汽車(chē)液壓制動(dòng)軟管的壽命優(yōu)化

劉建, 崔洋, 羅旋，王楊

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511400)

0 引言

液壓軟管在機(jī)械行業(yè)和化工行業(yè)非常常見(jiàn)，因有良好的柔韌性、可靠的耐壓性和耐高溫性，使它在各種重要行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。制動(dòng)軟管的使用壽命是軟管的主要性能之一，如何保證制動(dòng)軟管在10年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)、更復(fù)雜的工況下保持良好的柔韌性和可靠性，是制動(dòng)軟管廠商和整車(chē)廠的關(guān)注重點(diǎn)。

針對(duì)制動(dòng)軟管在整車(chē)上的布置，衛(wèi)聰敏等[1]通過(guò)Cosserat彈性桿理論提出了一種制動(dòng)軟管的仿真分析，得出的仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)結(jié)果具有較高一致性。陳浪[2]通過(guò)研究不同制動(dòng)軟管與接頭鉚接的方式對(duì)制動(dòng)軟管使用壽命的影響，并通過(guò)高低溫脈沖試驗(yàn)方法驗(yàn)證該制動(dòng)軟管壽命長(zhǎng)短，得出當(dāng)鉚合尺寸在中值和下限值之間時(shí)，性能最優(yōu)。王鑫和王浩[3]通過(guò)建立制動(dòng)軟管分析模型，輸入懸架運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，從受力、間隙校核、包絡(luò)分析等幾方面進(jìn)行分析，解決了相關(guān)問(wèn)題。

本文作者在某車(chē)型的制動(dòng)軟管開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)軟管出現(xiàn)破裂漏油問(wèn)題，因此分析該型號(hào)制動(dòng)軟管和整車(chē)布置，總結(jié)出影響制動(dòng)軟管壽命的若干因素和整車(chē)軟管布置優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，避免了類(lèi)似情況在后續(xù)車(chē)型開(kāi)發(fā)中發(fā)生，也節(jié)省了整車(chē)開(kāi)發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。

1 制動(dòng)軟管的常見(jiàn)布置和特點(diǎn)

在乘用車(chē)制動(dòng)軟管設(shè)計(jì)中，制動(dòng)軟管是連接制動(dòng)器與制動(dòng)硬管的軟性連接載體，傳遞非石油基制動(dòng)液以達(dá)到汽車(chē)制動(dòng)效果。顧名思義，制動(dòng)軟管布置于高頻率振動(dòng)的地方，比如懸架或轉(zhuǎn)向節(jié)部位，彌補(bǔ)制動(dòng)硬管無(wú)法滿足跳動(dòng)要求的缺陷。

在汽車(chē)行駛過(guò)程中，前懸架同時(shí)存在轉(zhuǎn)向和上下跳2種工況，分析起來(lái)更為復(fù)雜(后輪轉(zhuǎn)向配置目前市場(chǎng)占有率很低)。因此，文中以某車(chē)型麥弗遜前懸架為例，制動(dòng)軟管通過(guò)中間支架朝向不同方向，主要分為縱置和橫置2種布置形式，如圖1所示。

為研究縱置支架和橫置支架布置的差異，將懸架上下跳和轉(zhuǎn)向2種工況基于懸架roof圖生成運(yùn)動(dòng)法則，放入IPS軟件進(jìn)行建模仿真，軟管長(zhǎng)度設(shè)置為250 mm(公接頭至中間支架端軟管長(zhǎng)度)，如圖2所示。

在縱向布置中，當(dāng)轉(zhuǎn)向和輪跳均為極限位置時(shí)，仿真結(jié)果展示最大拉應(yīng)力為22 N，最小折彎半徑為13 mm，圖3為縱向布置仿真結(jié)果。

圖1 中間支架布置形式

圖2 前懸架roof簡(jiǎn)圖

圖3 縱向布置仿真

在橫向布置中，當(dāng)轉(zhuǎn)向和輪跳均為極限位置時(shí)，仿真結(jié)果展示最大拉應(yīng)力為10 N，最小折彎半徑為25 mm，圖4為橫向布置仿真結(jié)果。

圖4 橫向布置仿真

在相同軟管長(zhǎng)度的情況下，橫置支架布置，在懸架下跳，并結(jié)合轉(zhuǎn)向極限位置時(shí)，軟管接頭端拉力將明顯增加，同時(shí)折彎半徑將快速減?。坏强v置支架軟管走向更加順暢，不存在折彎嚴(yán)重情況，所以拉力和折彎半徑均優(yōu)于橫置。

文中橫置與縱置的定義僅取2個(gè)極端角度案例分析，懸架roof圖中工況各異，需要結(jié)合不同工況綜合分析。市場(chǎng)上絕大多數(shù)車(chē)型均從這2種布置中選擇一個(gè)中間角度進(jìn)行優(yōu)化，以同時(shí)滿足制動(dòng)軟管壽命和DMU間隙要求。

2 制動(dòng)軟管壽命影響因子

液壓制動(dòng)軟管傳遞制動(dòng)壓力至制動(dòng)器端，實(shí)現(xiàn)駕駛員的制動(dòng)意圖，是極為關(guān)鍵的安全零件。在汽車(chē)生命周期內(nèi)，不允許存在任何爆破、失效的風(fēng)險(xiǎn)，若出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，將導(dǎo)致車(chē)毀人亡。制動(dòng)軟管壽命不達(dá)標(biāo)是重大設(shè)計(jì)失誤。本文作者將從幾個(gè)方面討論液壓制動(dòng)軟管壽命的影響因子。

2.1 接頭鉚接強(qiáng)度

制動(dòng)軟管總成由用于傳輸或存儲(chǔ)供汽車(chē)制動(dòng)器加力的流體壓力介質(zhì)的柔性導(dǎo)管和兩端連接接頭組成，其中，兩端金屬接頭通過(guò)扣壓或擠壓的方式與制動(dòng)軟管連接，既需要滿足密封性，也要達(dá)到一定的拉脫強(qiáng)度(大于1 446 N)，否則將導(dǎo)致接頭脫落失效。但是拉脫強(qiáng)度太大，將損傷軟管編織層和膠管內(nèi)外層，也會(huì)導(dǎo)致總成的爆破壓力下降。在總成設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，一般設(shè)計(jì)拉脫強(qiáng)度推薦值在2 000 N左右、8爪壓鉚[4]，更為有效地保持密封性和軟管壽命。在接頭拉脫實(shí)驗(yàn)中，接頭拉脫后，軟管內(nèi)外編織層不得有任何鉚壓過(guò)程中造成的傷害。

2.2 最小折彎半徑

液壓制動(dòng)軟管彌補(bǔ)了制動(dòng)硬管不能高頻振動(dòng)的缺陷，作為連接制動(dòng)硬管與制動(dòng)卡鉗端的制動(dòng)軟管，在整車(chē)布置上需盡量彌補(bǔ)拉扯和擠壓的情況，尤其是制動(dòng)軟管與軟管接頭的擠壓，將極大地破壞外膠層，減少外膠層壽命，外膠層被破壞后，外界空氣中混合的水分以及其他雜質(zhì)侵入編織層，導(dǎo)致編織層性能降低。比如制動(dòng)軟管常用材料PVA(聚乙烯醇)具有良好的吸水性能，據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將PVA線放置在不同濕度環(huán)境下，放置相同的時(shí)間，高濕度環(huán)境下機(jī)械強(qiáng)度下降明顯，主要表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度明顯下降。

2.3 環(huán)境溫度變化的影響

液壓制動(dòng)軟管通常布置在底盤(pán)內(nèi)，輪胎附近，常常伴隨著惡劣的環(huán)境，主要的溫度影響來(lái)自外界溫度的變化，例如黑河最低溫度可以達(dá)-40 ℃，而在吐魯番，夏季室外最高溫度可以達(dá)70 ℃以上。制動(dòng)軟管需要在這些環(huán)境下能夠正常使用，除性能不受影響之外，還得避免來(lái)自乘用車(chē)內(nèi)部熱源的傷害：制動(dòng)器和排氣管。一些極限制動(dòng)工況，制動(dòng)器能達(dá)300 ℃甚至更高溫度，該溫度通過(guò)卡鉗活塞傳遞給制動(dòng)液，最終作用在制動(dòng)軟管內(nèi)表面。制動(dòng)管熱板試驗(yàn)可以檢驗(yàn)制動(dòng)管材在該熱害下性能表現(xiàn)，圖5為制動(dòng)軟管熱板試驗(yàn)臺(tái)。而在一些不理想的布置中，制動(dòng)軟管承受排氣管的熱害，這些溫度的變化對(duì)以橡膠為原料的液壓制動(dòng)軟管的壽命產(chǎn)生極大的影響。

圖5 制動(dòng)軟管熱板試驗(yàn)臺(tái)

因此，選用以EPDM為原料的制動(dòng)軟管可以有效提高制動(dòng)軟管的壽命，EPDM橡膠型制動(dòng)軟管自身具有耐高低溫(-45～150 ℃)性能，耐氣候性好。以某工廠生產(chǎn)的制動(dòng)軟管管材為例，其外膠層膠料采用三井化學(xué)株式會(huì)社的三元乙丙橡膠4050[5]，具備良好的耐候性，使管材在高低溫交變?cè)囼?yàn)中，表現(xiàn)出非常好的性能。

2.4 編織層材料的影響

制動(dòng)軟管中編織層材料是制動(dòng)軟管機(jī)械性能的主要貢獻(xiàn)者，使用不同的編織層材料對(duì)制動(dòng)軟管機(jī)械性能的影響不同。目前汽車(chē)用液壓制動(dòng)軟管主要采用PET線(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)和PVA線2種材料，其中PET線具備良好的疲勞性能和耐水性能，而PVA線的機(jī)械性能尤其是抗拉強(qiáng)度方面表現(xiàn)更好。據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，相同線徑的2種不同材料的抗拉強(qiáng)度是0.5∶1的關(guān)系，也就是說(shuō)單純從線的材質(zhì)來(lái)看，采用PET線的管材耐久壽命將優(yōu)于PVA線的管材。但是從耐膨脹的角度看，采用PVA線的管材膨脹量明顯低于PET線的管材。因此，主機(jī)廠應(yīng)該從制動(dòng)軟管壽命和剛性2個(gè)方面進(jìn)行平衡，方能選擇出最符合要求的制動(dòng)軟管。

3 制動(dòng)軟管布置仿真工具

IPS軟件能夠用于管體模擬仿真，能夠較好地模擬出制動(dòng)軟管特性，并輸入仿真界面中進(jìn)行模擬。不同材料、不同半徑的管材均表現(xiàn)出不同的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度和拉伸剛度。IPS軟件在仿真庫(kù)中已經(jīng)預(yù)存了目前市場(chǎng)常見(jiàn)的各類(lèi)管件、線束的特性，以供技術(shù)人員選擇、分析。如果屬于新管材，可以按照系統(tǒng)要求的剛度測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定，并輸入軟件進(jìn)行模擬。IPS分析軟件具備以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)支持wrl、jt格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

(2)支持管件與周邊間隙分析、管件受力分析、管件扭轉(zhuǎn)程度分析，并輸出報(bào)告。

(3)支持CATIA發(fā)布的懸架及周邊件所有部件運(yùn)動(dòng)法則，進(jìn)行管路動(dòng)態(tài)仿真，具有較高的操作性。

以某車(chē)型的前制動(dòng)軟管分析為例，將分析數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)法則導(dǎo)入IPS后，通過(guò)選取運(yùn)動(dòng)塊新建管路，并由圖6所示界面輸入軟管特性參數(shù)。

圖6 軟管特性參數(shù)輸入界面

接下來(lái)導(dǎo)入wrl格式的制動(dòng)軟管周邊零部件數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)法則，建立制動(dòng)軟管IPS仿真模型，如圖7所示。

圖7 整車(chē)仿真模型建立

選定建好的制動(dòng)軟管，右鍵點(diǎn)擊軟管分析界面，可以看到各類(lèi)可分析參數(shù)，包括受力分析、間隙分析、扭轉(zhuǎn)角度分析等，如圖8所示。

圖8 軟管性能仿真選項(xiàng)

勾選需要分析的管路性能參數(shù)，該仿真模型中軟管受到的拉力情況和最小折彎半徑分析結(jié)果如圖9—圖11所示。

圖9 仿真軟管所受拉力

圖10 仿真軟管最小折彎半徑

圖11 仿真軟管與懸架運(yùn)動(dòng)間隙

從上述3個(gè)圖中可以看出，在懸架的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，軟管與周邊主要零部件間隙在15 mm以上，同時(shí)最小折彎半徑為22 mm，所承受的最大應(yīng)力為13 N。這些仿真參數(shù)能夠幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化制動(dòng)軟管在整車(chē)的布置，選擇更有利于制動(dòng)軟管壽命的布置方式，減少驗(yàn)證時(shí)間和驗(yàn)證費(fèi)用，給整車(chē)企業(yè)帶來(lái)非常好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，提高了制動(dòng)軟管的可靠壽命，給汽車(chē)使用者帶來(lái)了可靠的制動(dòng)傳遞。

4 結(jié)束語(yǔ)

液壓制動(dòng)軟管作為汽車(chē)傳遞制動(dòng)液的關(guān)鍵柔性件，其使用壽命的長(zhǎng)短關(guān)系到駕駛員以及乘員的安全。如何提高液壓制動(dòng)軟管壽命，并且兼顧良好的經(jīng)濟(jì)效益在汽車(chē)行業(yè)是一個(gè)不小的問(wèn)題。軟管制造廠商應(yīng)該從軟管膠層材料、編織層材料和軟管結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)入手。整車(chē)企業(yè)應(yīng)在制動(dòng)軟管布置上綜合考慮使用環(huán)境、懸架跳動(dòng)和緊固件連接方式等幾個(gè)方面，并且運(yùn)用先進(jìn)的模擬仿真手段將制動(dòng)軟管布置得更合理，使其有更大的折彎半徑和更小的拉扯力，可以提高制動(dòng)軟管的使用壽命。