeit unter ABS/ESP-Zyklen und die kompakte Bauweise.

Der Kolbenhauptzylinder-ist strukturell kompakt. Seine internen Komponenten lassen sich wie Antennenabschnitte ineinanderschieben, sodass sich die Gesamtbaugruppe reibungslos aus- und einfahren lässt. Durch diese Teleskopanordnung wird die axiale Reduzierung erheblich reduziertEinbaulänge-normalerweiseetwa die Hälftedie von herkömmlichen Hauptzylindern-bei gleichzeitiger Erfüllung derstrenge hydraulischeStrömungsanforderungen moderner ABS- und ESP-Systeme.

1.2 Strukturmerkmale

Das hervorstechendste Merkmal des Kolben-{0}}-Hauptzylinders ist die Platzierung der Ausgleichsöffnungen am Kolben und nicht in der Zylinderbohrungswand. Dieses Design eliminiert die scharfe Kante eines herkömmlichen bohrungsseitigen Anschlusses, der in der Vergangenheit eine Hauptfehlerstelle für Primärbecherdichtungen war. Es bietet außerdem einen viel größeren gesamten Kompensationsströmungsquerschnitt.-Mehrere Anschlüsse können um den Kolbenumfang herum angeordnet werden.

Da außerdem die gesamte effektive Länge des Kolbens für den dichtenden Kontakt mit der Zylinderbohrungswand genutzt wird, kann die Gesamtlänge des Zylinderkörpers erheblich reduziert werden.

1.3 Funktionsprinzip

Im Ruhezustand sind der Primär- und der Sekundärkreislauf über die am Kolben-montierten Ausgleichsanschlüsse zum Behälter hin offen. Wenn der Fahrer das Bremspedal betätigt, bewegt sich der Primärkolben nach vorne. Die Ausgleichsöffnungen verlaufen an der primären Becherdichtung vorbei, die nun auf einer glatten, ununterbrochenen Bohrungsoberfläche läuft. Sobald die Anschlüsse umgangen sind, wird die Druckkammer abgedichtet und es baut sich Hydraulikdruck auf, der Flüssigkeit in die Bremskreise leitet.

Beim Loslassen des Pedals kehrt der Kolben unter Federkraft zurück. Die Ausgleichsöffnungen treten wieder in den Bereich hinter der primären Becherdichtung ein und stellen die Verbindung zwischen der Druckkammer und dem Behälter wieder her, sodass die Flüssigkeit bei Bedarf zurückfließen und die Kammer auffüllen kann.

1.4 Hauptunterschiede zu herkömmlichen Hauptzylinderkonstruktionen

• 1.4.1 Deutlich reduzierte axiale Länge

Da die internen Komponenten ineinander geschoben werden, kann die Gesamtlänge der Baugruppe betragendrastisch verkürzt-oft etwa halb so groß wie ein herkömmlicher Tandem-Hauptzylinder mit vergleichbarem Bohrungsdurchmesser und Ausgangsvolumen. Dieser Verpackungsvorteil ist für Fahrzeuge mit engen Motorraumanordnungen von entscheidender Bedeutung.

• 1.4.2 Direkte Kompatibilität mit ABS-Systemen

Herkömmliche Hauptzylinder mit Bohrungswand-Ausgleichsöffnungen haben bei der Verwendung mit ABS eine hohe Schadensrate an der Primärbecherdichtung gezeigt. Der Grund liegt in der Betriebsdynamik des ABS: Während des aktiven ABS-Zyklus löst das System wiederholt Bremsflüssigkeit und setzt sie wieder unter Druck. Dadurch schwingt der Hauptzylinderkolben in einem engen Bereich. Bei einer konventionellen Konstruktion positioniert diese Schwingung die Primärmanschettendichtung häufig genau an der Stelle der Ausgleichsöffnung. Unter hohem Druck wird der Dichtungsbecher in die Anschlussöffnung gedrückt, was zu schnellem Dichtungsverschleiß, Schnitten oder Extrusionsversagen führt.

Beim Plunger--Design bewegen sich die Ausgleichsöffnungen mit dem Kolben. Die primäre Topfdichtung berührt über den gesamten Hubbereich nur eine glatte Zylinderbohrungswand. An keiner Kolbenposition berührt die Anschlusskante die Dichtung, wodurch dieser Fehlermodus praktisch ausgeschlossen ist.

• 1.4.3 Kompatibilität mit ESP High-Flow Demands

Systeme mit elektronischem Stabilitätsprogramm (ESP), die weltweit immer häufiger vorgeschrieben werden, erfordern, dass der Hauptzylinder in sehr kurzen Zeitintervallen große Mengen Bremsflüssigkeit liefert, um einen automatischen Bremseingriff zu ermöglichen. Das Design des Kolbentyps trägt dieser Anforderung Rechnung, indem es mehrere große Ausgleichsöffnungen einbauen kann, die um den Kolbenumfang herum angeordnet sind. Dieses Design hat sich zur bevorzugten Architektur für Fahrzeuge mit ESP entwickelt.

1.5 Herstellungsspezifikationen für Kolben--Hauptzylinder

Eine ordnungsgemäße Abdichtung zwischen der primären Becherdichtung und dem Kolben muss gegen die Notwendigkeit abgewogen werden, dass Flüssigkeit während der Ausgleichsphase die Becherdichtung umgehen muss. Darüber hinaus erfordert ein reibungsloses Gleiten ohne Blockieren eine präzise Kontrolle der Bohrungsrundheit, der Kolbengeradheit und der Oberflächenbeschaffenheit.

Zweikreis-Hauptbremszylinder mit 2 Mittelventilen

2.1 Allgemeine Beschreibung

Der Hauptzylinder vom Typ Mittelventil-wurde speziell für den Einsatz in Fahrzeugen mit ABS-entwickelt. Wie bei der Kolbenkonstruktion entfällt auch hier die herkömmliche Bohrungswand-Ausgleichsöffnung, dies wird jedoch durch einen anderen Mechanismus erreicht: ein internes federbelastetes Ventil, das in der Mitte jedes Kolbens positioniert ist.

Patente, die Mittelventilkonfigurationen für hydraulische Antiblockiersysteme beschreiben, reichen bis in die Mitte der 1990er Jahre zurück. Große Hersteller, darunter Bosch, entwickelten Anfang der 2000er Jahre ihre eigenen Produktionsversionen. Das Design hat sich als besonders geeignet für Pkw-Anwendungen erwiesen, bei denen der Platzbedarf weniger eingeschränkt ist, die ABS-Haltbarkeit jedoch weiterhin Priorität hat.

2.2 Strukturmerkmale

Das charakteristische Merkmal eines Mittelventil-Hauptzylinders ist das völlige Fehlen von Ausgleichsöffnungen in der Zylinderbohrungswand. Stattdessen enthält jeder Kolben ein axiales Mittelventil-bestehend aus einer kleinen Feder, einem Ventilteller oder einer Ventilkugel und einem Dichtsitz-, der die Flüssigkeitskommunikation zwischen der Druckkammer und dem Behälter steuert. Die Zylinderbohrung ist von der Ruheposition über die gesamte Hublänge völlig glatt und bietet eine ununterbrochene Dichtfläche für die primären Becherdichtungen.

Diese Struktur eliminiert die scharfe Kante der Ausgleichsöffnung, die bei herkömmlichen Konstruktionen die Primärbecherdichtungen beschädigt.

2.3 Unterschiede zu herkömmlichen Hauptzylinderkonstruktionen

Der grundlegende Unterschied ist struktureller Natur: Hauptzylinder vom Typ Mittelventil- verfügen über ein Mittelventil und keine Ausgleichsanschlüsse. Herkömmliche Hauptzylinder verfügen über Ausgleichsanschlüsse und kein Mittelventil.

Ebenso bedeutsam ist die funktionale Konsequenz. Bei einer herkömmlichen Konstruktion überquert die primäre Becherdichtung während des normalen Bremsvorgangs wiederholt die Kante der Ausgleichsöffnung. Dieser Verschleißmechanismus wird bei ABS-Anwendungen erheblich beschleunigt, bei denen der Kolben in der Nähe der Anschlussposition schnell oszilliert. Bei Ausführungen mit Mittelventil- stößt die Becherdichtung niemals auf eine Öffnung in der Bohrungswand, was die Lebensdauer der Dichtung und des Zylinders erheblich verlängert.

Speziell für ABS-Anwendungen ist dieser Unterschied entscheidend. Wenn ABS-Aktivzyklen Druckpulsationen in den Druckkammern des Hauptzylinders verursachen, gleitet die primäre Becherdichtung im Mittelventildesign einfach über eine glatte Bohrungsoberfläche, unbeeinflusst von dem pulsierenden Druck, der eine herkömmliche Dichtung in eine Anschlussöffnung treiben würde.

2.4 Funktionsprinzip

Im Ruhezustand wird das Mittelventil durch Federkraft und mechanische Anschlaggeometrie offen gehalten. Bremsflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter fließt durch das Ventil, um den Teller herum und in die Druckkammer. Wenn der Fahrer das Bremspedal betätigt und die Bewegung des Kolbens beginnt, wird die Kraft der Ventilfeder allmählich überwunden und der Ventilsitz schließt gegen den Teller. Sobald die Druckkammer abgedichtet ist, ist sie vom Vorratsbehälter isoliert und durch weitere Kolbenbewegung wird die eingeschlossene Flüssigkeit unter Druck gesetzt und an die Bremskreise weitergeleitet.

Beim Loslassen des Pedals fällt der Druck der Rückstellfeder zunächst ab, die mittlere Ventilfeder öffnet das Ventil wieder und Flüssigkeit fließt vom Behälter zurück in die Druckkammer.

Die Federkraft der Mittelventilvorspannung muss sorgfältig ausgewählt werden. Wenn die Vorspannkraft (F) dividiert durch die effektive Dichtungsfläche einen hydraulischen Rücköffnungsdruck von weniger als 0,03 MPa ergibt, wird der Bremsflüssigkeitsausgleich beschleunigt, die Rücklaufgeschwindigkeit des Hauptzylinders verbessert und das manuelle Einfüllen von Bremsflüssigkeit während der Montage erleichtert.

2.5 Herstellungsspezifikationen für Mittelventil-Hauptzylinder

Die folgenden Spezifikationen stellen typische Anforderungen für Pkw-Anwendungen dar:

3 wichtige strukturelle Trends und Beobachtungen

3.1 Regulierung-gesteuerte Entwicklung

Der wichtigste einzelne Treiber der Entwicklung des Hauptbremszylinders waren Sicherheitsvorschriften. Das US-Mandat für Zweikreis-Bremssysteme im Jahr 1967 veränderte die gesamte Branche. Ebenso hat die Anforderung der Europäischen Union, dass alle neuen Personenkraftwagen ab 2004 mit Antiblockiersystemen (ABS)-und ab 2014 mit einem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) ausgestattet sein müssen-, die Aufgaben eines Hauptzylinders grundlegend geändert.

Die ABS-Anforderung bedeutet, dass Hauptzylinder nun Druckpulsationen und Dichtungsschwingungen ohne vorzeitigen Verschleiß standhalten müssen. Die ESP-Anforderung bedeutet, dass Hauptzylinder für automatische Bremseingriffe sofort große Flüssigkeitsmengen liefern müssen. Diese Anforderungen sind nicht optional-sie sind das gesetzliche Minimum für die Fahrzeughomologation in den meisten großen Märkten.

3.2 Globaler Regulierungsrahmen

Bei Bremssystemkomponenten, die für den Export bestimmt sind, ist die Kenntnis der beiden vorherrschenden regulatorischen Rahmenbedingungen unerlässlich.

• FMVSS 105 (USA): Der Federal Motor Vehicle Safety Standard Nr.{0}} deckt hydraulische Bremssysteme für Personenkraftwagen, Mehrzweck-Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Busse ab und schreibt Tests für Bremsweg, Bremskraftverteilung und Systemintegrität vor.
• ECE R13 (EU und viele andere Märkte): Die UN-Regelung Nr. . 13 enthält einheitliche Bestimmungen für die Genehmigung von Fahrzeugen der Klassen M, N und O in Bezug auf Bremsen. Es ist in ganz Europa, Asien, im Nahen Osten und darüber hinaus weit verbreitet.

Moderne Fahrzeuge müssen einer oder beiden dieser Normen entsprechen und die Konstruktion des Hauptzylinders muss den entsprechenden Prüfprotokollen entsprechen.

3.3 Der Wandel hin zu portlosen Architekturen

Herkömmliche Bohrwandanschlüsse haben unter ABS-Zyklen Probleme mit der Zuverlässigkeit gezeigt. Sowohl beim Kolben---Typ als auch beim Mittelventil---Typ entfällt die Anschlusskante, jeweils durch einen anderen Mechanismus. Welche Architektur letztendlich dominieren wird, bleibt eine offene Frage, obwohl das Plunger-Design Vorteile in Bezug auf axiale Länge und Durchflusskapazität bietet, die sich für zukünftige Anwendungen als entscheidend erweisen könnten.

3.4 Integration mit elektronischen Steuerungssystemen

Das Elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) und die aufkommende Generation von Bremssystemen per-erforderlich sind Hauptzylinder, die eine schnelle Flüssigkeitszufuhr mit hohem{2}}Volumen ermöglichen und in elektronische Steuereinheiten und Positionssensoren integriert werden können. Obwohl vollständig autonome Fahrzeuge (Stufe 4 und 5) irgendwann die Abhängigkeit von hydraulischen Komponenten zugunsten rein elektronischer Bremsen reduzieren könnten, wird erwartet, dass Brake-by-Wire auf absehbare Zeit eine hydraulische Grundlage beibehalten wird.

Die Entwicklung des Hauptbremszylinders folgte zwei Haupttreibern: den steigenden Anforderungen an die Bremssicherheit von Fahrzeugen, die durch weltweite Vorschriften auferlegt werden und die Messlatte für Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kompatibilität mit anderen Bremssystemkomponenten kontinuierlich höher gelegt haben; und die kontinuierliche Verfeinerung der Konstruktions- und Herstellungsprozesse des Hauptzylinders, um eine bessere Leistung, geringere Kosten und eine kompaktere Verpackung zu erreichen.

Da ABS mittlerweile in allen neuen Personenkraftwagen in den meisten Märkten Standard ist (seit 2004 vorgeschrieben) und ESP seit 2014 vorgeschrieben ist, müssen Hauptzylinder den ABS-Zyklen zuverlässig standhalten und die ESP-Durchflussanforderungen erfüllen. Die Branche konvergiert zu anschlusslosen Konstruktionen-sowohl Mittelventil- als auch Kolben--Typen-, die den Bohrungs--Wandausgleichsanschluss überflüssig machen. Dieser Übergang wird sich wahrscheinlich fortsetzen, da diese Architekturen möglicherweise die meisten herkömmlichen Designs in Neufahrzeugen ersetzen werden.

Da ESP weiterhin weltweit eingesetzt wird, positioniert sich der Hauptzylinder mit Kolben-aufgrund seiner Fähigkeit, sofort große Flüssigkeitsmengen bereitzustellen, für künftige Anwendungen. Unterdessen hat die schrittweise Einführung elektronischer Feststellbremssysteme und anderer elektronischer Steuerungssysteme bereits zu einem begrenzten Einsatz von Hauptzylindern mit Kolbenpositionssensoren geführt.

Referenzen

[1] Vorschriften für Kfz-Bremssysteme. US Federal Motor Vehicle Safety Standard Nr.. 105 (FMVSS 105), UN ECE-Regelung Nr.. 13.

[2] Zweikreis-Hauptzylinderregelung. US Federal Motor Vehicle Safety Standard, Mandat von 1967.

[3] Zeitplan für die ABS- und ESP-Implementierung. ABS-Pflicht für neue Pkw ab 2004, ESP-Pflicht ab 2014.

[4] Zentralventil-Hauptzylindertechnologie. Bosch Bremssysteme. Schadensminderung an der Primärbecherdichtung bei ABS-Anwendungen.

[5] Marktanalyse für Hauptbremszylinder 2025–2032. Stratistik MRC. Marktgröße 3,7 Milliarden im Jahr 2025, voraussichtlich 3,7 Milliarden im Jahr 2025, voraussichtlich 5,4 Milliarden bis 2032 bei 5,5 % CAGR.

[6] Haynes-Handbücher. Den Hauptzylinder Ihres Autos verstehen. Entwicklungsgeschichte 1960-1967.

[7] SAE International. SAE J1154 Hydraulische Hauptzylinder für Kraftfahrzeugbremsen – Leistungsanforderungen (letzte Überarbeitung).

[8] Patente für Kolben--Hauptzylinder. Hyundai MOBIS, Bosch. Design- und Fertigungsspezifikationen.