某越野車制動軟管發(fā)泡現(xiàn)象分析

薛瓊，周貝，于濤，侯鵬偉，阮仁新

（1.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心軍車開發(fā)部，武漢430058；2.東風(fēng)公司技術(shù)中心整車實(shí)驗(yàn)室，襄陽441004）

某越野車制動軟管發(fā)泡現(xiàn)象分析

薛瓊1，周貝1，于濤2，侯鵬偉1，阮仁新1

（1.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心軍車開發(fā)部，武漢430058；2.東風(fēng)公司技術(shù)中心整車實(shí)驗(yàn)室，襄陽441004）

發(fā)泡是制動軟管的主要失效模式之一。本文對軟管發(fā)泡的失效機(jī)理進(jìn)行力學(xué)解析；分析影響軟管發(fā)泡的的幾個重要設(shè)計(jì)要點(diǎn)：壓力、軟管內(nèi)徑、溫度、布置走向等；通過某越野車上制動軟管發(fā)泡的實(shí)際案例，總結(jié)改進(jìn)思路以及臺架驗(yàn)證方法。

制動軟管；發(fā)泡；軟管內(nèi)徑；布置走向

薛瓊

畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心底盤工程師，研究方向：底盤制動系統(tǒng)開發(fā)。

前言

高壓制動軟管在乘用車液壓制動系統(tǒng)中是必備部件之一，用于連接車輪、懸架、車身等具有相對運(yùn)動部件之間的制動管路，以傳遞制動壓力和吸收位移。車輛行駛時，制動軟管往往工作在苛刻的動態(tài)撓屈工況下，這不僅要求其經(jīng)久耐用，而且必須柔軟以利于吸收振動，同時還要具備耐壓、抗寒、低膨脹等特性。這些對軟管的材料、工藝等都提出了非常高的要求。如果性能稍差，輕則出現(xiàn)發(fā)泡引起的漏油、進(jìn)氣現(xiàn)象，影響制動性能；重則擠破、爆裂，汽車直接失去制動能力。

1　制動軟管結(jié)構(gòu)

如圖1為現(xiàn)在乘用車普遍采用的波浪式制動軟管結(jié)構(gòu)，由軟管和接頭兩部分組成。軟管部分有三層：外層膠1、中間編制層2、內(nèi)層膠7，三者通過膠漿黏為一體。接頭包含接頭本體5和內(nèi)芯3。軟管放置在接頭本體和內(nèi)芯形成的間隙內(nèi)，通過鉚壓工藝壓緊，4為鉚壓形成的波谷，6為波峰。接頭和軟管內(nèi)部留有通道供制動液在內(nèi)部流通。

2　制動軟管發(fā)泡機(jī)理

所謂制動軟管發(fā)泡是指在高壓下，制動液進(jìn)入軟管的夾層內(nèi)，在軟管外膠層上形成鼓包。軟管發(fā)泡是制動液泄露的表現(xiàn)，會嚴(yán)重影響制動性能。

2.1發(fā)泡過程

制動軟管的開裂和爆破壓力一般控制在50 Mpa以上，而工作壓力往往只在10 Mpa左右，相比于爆破的高壓，制動軟管發(fā)泡屬于低壓泄露。

如圖2是通過對某越野車多根發(fā)泡軟管拆解后分析出的制動液泄露路徑圖。

高壓制動液從接頭內(nèi)芯的A端面進(jìn)入內(nèi)膠層與內(nèi)心間的壓緊區(qū)域，沿著箭頭所示的方向，在內(nèi)芯的B端面進(jìn)入軟管的編制層內(nèi)后，繼續(xù)順著接頭向外流，最后在接頭的非壓緊區(qū)把軟管外膠層擠開，形成鼓泡區(qū)域。

2.2力學(xué)分析

根據(jù)上述的發(fā)泡過程，可以以軟管為對象，對制動軟管的發(fā)泡過程進(jìn)行力學(xué)分析。

以靠近接頭內(nèi)芯邊緣，單位面積的軟管為研究對象，其受力分析情況如圖3，F(xiàn)1為制動液壓力，F(xiàn)2為接頭與軟管間的鉚壓力， T1為在制動液壓力下軟管的拉伸力，T2軟管與接頭見的咬合力。同時因?yàn)檐浌懿牧系奶匦裕浌軙a(chǎn)生軸向上的延伸變形Δe，以及徑向上的內(nèi)縮變形 Δk。

制動液要進(jìn)入內(nèi)層膠與管芯間的區(qū)域，必須滿足：

為簡化分析，把軟管假定為的彈性材料，則有：

式中：P為管路壓力；D為軟管內(nèi)徑；d為內(nèi)芯內(nèi)徑；K1、K2為軸向、徑向的彈性系數(shù)；σ為材料特性系數(shù)。

將（2）、（3）、（4）、（5）帶入（1）中可得軟管發(fā)泡時的管路壓力：

則可得軟管不發(fā)泡所能承受的最大管路壓力應(yīng)為：

3　因素分析

根據(jù)2.2節(jié)中的力學(xué)分析結(jié)果，可以對影響軟管發(fā)泡壓力上線的各因素進(jìn)行分析。

（1） 軟管內(nèi)徑D

由式（6）可知，軟管的發(fā)泡壓力與軟管內(nèi)徑的平方成反比，也就是說大通經(jīng)的制動軟管更容易出現(xiàn)發(fā)泡的現(xiàn)象。汽車上普遍采用3.2 mm內(nèi)徑的制動軟管，但隨著制動系統(tǒng)主動增壓技術(shù)（TCS、AYC等）的廣泛應(yīng)用，為降低軟管的截流效果，提高主動增壓的反應(yīng)速度，大內(nèi)徑的制動軟管也在逐漸被采用，但同時也面臨著發(fā)泡的風(fēng)險。

（2） 內(nèi)芯內(nèi)徑d

內(nèi)芯內(nèi)徑d通常也被稱為軟管的最小內(nèi)通徑。從式（6）中可知，內(nèi)芯內(nèi)徑d越大，發(fā)泡壓力Pmax越大。但在制動軟管設(shè)計(jì)中，一旦軟管的內(nèi)徑D選定，為了保證內(nèi)芯的剛度，使其在鉚壓時不出現(xiàn)變形，d的調(diào)整余度往往有限。在實(shí)際的制造中，應(yīng)特別注意內(nèi)芯尺寸及其行位公差的超差情況，對防止軟管發(fā)泡非常重要。

（3） 鉚壓深度k

鉚壓是防治軟管接頭與軟管拉脫、以及發(fā)泡泄露的主要工藝措施［1］。汽車上現(xiàn)在廣泛采用的鉚壓形式為波浪式設(shè)計(jì)，以提高防拔脫性能，每一

波峰即為一環(huán)狀密封線，形成多級密封，也加強(qiáng)了密封效果。波峰與波谷間的牙深k是評價鉚壓強(qiáng)度的主要參數(shù)，為方便檢測，通常用波谷直徑D0來代替k。正常情況下k越大，接頭的拔脫力和密封效果越佳，但過大的k值卻會破壞軟管的材質(zhì)性能，降低其拔脫力和密封性。

（4） 軟管材質(zhì)特性K1、E0

軟管的材質(zhì)非常復(fù)雜，內(nèi)外層膠往往采用EPDM、氯丁橡膠等材料，中間編制層多采用聚酯、PV人造絲。軟管的力學(xué)特性主要取決于中間編制層，其疏密度直接影響到軟管的柔軟度及彈性系數(shù)。

同時，由于軟管的內(nèi)外膠層、編制層是通過膠漿粘合而成，粘合強(qiáng)度、粘合劑性能、粘合工藝的均勻性都將是影響三者間密封性的關(guān)鍵因素。

（5） 溫度

軟管的使用溫度對軟管的材質(zhì)特性和尺寸均有非常大的影響。

高溫時軟管會軟化，剛度變小，粘合會出現(xiàn)老化和松動，使軟管極易出現(xiàn)發(fā)泡泄露。實(shí)際使用時應(yīng)盡量避讓車上的高溫?zé)嵩?，比如排氣管、電機(jī)等。

低溫時，軟管變硬、收縮，剛度變大，使得軟管在車輛上彎曲時容易產(chǎn)生更大的彎矩和扭矩，出現(xiàn)接頭松脫和發(fā)泡泄露的請況。

（6） 布置姿態(tài)

2.2節(jié)中的力學(xué)分析是軟管處于自由伸長狀態(tài)的情況，如果軟管的布置存在彎曲和扭曲時，加壓繃緊后，軟管將會受到額外的彎矩和扭矩，這些力矩會降低Pmax值，特別是當(dāng)彎曲和扭曲是出現(xiàn)在軟管接頭處時，這種負(fù)面效果會更嚴(yán)重。

GB/T9576-2001 《橡膠和塑料軟管及軟管組合件選擇、貯存、使用和維護(hù)指南》中明確規(guī)定了軟管的布置姿態(tài)。

（7） 軟管長度

軟管的長度直接關(guān)系著軟管實(shí)際布置過程中的彎曲半徑和扭曲程度。軟管在汽車上運(yùn)動時，適當(dāng)?shù)能浌荛L度會較好的降低軟管接頭部位在運(yùn)動中的產(chǎn)生的彎矩和扭矩。

（8） 其它因素

除上述幾個主要因素外，軟管的制造工藝、液壓波動（比如ABS工作時管路壓力波動情況）、使用環(huán)境（軟管在車輛上存在大行程、高頻率跳動等情況）、老化等，都會使軟管出現(xiàn)非正常的發(fā)泡。

4　實(shí)例分析

某越野車在進(jìn)行可靠性驗(yàn)證時，制動軟管出現(xiàn)多起發(fā)泡的現(xiàn)象。

4.1故障排查

按照前述的分析，對失效的軟管進(jìn)行拆解和測量的情況如下表：

表1　失效軟管的技術(shù)狀態(tài)表

通過測量數(shù)據(jù)的分析和對比，該軟管發(fā)泡的原因聚焦在如下幾個點(diǎn)：

（1） 軟管的內(nèi)徑。該軟管沒有采用普通規(guī)格內(nèi)徑的軟管（Φ3.2 mm），而是采用大通徑的非常規(guī)制動軟管（Φ4.8 mm）。

（2） 鉚壓強(qiáng)度。軟管的鉚壓深度誤差很大。

（3） 布置姿態(tài)。軟管的彎曲半徑很小，軟管的長度短加劇了這種彎曲情況

（4） 材質(zhì)。軟管材質(zhì)的耐低溫性能可能有問題，編制層采用滌綸材料的軟管不普遍。

可能是上述的某個或者多個原因，共同造成了軟管的發(fā)泡。

4.2試驗(yàn)分析

為了確定發(fā)泡的具體原因，采用與某SOP車型上的制動軟管進(jìn)行試驗(yàn)對比分析的方法，設(shè)計(jì)了如下五個臺架測試項(xiàng)目：

（1）拔脫力：測試軟管接頭常溫下的拔脫力；

（2）耐壓：測量軟管持續(xù)高壓下的發(fā)泡時間；

（3）常溫發(fā)泡：在常溫下，加載15 Mpa脈沖壓力，測量發(fā)泡時間。

（4） 低溫發(fā)泡：-35 ℃低溫下對軟管加載15 Mpa脈沖壓力，測量發(fā)泡時間。

（5） 低溫扭曲：低溫下，加載1.6 Mpa 壓力，對軟管進(jìn)行反復(fù)扭曲，測量發(fā)泡時間對失效軟管的同批次產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

表2　失效軟管同批次樣件臺架測試數(shù)據(jù)

某SOP車型上采用的Φ3.2 mm內(nèi)徑規(guī)格制動軟管，其編制層材料為PV人造絲，測試數(shù)據(jù)如下表：

表3　某SOP車型制動軟管臺架測試數(shù)據(jù)

兩者相比較，某越野車的制動軟管的抗發(fā)泡能力明顯低于某SOP車型，對數(shù)據(jù)分析和對比可以基本確定造成這種差別的原因：

（1）軟管的鉚接質(zhì)量有問題，拔脫力誤差大。

（2）軟管的鉚接強(qiáng)度不夠，其拔脫力明顯低于與之對比的SOP制動管。

（3）與SOP軟管相比，問題軟管的低溫性能較之常溫溫性能下將更明顯，該軟管材質(zhì)的耐寒性能需要提高；

（4） 軟管扭曲時，發(fā)泡風(fēng)險較其它工況顯著降低，越野車上使用的軟管該項(xiàng)能力明顯不足。4.3改進(jìn)和驗(yàn)證

針對試驗(yàn)分析的結(jié)果，通過反復(fù)的測試和驗(yàn)證，最終確定的改進(jìn)方式如下 ：

（1）對軟管進(jìn)行加鉚，調(diào)整D值至12.2 mm，誤差控制為±0.02；

（2）將軟管的中間編制層材質(zhì)由滌綸改為PV人造絲；

綜合上述改進(jìn)后的軟管試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

表4　改進(jìn)后制動軟管臺架測試數(shù)據(jù)

軟管的性能經(jīng)過改進(jìn)后有較大的提升，但比較之下，其低溫扭曲依然差一些，導(dǎo)致這種差別主要原因是兩者的管徑規(guī)格不一樣，4.8 mm規(guī)格的制動軟管外徑約為13 mm；而3.2 mm規(guī)格的外徑為10 mm，軟管加壓繃緊以后，同等材質(zhì)情況下，較大規(guī)格的軟管會具備更大的剛度，因而在進(jìn)行同等扭曲層度的臺架試驗(yàn)時，也會承受更大的彎矩和扭矩，也就更容易發(fā)泡。

充分考慮到上述因素后，在整車布置層面增加了一條改進(jìn)要求：軟管在整車布置時的彎曲半徑不小于R100，并保證沒有扭曲。

綜合上述所有的改進(jìn)措施后，對制動軟管重新進(jìn)行了整車級的測試，測試包括寒區(qū)、熱區(qū)、強(qiáng)化路等多種試驗(yàn)路況，未再出現(xiàn)發(fā)泡現(xiàn)象。

5　總結(jié)

軟管發(fā)泡的影響因素是復(fù)雜多樣的，本文從力學(xué)的角度，對軟管的發(fā)泡機(jī)理、影響因素進(jìn)行了論述：

（1）對軟管發(fā)泡的失效模式進(jìn)行了分析，并對失效的機(jī)理進(jìn)行了力學(xué)解析；

（2）從力學(xué)的角度，對影響發(fā)泡的各因素進(jìn)行了列舉和探討；

（3）對某越野車型的制動軟管發(fā)泡進(jìn)行了質(zhì)量改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，為今后同類產(chǎn)品的質(zhì)量分析和改進(jìn)提供了思路和數(shù)據(jù)對比，以及可供借鑒的臺架驗(yàn)證方法。

［1］張敬德， 韓錦芝. 編織制動軟管（續(xù)一）——編織制動軟管、軟管連接器-接頭等的質(zhì)量問題［J］.鐵道車輛， 1997（11）.

專家推薦

汪振曉：

本文對越野車制動軟管發(fā)泡的因素進(jìn)行了力學(xué)分析，從壓力、管徑、溫度、布置等方面提出了解決方案。其試驗(yàn)方法、測試數(shù)據(jù)以及改進(jìn)思路均可作為其它車型類似質(zhì)量問題的借鑒。

Brake Hose Foaming Phenomenon Analysis for Off-road Vehicle

XUE Qing， ZHOU Bei， YU Tao， HOU Peng-wei， RUNA Ren-xin
（Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058， China）

Foaming is one of the main failure modes of brake hose. In this paper， mechanical analytic is made for Failure principle of foaming； several important design points are analyzed as the main reason of foaming， including pressure， inner diameter， temperature， installation path and so on；Through an actual application on one off-road vehicle， the improvement ideas and validation methods are summarized.

brake hose；foaming；inner diameter；installation path

U467.3

A

1005-2550（2015）06-0012-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.06.002

2015-05-18