Гидравликалық тежегіш жүйенің құрылысы және даму тарихы

Кіріспе

Тежегіш механизмдерінің құрылысы

Гидравликалық тежегіш – бұл тежегіш сұйықтығын (әдетте гликоль эфирлерін немесе диэтилен гликольді қамтитын) пайдаланып, басқару механизмінен тежегіш механизмдеріне қысымды жеткізетін тежегіш механизмдерінің құрылысы.

Тарих

1904 жылы Фредерик Джордж Хит, Реддитч, Англия, гидравликалық (су/глицерин) тежегіш жүйесін ойлап тапты және оны рульдік тұтқа мен поршеньді пайдалана отырып, велосипедке орнатты. Ол “велосипедтер мен моторлар үшін гидравликалық түрде басқарылатын тежегіштерді жақсарту” үшін GB190403651A патентін алды, сондай-ақ кейіннен жақсартылған икемді резеңке гидравликалық құбырлар үшін де патент алды. 1908 жылы Эрнест Уолтер Вейт, Бристоль, Англия, моторлы көлікке төрт дөңгелекті гидравликалық (майлы) тежегіш жүйесін ойлап тауып, орнатты. Ол оны 1908 жылдың желтоқсанында Ұлыбританияда (GB190800241A) патенттеді, кейін Еуропа мен АҚШ-та патенттеді және 1909 жылғы Лондон автосалонында көрсетті. Оның інісі Уильям Герберт Вейт патентті жақсартты (GB190921122A) және екеуі де 1909/10 жылы құрылған Weight Patent Automobile Brake Ltd. компаниясына, Бристольдегі 23 Bridge Street мекенжайына берілді. Лакквелл-Лейнде зауыты бар бұл компания, 1910 жылғы қарашада Лондон автосалонында көрсетілген Хилл және Болл кузовымен жабдықталған Metallurgique шассиіне төрт дөңгелекті гидравликалық тежегіш жүйесін орнатты. Көліктердің көбіне бұл тежегіш жүйесі орнатылса да және компания көп жарнама жасаса да, ол лайықты табысқа жете алмай жоғалып кетті. Малкольм Логхед (кейіннен өзінің тегін Локхид деп өзгертті) 1917 жылы патент алған гидравликалық тежегіштерді ойлап тапты. "Локхид" Францияда тежегіш сұйықтығын атау үшін жиі қолданылатын термин. Фред Дюсенберг 1914 жылғы жарыс машиналарын және оның Duesenberg компаниясы 1921 жылы Duesenberg Model A көлігінде алғаш рет осы технологияны қолданды, Lockheed Corporation гидравликалық тежегіштерін пайдаланды. Спрингфилд, Массачусетс штатындағы Knox Motors Company 1915 жылдан бастап өз тракторларын гидравликалық тежегіштермен жабдықтады. Бұл технология автокөліктерде қолданыла берді және әрі қарай өзін-өзі қозғайтын гидравликалық барабанды тежегіш жүйесін (Эдвард Бишоп Боттон, Лондон, Англия, 1927 жылғы 28 маусым) енгізуге әкелді, ол бүгінге дейін қолданылып келеді.

Жүйенің жұмыс істеуі

Гидравликалық тежегіш жүйесінде, тежегіш педалі басылған кезде, итергіш (pushrod) бас цилиндрдегі поршень(дер)ге күш түсіреді, бұл тежегіш сұйықтығы резервуарынан компенсациялық тесік арқылы қысым камерасына сұйықтықтың ағып кетуіне себеп болады. Бұл бүкіл гидравликалық жүйенің қысымын арттырады, сұйықтықты гидравликалық түтіктер арқылы бір немесе бірнеше калиперлерге итермелейді, онда ол бір немесе бірнеше калипер поршеньдеріне әсер етеді, олар бір немесе бірнеше О-сақиналармен (O rings) герметизацияланған (сұйықтықтың сығуына жол бермейді). Содан кейін тежегіш калипер поршеньдері тежегіш колодкаларына күш түсіріп, оларды айналатын роторға итеріп, колодкалар мен ротор арасындағы үйкеліс тежегіш моментін тудырады, бұл көлікті баяулатады. Осы үйкелістен пайда болған жылу ротордағы желдеткіштер мен арналар арқылы таратылады немесе кевлар немесе ыстыққа төзімді арнайы материалдардан, мысалы, күйдірілген шыныдан (sintered glass) жасалған колодкалар арқылы өткізіледі. Басқа жағдайда, барабанды тежегіште сұйықтық дөңгелек цилиндрге кіреді және айналып тұрған барабанның ішкі жағына бір немесе екі тежегіш аяқшаны (brake shoes) қысады. Тежегіш аяқшалары дискілі тежегіштерде қолданылатын колодкаларға ұқсас жылуға төзімді үйкеліс материалынан жасалған. Тежегіш педалін/сағатты босату бас цилиндр жинағындағы серіппе(лер)ге бас поршень(дер)ді бастапқы қалпына қайтаруға мүмкіндік береді. Бұл әрекет алдымен калипердегі гидравликалық қысымды төмендетеді, содан кейін калипер жинағындағы тежегіш поршенін сорып, оны корпусына қайтарады және тежегіш колодкаларына роторды босатуға мүмкіндік береді. Гидравликалық тежегіш жүйесі жабық жүйе ретінде құрастырылған: жүйеде ақаулық болмаса, тежегіш сұйықтығы оған кірмейді немесе шықпайды, сондай-ақ пайдалану кезінде сұйықтық тұтынылмайды. Дегенмен, О-сақиналарындағы жарықтар немесе тежегіш түтігіндегі тесіктерден сығу болуы мүмкін. Жарықтар егер екі түрлі тежегіш сұйықтығы араластырылса немесе тежегіш сұйықтығы сумен, спиртпен, антифризбен немесе басқа да сұйықтықтармен ластанса пайда болуы мүмкін.

Гидравликалық тежегіш жүйесінің үлгісі

Гидравликалық тежегіштер айналатын осьті, әдетте, тоқтату үшін энергияны жеткізеді. Екі цилиндр мен дискілі тежегіштен тұратын өте қарапайым тежегіш жүйесінде цилиндрлер құбырлар арқылы, ішінде поршеньдерімен қосылуы мүмкін. Цилиндрлер мен құбырлар сығылмайтын сұйықтықпен толтырылады. Екі цилиндрдің көлемі бірдей, бірақ диаметрлері әртүрлі, демек қима аудандары да әртүрлі. Оператор қолданатын цилиндр бас цилиндр деп аталады. Айналатын дискілі тежегіш үлкен қималы поршеньге жақын орналасады. Егер бас цилиндрдің диаметрі екі есе кіші цилиндрдің диаметрінен кем болса, онда бас цилиндрдің қимасы төрт есе кіші болады. Егер бас цилиндрдегі поршень 40 мм төмен жылжырылса, екіінші поршень 10 мм қозғалады. Егер бас поршеньге 10 Ньютон (Н) күш қолданылса, екіінші поршень 40 Н күшпен басады.

Бұл күшті бас поршень, педаль және тіреу нүктесі арасында қосылған рычаг арқылы одан әрі арттыруға болады. Егер педаль мен тіреу нүктесі арасындағы қашықтық, тіреу нүктесі мен поршень арасындағы қашықтықтан үш есе көп болса, онда педальды төмен басқанда ол педаль күшін 3 есе арттырады, сондықтан 10 Н бас поршеньде 30 Н, ал тежегіш қаптамасында 120 Н болады. Керісінше, педаль бас поршеньнен үш есе көп жылжуы керек. Егер педальді 120 мм төмен басса, бас поршень 40 мм, ал екіінші поршень тежегіш қаптамасын 10 мм жылжытады.

Қуатты тежегіштер

Вакуумдық күштендіргіш немесе вакуумдық серво көптеген заманауи төрт дөңгелекті гидравликалық тежегіш жүйелерінде қолданылады. Вакуумдық күштендіргіш бас цилиндр мен тежегіш педаль арасында орнатылып, жүргізушінің қолданатын тежегіш күшін арттырады. Бұл құрылғылардың құрамында ортасынан өтетін жылдамды резеңке мембранасы бар қуыс корпус болады, ол екі камераны құрайды. Қозғалтқыштың дроссель корпусының немесе сорғыш коллекторының төмен қысымды бөлігіне қосылғанда, екі камерадағы қысым төмендейді. Екі камерадағы төмен қысымның тудырған тепе-теңдігі тежегіш педаль басылғанға дейін мембрананы қозғалмай ұстап тұрады. Қайтару серпімі тежегіш педалі басылғанша мембрананы бастапқы күйінде сақтайды. Тежегіш педалі басылғанда, қозғалыс ауа клапанын ашып, атмосфералық қысымдағы ауаны күштендіргіштің бір камерасына кіргізеді. Бір камерадағы қысым жоғарылағандықтан, мембрана мембрана ауданы мен қысым айырмасының күшімен төмен қысымды камераға қарай қозғалады. Бұл күш, жүргізушінің аяқ күшімен бірге, бас цилиндрдің поршенін итеріп отырады. Шамалы диаметрлі күштендіргіш блогы қажет; өте консервативті 50% коллекторлық вакуум үшін 0,03 шаршы метр ауданы бар 20 см мембранамен шамамен 1500 Н көмекші күш туындайды. Мембрана екі жақтағы күштер тепе-теңдікке келгенде қозғалмай тоқтайды. Бұл ауа клапанының жабылуынан (педальді тоқтатудан) немесе "шекке жетуден" болуы мүмкін. Шекке жету бір камерадағы қысым атмосфералық қысымға жеткенде және енді тұрақтанған қысым айырмасынан қосымша күш туындамайды. Шекке жеткеннен кейін, бас цилиндр поршенін одан әрі итеру үшін тек жүргізушінің аяқ күші ғана қолданылады. Бас цилиндрден шығатын сұйық қысымы екі жүйе арасындағы қысымды теңестіретін және егер бір жүйе қысымды жоғалтса ескертетін "тежегіш қате клапаны" деп те аталатын қысымды дифференциалдық клапан арқылы екі темір тежегіш түтігінен өтеді. Қысымды дифференциалдық клапанның екі камерасы (гидравликалық желілер оларға қосылады) және олардың арасында поршень орналасқан. Егер екі желідегі қысым тең болса, поршень қозғалмайды. Егер бір жақтағы қысым жоғалса, екінші жақтағы қысым поршеньді жылжытады. Поршень құрылғының ортасындағы қарапайым электрлік зондқа тигенде, тізбек толықтанады және операторға тежегіш жүйесіндегі ақаулық туралы ескертіледі. Қысымды дифференциалдық клапаннан тежегіш түтіктері қысымды дөңгелектердегі тежегіш механизмдеріне жеткізеді. Дөңгелектер автомобильмен тұрақты байланыста болмағандықтан, дөңгелектің тірегіндегі темір желінің соңынан дөңгелектің калиперіне дейін гидравликалық тежегіш шлангін пайдалану қажет. Темір тежегіш түтіктерінің иілуіне жол беру металлдың шаршауына және соңында тежегіштің істен шығуына әкеледі. Көбінесе стандартты резеңке шлангтарды сырттан тоқылған тот баспайтын болат сымдармен күшейтілген жиынтықпен ауыстыру жаңарту болып табылады. Тоқылған сымдар қысым кезінде минималды түрде ғана кеңейеді және берілген тежеу күші үшін тежегіш педаліне сенімдірек сезім береді және педальдің қозғалысын азайтады. "Қозғалтқышпен жұмыс істейтін гидравликалық тежегіштер" термині өте әртүрлі принциптер бойынша жұмыс істейтін жүйелерге де қатысты болуы мүмкін, онда қозғалтқышпен жұмыс істейтін сорғы орталық аккумуляторда үнемі гидравликалық қысымды сақтайды. Жүргізушінің тежегіш педалі тек клапанды басқарып, тежегіш блоктарына қысымды жібереді, бас цилиндрде поршенді басып қысым жасамайды. Бұл тежегіш түрі ауа тежегіш жүйесіне ұқсас, бірақ жұмыс ортасы ретінде ауа емес, гидравликалық сұйықтық қолданылады. Алайда, ауа тежегіш жүйесінде тежегіштер босатылғанда ауа жүйеден шығарылады және қысылған ауа қоры толтырылуы керек. Қуатты гидравликалық тежегіш жүйесінде төмен қысымды сұйықтық тежегіштердің дөңгелектеріндегі тежегіш блоктарынан тежегіштер босатылғанда қозғалтқышпен жұмыс істейтін сорғыға қайтарылады, сондықтан орталық қысым аккумуляторы бірден қайта қысымға ие болады. Бұл қуатты гидравликалық жүйені жиі тоқтап, іске қосуы тиіс көліктерге (мысалы, қалалық автобустарға) өте қолайлы етеді. Үнемі айналымдағы сұйықтық сондай-ақ суық климаттағы ауа жүйелерін зақымдайтын мұздаған бөлшектер мен жиналған су буының проблемаларын жояды. AEC Routemaster автобусы қуатты гидравликалық тежегіштердің жақсы танымал мысалы болып табылады, ал гидравликалық-пневматикалық аспалы Citroen автомобильдерінің келесі буындары да дәстүрлі автомобильдік тежегіш жүйелерінің орнына толық қуатты гидравликалық тежегіштерді қолданды. Көптеген ірі ұшақтар да өте үлкен тежегіш күшін қамтамасыз ете алатын қуатты гидравликалық дөңгелек тежегіштерін пайдаланады; дөңгелек тежегіштері ұшақтың негізгі гидравликалық жүйелерінің біріне немесе бірнешесіне қосылады, сондай-ақ гидравликалық ақау жағдайында да ұшақты тежеуге мүмкіндік беретін аккумулятормен жабдықталады.

The vacuum booster or vacuum servo is used in most modern hydraulic brake systems which contain four wheels, the vacuum booster is attached between the master cylinder and the brake pedal and multiplies the braking force applied by the driver. These units consist of a hollow housing with a movable rubber diaphragm across the center, creating two chambers. When attached to the low pressure portion of the throttle body or intake manifold of the engine, the pressure in both chambers of the unit is lowered. The equilibrium created by the low pressure in both chambers keeps the diaphragm from moving until the brake pedal is depressed. A return spring keeps the diaphragm in the starting position until the brake pedal is applied. When the brake pedal is applied, the movement opens an air valve which lets in atmospheric pressure air to one chamber of the booster. Since the pressure becomes higher in one chamber, the diaphragm moves toward the lower pressure chamber with a force created by the area of the diaphragm and the differential pressure. This force, in addition to the driver's foot force, pushes on the master cylinder piston. A relatively small diameter booster unit is required; for a very conservative 50% manifold vacuum, an assisting force of about 1500 N is produced by a 20 cm diaphragm with an area of 0.03 square meters. The diaphragm will stop moving when the forces on both sides of the chamber reach equilibrium. This can be caused by either the air valve closing (due to the pedal apply stopping) or if "run out" is reached. Run out occurs when the pressure in one chamber reaches atmospheric pressure and no additional force can be generated by the now stagnant differential pressure. After the run out point is reached, only the driver's foot force can be used to further apply the master cylinder piston. The fluid pressure from the master cylinder travels through a pair of steel brake tubes to a pressure differential valve, sometimes referred to as a "brake failure valve", which performs two functions: it equalizes pressure between the two systems, and it provides a warning if one system loses pressure. The pressure differential valve has two chambers (to which the hydraulic lines attach) with a piston between them. When the pressure in either line is balanced, the piston does not move. If the pressure on one side is lost, the pressure from the other side moves the piston. When the piston makes contact with a simple electrical probe in the center of the unit, a circuit is completed, and the operator is warned of a failure in the brake system. From the pressure differential valve, brake tubing carries the pressure to the brake units at the wheels. Since the wheels do not maintain a fixed relation to the automobile, it is necessary to use hydraulic brake hose from the end of the steel line at the vehicle frame to the caliper at the wheel. Allowing steel brake tubing to flex invites metal fatigue and, ultimately, brake failure. A common upgrade is to replace the standard rubber hoses with a set which are externally reinforced with braided stainless steel wires. The braided wires have negligible expansion under pressure and can give a firmer feel to the brake pedal with less pedal travel for a given braking effort. The term 'power hydraulic brakes' can also refer to systems operating on very different principles where an engine driven pump maintains continual hydraulic pressure in a central accumulator. The driver's brake pedal simply controls a valve to bleed pressure into the brake units at the wheels, rather than actually creating the pressure in a master cylinder by depressing a piston. This form of brake is analogous to an air brake system but with hydraulic fluid as the working medium rather than air. However, on an air brake air is vented from the system when the brakes are released and the reserve of compressed air must be replenished. On a power hydraulic brake system fluid at low pressure is returned from the brake units at the wheels to the engine driven pump as the brakes are released, so the central pressure accumulator is almost instantly re pressurised. This makes the power hydraulic system highly suitable for vehicles that must frequently stop and start (such as buses in cities). The continually circulating fluid also removes problems with freezing parts and collected water vapour that can afflict air systems in cold climates. The AEC Routemaster bus is a well known application of power hydraulic brakes and the successive generations of Citroen cars with hydropneumatic suspension also used fully powered hydraulic brakes rather than conventional automotive brake systems. Most large aircraft also use power hydraulic wheel brakes, due to the immense amounts of braking force they can provide; the wheel brakes are linked to one or more of the aircraft's main hydraulic systems, with the addition of an accumulator to allow the aircraft to be braked even in the event of a hydraulic failure.

Ерекше ескертулер

Ауа тежегіш жүйелері көлемді болып келеді және ауа компрессорлары мен резервуарлар қажет етеді. Гидравликалық жүйелер кішкентай және арзан. Гидравликалық сұйықтық қысымға берілмейтін болуы керек. Ауа тежегіштерінен айырмашылығы, онда клапан ашылады және қысым жеткілікті деңгейге жеткенше ауа желілерге және тежегіш камераларына ағызылады, гидравликалық жүйелер сұйықтықты жүйе арқылы итеру үшін поршеньнің бір ғана соққысына тәуелді. Егер жүйеге бу енгізілсе, ол қысылады және қысым тежегіштерді іске қосу үшін жеткілікті деңгейге көтерілмейді. Гидравликалық тежегіш жүйелері жұмыс істеу кезінде, мысалы, тік беткейден түсетінде жоғары температураға ұшырауы мүмкін. Осы себепті гидравликалық сұйықтық жоғары температурада булануға қарсы тұруы керек. Су жылумен оңай буланады және жүйенің металл бөліктерін коррозияға ұшыратуы мүмкін. Тежегіш құбырларына кіретін су, тіпті шамалы мөлшерде болса да, көптеген таралған тежегіш сұйықтықтарымен (яғни ылғалды сіңіретін) реакцияға түсіп, тежегіш құбырларын және резервуарды бітетін шөгінділердің пайда болуына себеп болады. Тежегіш жүйесін судың әсерінен толығымен қорғау мүмкін емес, сондықтан жүйе сумен реакциядан пайда болған шөгінділермен толып кетпеуін қамтамасыз ету үшін тежегіш сұйықтығын үнемі ауыстыру қажет. Жеңіл майлар кейде гидравликалық сұйықтық ретінде қолданылады, өйткені олар сумен реакцияға түспейді: май суды ығыстырып шығарады, пластик бөлшектерді коррозиядан қорғайды және булану алдында әлдеқайда жоғары температураға төтеп бере алады, бірақ дәстүрлі гидравликалық сұйықтықтарға қарағанда басқа кемшіліктері бар. Силикон сұйықтықтары – қымбат нұсқа. "Тежегіштің әлсіреуі" – бұл қызып кетуден туындаған жағдай, онда тежеу тиімділігі төмендейді және толығымен жоғалуы мүмкін. Мұның көптеген себептері болуы мүмкін. Айналмалы бөлікті ұстап тұратын колодкалар қызып, "жарылып", көлікті баяулату үшін жеткілікті ұстанымсыз тегіс және қатты болуы мүмкін. Сонымен қатар, гидравликалық сұйықтықтың температураның өзгеруінен немесе жылулық деформациядан булануы қаптамалардың пішінін өзгертуіне және айналмалы бөліктің бетімен байланыс алаңын азайтуына әкелуі мүмкін. Жылулық деформация металл компоненттерінің пішінін өзгертуі мүмкін, нәтижесінде тежегіш қабілеті төмендеп, зақымдалған бөліктерді ауыстыру қажет болады.

Air brake systems are bulky, and require air compressors and reservoir tanks. Hydraulic systems are smaller and less expensive. Hydraulic fluid must be non compressible. Unlike air brakes, where a valve is opened and air flows into the lines and brake chambers until the pressure rises sufficiently, hydraulic systems rely on a single stroke of a piston to force fluid through the system. If any vapor is introduced into the system it will compress, and the pressure may not rise sufficiently to actuate the brakes. Hydraulic braking systems are sometimes subjected to high temperatures during operation, such as when descending steep grades. For this reason, hydraulic fluid must resist vaporization at high temperatures. Water vaporizes easily with heat and can corrode the metal parts of the system. Water which enters brake lines, even in small amounts, will react with most common brake fluids (i. e., those which are hygroscopic) causing the formation of deposits which can clog the brake lines and reservoir. It is almost impossible to completely seal any brake system from exposure to water, which means that regular changing out of brake fluid is necessary to ensure that the system is not becoming overfilled with the deposits caused by reactions with water. Light oils are sometimes used as hydraulic fluids specifically because they do not react with water: oil displaces water, protects plastic parts against corrosion, and can tolerate much higher temperatures before vaporizing, but has other drawbacks vs. traditional hydraulic fluids. Silicone fluids are a more expensive option. "Brake fade" is a condition caused by overheating in which braking effectiveness reduces, and may be lost. It may occur for many reasons. The pads which engage the rotating part may become overheated and "glaze over", becoming so smooth and hard that they cannot grip sufficiently to slow the vehicle. Also, vaporization of the hydraulic fluid under temperature extremes or thermal distortion may cause the linings to change their shape and engage less surface area of the rotating part. Thermal distortion may also cause permanent changes in the shape of the metal components, resulting in a reduction in braking capability that requires replacement of the affected parts.

Патенттер

. Кинчин 1956 05 22
Дюбоис 1952 04 08
Мартин 1951 03 13
Брайант 1949 10 08
Джонсон Уэйд С., Тришман Гарри А., Страттон Эдгар Х. 1949 04 12
Фитч 1947 02 12
Ламберт Гомер Т. 1946 08 06
Ламберт Гомер Т. 1945 05 15
Форбс Джозеф А. 1944 12 26
Ла Бри 1938 12 20
Поаж Роберт А. және Поаж Марлин З. 1937 06 15
Эйвери Уильям Лестер 1936 02 21
Бус Нильс Питер Вальдемар 1934 05 15
Нортон Раймонд Дж. 1934 04 10
Боттон Эдвард Бишоп 1929 07 16
Боргвар Карл Фридрих Вильгельм 1940 09 06
Холл Фредерик Гарольд 1932 07 28
Рубюри Джон Мередит 1932 01 06