Hydraulische Bremse - Hydraulic brake

Eine schematische Darstellung der Hauptkomponenten eines hydraulischen Scheibenbremssystems.

Eine hydraulische Bremse ist eine Anordnung von Bremsmechanismus, der verwendet Bremsflüssigkeit , typischerweise enthaltend Glykolether oder Diethylenglykol , zu Übertragungsdruck von dem Steuermechanismus mit dem Bremsmechanismus.

Geschichte

Im Jahr 1904 entwickelte und montierte Frederick George Heath (Heath Hydraulic Brake Co., Ltd.), Redditch, England, ein hydraulisches (Wasser/Glycerin) Bremssystem mit einem Lenkerhebel und einem Kolben an einem Fahrrad. Er erhielt das Patent GB190403651A für „Verbesserungen bei hydraulisch betätigten Bremsen für Fahrräder und Motoren“ sowie anschließend für verbesserte flexible Gummi-Hydraulikleitungen.

Im Jahr 1908 entwickelte und montierte Ernest Walter Weight aus Bristol, England, ein Vierrad-Hydraulikbremssystem (Öl) an einem Motorwagen. Er patentierte es im Dezember 1908 in Großbritannien (GB190800241A), später in Europa und den USA und stellte es dann 1909 auf der London Motor Show aus. Sein Bruder, William Herbert Weight, verbesserte das Patent (GB190921122A) und beide wurden 1909/10 dem Weight Patent Automobile Brake Ltd. in 23 Bridge Street, Bristol, übertragen. Das Unternehmen, das eine Fabrik in Luckwell Lane, Bristol, hatte, installierte ein hydraulisches Vierradbremssystem auf einem Metallurgique-Chassis, das mit einer Hill-and-Boll-Karosserie ausgestattet war und auf der London Motor Show im November 1910 ausgestellt wurde. Obwohl immer mehr Autos das Bremssystem eingebaut hatten und das Unternehmen viel Werbung machte, verschwand es, ohne den verdienten Erfolg zu erzielen.

Knox Motors Co. verwendete 1915 hydraulische Bremsen in einer Sattelzugmaschine .

Malcolm Loughead (der später die Schreibweise seines Namens in Lockheed änderte ) erfand hydraulische Bremsen, die er 1917 patentieren ließ. „Lockheed“ ist in Frankreich ein gebräuchlicher Begriff für Bremsflüssigkeit.

Fred Duesenberg verwendete hydraulische Bremsen der Lockheed Corporation bei seinen Rennwagen von 1914 und seine Autofirma Duesenberg war die erste, die diese Technologie 1921 beim Duesenberg Model A einsetzte .

Die Knox Motors Company aus Springfield, MA, stattete ihre Traktoren ab 1915 mit hydraulischen Bremsen aus.

Die Technologie wurde im Automobilbereich weitergeführt und führte schließlich zur Einführung des selbstverstärkenden hydraulischen Trommelbremssystems (Edward Bishop Boughton, London England, 28. Juni 1927), das noch heute verwendet wird.

Konstruktion

Die gebräuchlichste Anordnung von hydraulischen Bremsen für Personenkraftwagen, Motorräder, Roller und Mopeds besteht aus den folgenden:

  • Bremspedal oder -hebel
  • Eine Schubstange (auch Betätigungsstange genannt )
  • Eine Hauptzylinderbaugruppe mit einer Kolbenbaugruppe (bestehend aus einem oder zwei Kolben, einer Rückstellfeder, einer Reihe von Dichtungen / O-Ringen und einem Flüssigkeitsbehälter)
  • Verstärkte Hydraulikleitungen
  • Bremssattelanordnung üblicherweise aus einem oder zwei hohlem Aluminium oder verchromtem Stahlkolben (sogenannten Sattelkolben ), ein Satz aus wärmeleitendem Bremsbelägen und einen Rotor (auch genannt eine Bremsscheibe ) oder trommel an eine Achse befestigt.

Das System ist normalerweise mit einer Bremsflüssigkeit auf Glykolether- Basis befüllt (andere Flüssigkeiten können auch verwendet werden).

Früher verwendeten Personenkraftwagen üblicherweise Trommelbremsen an allen vier Rädern. Später kamen Scheibenbremsen vorne und Trommelbremsen hinten zum Einsatz. Scheibenbremsen haben jedoch eine bessere Wärmeableitung und eine größere Widerstandsfähigkeit gegen „Fading“ gezeigt und sind daher im Allgemeinen sicherer als Trommelbremsen. Daher werden Vierrad-Scheibenbremsen immer beliebter und ersetzen die Trommeln bei allen außer den einfachsten Fahrzeugen. Viele zweirädrige Fahrzeugkonstruktionen verwenden jedoch weiterhin eine Trommelbremse für das Hinterrad.

Die folgende Beschreibung verwendet die Terminologie für / und Konfiguration einer einfachen Scheibenbremse.

Systembetrieb

In einem hydraulischen Bremssystem übt beim Drücken des Bremspedals eine Stößelstange eine Kraft auf den/die Kolben im Hauptzylinder aus, wodurch Flüssigkeit aus dem Bremsflüssigkeitsbehälter durch eine Ausgleichsöffnung in eine Druckkammer strömt. Dies führt zu einer Erhöhung des Drucks im gesamten Hydrauliksystem, wodurch Flüssigkeit durch die Hydraulikleitungen zu einem oder mehreren Bremssätteln gedrückt wird, wo es auf einen oder mehrere Bremssattelkolben wirkt, die durch einen oder mehrere sitzende O-Ringe abgedichtet sind (die ein Auslaufen der Flüssigkeit verhindern). ).

Die Bremssattelkolben üben dann Kraft auf die Bremsklötze aus, drücken sie gegen den sich drehenden Rotor, und die Reibung zwischen den Klötzen und dem Rotor bewirkt, dass ein Bremsmoment erzeugt wird, das das Fahrzeug verlangsamt. Die durch diese Reibung erzeugte Wärme wird entweder durch Lüftungsschlitze und Kanäle im Rotor abgeführt oder durch die Pads geleitet, die aus speziellen hitzebeständigen Materialien wie Kevlar oder Sinterglas bestehen .

Alternativ tritt bei einer Trommelbremse die Flüssigkeit in einen Radzylinder ein und drückt einen oder zwei Bremsbacken gegen die Innenseite der sich drehenden Trommel. Die Bremsbacken verwenden ein ähnliches hitzebeständiges Reibmaterial wie die Beläge in Scheibenbremsen.

Durch anschließendes Loslassen des Bremspedals/-hebels können die Feder(n) in der Hauptzylinderbaugruppe den/die Hauptkolben wieder in Position bringen. Dieser Vorgang entlastet zuerst den hydraulischen Druck auf den Bremssattel, dann wird der Bremskolben in der Bremssattelbaugruppe angesaugt, wodurch er in sein Gehäuse zurückbewegt wird und die Bremsbeläge die Bremsscheibe lösen.

Das hydraulische Bremssystem ist als geschlossenes System konzipiert: Solange das System nicht undicht ist, tritt keine Bremsflüssigkeit ein oder aus und wird auch nicht durch den Gebrauch verbraucht. Leckagen können jedoch durch Risse in den O-Ringen oder durch einen Einstich in der Bremsleitung auftreten. Risse können entstehen, wenn zwei Arten von Bremsflüssigkeit vermischt werden oder wenn die Bremsflüssigkeit mit Wasser, Alkohol, Frostschutzmittel oder einer Vielzahl anderer Flüssigkeiten verunreinigt wird.

Ein Beispiel für ein hydraulisches Bremssystem

Hydraulische Bremsen übertragen Energie, um ein Objekt, normalerweise eine rotierende Achse, zu stoppen. Bei einem sehr einfachen Bremssystem mit nur zwei Zylindern und einer Scheibenbremse könnten die Zylinder über Rohre mit einem Kolben im Inneren der Zylinder verbunden werden. Die Zylinder und Rohre sind mit inkompressiblem Öl gefüllt. Die beiden Zylinder haben das gleiche Volumen, aber unterschiedliche Durchmesser und damit unterschiedliche Querschnittsflächen. Der Zylinder, den der Bediener verwendet, wird als Hauptzylinder bezeichnet . Die sich drehende Scheibenbremse befindet sich neben dem Kolben mit dem größeren Querschnitt. Angenommen, der Durchmesser des Geberzylinders ist halb so groß wie der Durchmesser des Nehmerzylinders, so dass der Geberzylinder einen viermal kleineren Querschnitt hat. Wenn nun der Kolben im Geberzylinder 40 mm nach unten gedrückt wird, bewegt sich der Nehmerkolben um 10 mm. Bei einer Kraft von 10 Newton (N) auf den Geberkolben drückt der Nehmerkolben mit einer Kraft von 40 N.

Diese Kraft kann weiter erhöht werden, indem ein Hebel eingefügt wird, der zwischen dem Geberkolben, einem Pedal und einem Drehpunkt verbunden ist . Ist der Abstand vom Pedal zum Drehpunkt dreimal so groß wie der Abstand vom Drehpunkt zum angeschlossenen Kolben, dann multipliziert er die Pedalkraft beim Niederdrücken des Pedals mit dem Faktor 3, so dass aus 10 N 30 N werden Geberkolben und 120 N auf den Bremsbelag. Umgekehrt muss sich das Pedal dreimal bis zum Geberkolben bewegen. Wenn wir das Pedal 120 mm nach unten drücken, bewegt sich der Geberkolben um 40 mm und der Nehmerkolben bewegt den Bremsbelag um 10 mm.

Komponentenspezifikationen

(Für typische leichte Fahrzeugbremssysteme)

In einem vierrädrigen Auto, dem FMVSS Standard 105, 1976; erfordert, dass der Hauptzylinder intern in zwei Abschnitte unterteilt ist, von denen jeder einen separaten Hydraulikkreislauf mit Druck beaufschlagt. Jeder Abschnitt versorgt einen Kreislauf mit Druck. Die Kombination wird als Tandem-Hauptbremszylinder bezeichnet. Personenkraftwagen haben normalerweise entweder ein geteiltes Vorder-/Hinterrad-Bremssystem oder ein diagonal geteiltes Bremssystem (der Hauptzylinder in einem Motorrad oder Roller darf nur eine einzige Einheit unter Druck setzen, die die Vorderradbremse ist).

Ein Front-/Heck-Split-System verwendet einen Hauptzylinderabschnitt, um die vorderen Bremssattelkolben mit Druck zu beaufschlagen, und den anderen Abschnitt, um die hinteren Bremssattelkolben mit Druck zu beaufschlagen. Aus Sicherheitsgründen ist heute in den meisten Ländern ein Split-Circuit-Bremssystem gesetzlich vorgeschrieben; Wenn ein Stromkreis ausfällt, kann der andere Stromkreis das Fahrzeug immer noch anhalten.

Diagonal-Split-Systeme wurden ursprünglich im Produktionsjahr 1967 bei American Motors- Automobilen verwendet. Der rechte vordere und der linke hintere Bereich werden von einem Betätigungskolben bedient, während der linke vordere und der rechte hintere ausschließlich von einem zweiten Betätigungskolben bedient werden (beide Kolben beaufschlagen ihre jeweiligen gekoppelten Leitungen von einem einzigen Fußpedal). Wenn einer der Kreise ausfällt, bleibt der andere mit mindestens einer Vorderradbremsung (die Vorderradbremsen liefern aufgrund der Gewichtsverlagerung den größten Teil der Bremskraft ) intakt, um das mechanisch beschädigte Fahrzeug zu stoppen. In den 1970er Jahren waren diagonal geteilte Systeme bei den in den Vereinigten Staaten verkauften Automobilen üblich. Dieses System wurde mit der Aufhängung von Fahrzeugen mit Frontantrieb entwickelt, um eine bessere Kontrolle und Stabilität bei einem Systemausfall zu gewährleisten.

Bei der Volvo 140-Serie ab MJ 1967 wurde ein Triangular-Split-System eingeführt , bei dem die vorderen Scheibenbremsen eine Vierzylinderanordnung haben und beide Kreise auf jedes Vorderrad und eines der Hinterräder wirken. Die Anordnung wurde durch die nachfolgenden Baureihen 200 und 700 beibehalten.

Durchmesser und Länge des Hauptbremszylinders haben einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung der Bremsanlage. Ein Hauptbremszylinder mit größerem Durchmesser liefert mehr Hydraulikflüssigkeit an die Bremssattelkolben, erfordert jedoch mehr Bremspedalkraft und weniger Bremspedalhub, um eine gegebene Verzögerung zu erreichen. Ein Hauptbremszylinder mit kleinerem Durchmesser hat den gegenteiligen Effekt.

Ein Hauptzylinder kann auch unterschiedliche Durchmesser zwischen den beiden Abschnitten verwenden, um ein erhöhtes Flüssigkeitsvolumen zu einem Satz von Bremssattelkolben oder dem anderen zu ermöglichen, und wird als "Schnellaufnahme"-M/C bezeichnet. Diese werden mit "low drag" vorderen Bremssätteln verwendet, um den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.

Ein Proportionalventil kann verwendet werden, um den Druck auf die Hinterradbremsen bei starkem Bremsen zu reduzieren. Dies begrenzt die Hinterradbremsung, um die Wahrscheinlichkeit eines Blockierens der Hinterradbremsen zu verringern, und verringert die Wahrscheinlichkeit eines Schleuderns erheblich.

Servobremsen

Der Unterdruckverstärker oder Unterdruckservo wird in den meisten modernen hydraulischen Bremssystemen verwendet, die vier Räder enthalten. Der Unterdruckverstärker ist zwischen Hauptbremszylinder und Bremspedal angebracht und vervielfacht die vom Fahrer aufgebrachte Bremskraft. Diese Einheiten bestehen aus einem hohlen Gehäuse mit einer beweglichen Gummimembran über die Mitte, die Schaffung von zwei Kammern. Bei Befestigung am Niederdruckteil des Drosselklappengehäuses oder Ansaugkrümmers des Motors wird der Druck in beiden Kammern der Einheit gesenkt. Das durch den niedrigen Druck in beiden Kammern erzeugte Gleichgewicht verhindert, dass sich die Membran bewegt, bis das Bremspedal gedrückt wird. Eine Rückholfeder hält die Membrane in der Ausgangsposition, bis das Bremspedal betätigt wird. Wenn das Bremspedal betätigt wird, öffnet die Bewegung ein Luftventil, das Luft mit Atmosphärendruck in eine Kammer des Verstärkers einlässt. Da der Druck in einer Kammer höher wird, bewegt sich die Membran mit einer Kraft, die durch die Fläche der Membran und den Differenzdruck erzeugt wird, zur Kammer mit niedrigerem Druck. Diese Kraft drückt zusätzlich zur Fußkraft des Fahrers auf den Hauptzylinderkolben. Eine Verstärkereinheit mit relativ kleinem Durchmesser ist erforderlich; für ein sehr konservatives 50-prozentiges Verteilervakuum wird eine unterstützende Kraft von etwa 1500 N (200 n) von einer 20-cm-Membran mit einer Fläche von 0,03 Quadratmetern erzeugt. Die Membran hört auf, sich zu bewegen, wenn die Kräfte auf beiden Seiten der Kammer ein Gleichgewicht erreichen. Dies kann entweder durch das Schließen des Luftventils (aufgrund des Stoppens der Pedalbetätigung) oder durch das Erreichen von "Auslauf" verursacht werden. Rundlauf tritt auf, wenn der Druck in einer Kammer Atmosphärendruck erreicht und durch den nun stagnierenden Differenzdruck keine zusätzliche Kraft mehr erzeugt werden kann. Nach Erreichen des Auslaufpunktes kann nur noch die Fußkraft des Fahrers verwendet werden, um den Hauptzylinderkolben weiter zu beaufschlagen.

Der Flüssigkeitsdruck vom Hauptbremszylinder fließt durch ein Paar Stahlbremsrohre zu einem Druckdifferenzventil , das manchmal als "Bremsausfallventil" bezeichnet wird und zwei Funktionen erfüllt: Es gleicht den Druck zwischen den beiden Systemen aus und gibt eine Warnung aus wenn ein System Druck verliert. Das Druckdifferenzventil hat zwei Kammern (an denen die Hydraulikleitungen angeschlossen sind) mit einem Kolben dazwischen. Wenn der Druck in einer der Leitungen ausgeglichen ist, bewegt sich der Kolben nicht. Wenn der Druck auf der einen Seite verloren geht, bewegt der Druck auf der anderen Seite den Kolben. Wenn der Kolben eine einfache elektrische Sonde in der Mitte der Einheit berührt, wird ein Stromkreis geschlossen und der Bediener wird vor einem Ausfall des Bremssystems gewarnt.

Vom Druckdifferenzventil leiten Bremsschläuche den Druck zu den Bremseinheiten an den Rädern. Da die Räder keinen festen Bezug zum Auto haben, ist es erforderlich, vom Ende der Stahlleitung am Fahrzeugrahmen bis zum Bremssattel am Rad einen hydraulischen Bremsschlauch zu verwenden. Das Biegen von Stahlbremsschläuchen führt zu Metallermüdung und letztendlich zum Versagen der Bremse. Ein übliches Upgrade besteht darin, die Standard-Gummischläuche durch ein Set zu ersetzen, das außen mit geflochtenen Edelstahldrähten verstärkt ist. Die geflochtenen Drähte haben eine vernachlässigbare Ausdehnung unter Druck und können dem Bremspedal bei weniger Pedalweg bei einer gegebenen Bremskraft ein festeres Gefühl verleihen.

Der Begriff „hydraulische Servobremsen“ kann sich auch auf Systeme beziehen, die nach sehr unterschiedlichen Prinzipien arbeiten, bei denen eine motorbetriebene Pumpe einen kontinuierlichen Hydraulikdruck in einem zentralen Speicher aufrechterhält. Das Bremspedal des Fahrers steuert einfach ein Ventil, um Druck in die Bremseinheiten an den Rädern abzulassen, anstatt den Druck in einem Hauptzylinder tatsächlich durch Niederdrücken eines Kolbens zu erzeugen. Diese Bremsform ist analog zu einem Druckluftbremssystem , jedoch mit Hydraulikflüssigkeit als Arbeitsmedium anstelle von Luft. Bei einer Druckluftbremse wird jedoch beim Lösen der Bremse Luft aus dem System entlüftet und die Druckluftreserve muss aufgefüllt werden. Bei einem krafthydraulischen Bremssystem wird Flüssigkeit mit niedrigem Druck von den Bremseinheiten an den Rädern zur motorbetriebenen Pumpe zurückgeführt, wenn die Bremsen gelöst werden, so dass der zentrale Druckspeicher fast sofort wieder mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch eignet sich das Leistungshydrauliksystem hervorragend für Fahrzeuge, die häufig anhalten und anfahren müssen (z. B. Busse in Städten). Die ständig zirkulierende Flüssigkeit beseitigt auch Probleme mit einfrierenden Teilen und gesammeltem Wasserdampf, die Luftsysteme in kalten Klimazonen beeinträchtigen können. Der AEC Routemaster- Bus ist eine bekannte Anwendung von Servo-Hydraulikbremsen und die nachfolgenden Generationen von Citroen- Fahrzeugen mit hydropneumatischer Federung verwendeten auch voll angetriebene Hydraulikbremsen anstelle herkömmlicher Fahrzeugbremssysteme. Die meisten großen Flugzeuge verwenden aufgrund der enormen Bremskraft, die sie bereitstellen können, auch hydraulische Radbremsen. Die Radbremsen sind mit einem oder mehreren der Haupthydrauliksysteme des Flugzeugs verbunden , wobei ein Akkumulator hinzugefügt ist , damit das Flugzeug auch im Falle eines Hydraulikausfalls gebremst werden kann.

Besondere Überlegungen

Druckluftbremssysteme sind sperrig und erfordern Luftkompressoren und Vorratsbehälter. Hydraulische Systeme sind kleiner und kostengünstiger.

Hydraulikflüssigkeit darf nicht komprimierbar sein. Anders als bei Druckluftbremsen , bei denen ein Ventil geöffnet wird und Luft in die Leitungen und Bremskammern strömt, bis der Druck ausreichend ansteigt, verlassen sich Hydrauliksysteme auf einen einzigen Kolbenhub, um Flüssigkeit durch das System zu drücken. Wenn Dampf in das System eindringt, wird es komprimiert, und der Druck steigt möglicherweise nicht ausreichend an, um die Bremsen zu betätigen.

Hydraulische Bremssysteme sind im Betrieb manchmal hohen Temperaturen ausgesetzt, beispielsweise bei steilen Gefällen. Aus diesem Grund muss Hydraulikflüssigkeit bei hohen Temperaturen einer Verdampfung widerstehen.

Wasser verdampft leicht mit Hitze und kann die Metallteile des Systems korrodieren. Wasser, das selbst in geringen Mengen in die Bremsleitungen eindringt, reagiert mit den meisten gängigen Bremsflüssigkeiten (dh solchen, die hygroskopisch sind ) und führt zur Bildung von Ablagerungen, die die Bremsleitungen und den Behälter verstopfen können. Da es fast unmöglich ist, eine Bremsanlage vollständig gegen Wasser abzudichten, ist ein regelmäßiger Wechsel der Bremsflüssigkeit erforderlich, um eine Überfüllung der Anlage mit den Ablagerungen durch Wasserreaktionen zu vermeiden. Leichtöle werden manchmal als Hydraulikflüssigkeiten verwendet, insbesondere weil sie nicht mit Wasser reagieren: Öl verdrängt Wasser, schützt Kunststoffteile vor Korrosion und verträgt vor dem Verdampfen viel höhere Temperaturen, hat aber andere Nachteile gegenüber herkömmlichen Hydraulikflüssigkeiten. Silikonflüssigkeiten sind eine teurere Option.

" Bremsfading " ist ein durch Überhitzung verursachter Zustand, bei dem die Bremswirkung abnimmt und verloren gehen kann. Es kann aus vielen Gründen auftreten. Die am rotierenden Teil angreifenden Beläge können überhitzen und "überlaufen", so glatt und hart werden, dass sie nicht ausreichend greifen können, um das Fahrzeug zu verlangsamen. Außerdem kann die Verdampfung des Hydraulikfluids bei extremen Temperaturen oder thermischer Verformung dazu führen, dass die Auskleidungen ihre Form ändern und mit einer geringeren Oberfläche des rotierenden Teils in Eingriff kommen. Die thermische Verformung kann auch zu dauerhaften Veränderungen der Form der Metallkomponenten führen, was zu einer Verringerung der Bremsleistung führt, die einen Austausch der betroffenen Teile erfordert.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

Patente

  • US 2746575 Scheibenbremsen für Straßen- und andere Fahrzeuge . Kinchin 1956-05-22 
  • US 2591793 Vorrichtung zum Einstellen des Rücklaufweges von fluidbetätigten Mitteln . Dubois 1952-04-08 
  • US 2544849 Automatische Nachstellung der hydraulischen Bremse . Martin 1951-03-13 
  • US 2485032 Bremsvorrichtung . Bryant 1949-10-08 
  • US 2466990 Einscheibenbremse . Johnson Wade C, Trishman Harry A, Stratton Edgar H. 1949-04-12 
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