尼龍水管在新能源汽車上的應(yīng)用

萬(wàn)星榮

摘 要：尼龍水管在輕量化、集成化、保溫性上有著優(yōu)異的性能，適合應(yīng)用于新能源汽車的水冷系統(tǒng)中。文章介紹了尼龍水管的類型、連接結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，并探討了其設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：尼龍水管;新能源汽車;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）14-51-03

Abstract： Nylon water tube has excellent performance in light weight， integration and thermal insulation， which is suitable for application in the water cooling system of new energy automobile. This paper introduces the types， connection structures and characteristics of nylon water tube， and discusses its design method.

Keywords： Nylon water tube; New energy automobile; Application

CLC NO.： U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）14-51-03

1 前言

尼龍材料廣泛應(yīng)用于汽車油液、空氣的輸送管道上，如燃油管、油箱注油管、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管、變速箱通氣管、曲軸通風(fēng)管、制動(dòng)真空管等[1][2]。而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車上的冷卻水管則通常采用橡膠管、金屬管，較少采用尼龍管。尼龍材料耐高溫性能較差，大部分尼龍材料的工作溫度小于120℃，而發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻冷卻液會(huì)超過(guò)120℃。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車中，尼龍水管只能用于介質(zhì)溫度較低的部分管段（如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水管、溢氣管、天窗排水管等），無(wú)法大范圍應(yīng)用。

近年來(lái)，越來(lái)越多新能源汽車，尤其是純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車推向市場(chǎng)，其中大部分采用水冷方案對(duì)電驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，而大部分仍采用傳統(tǒng)的橡膠水管和金屬水管的方案。新能源汽車的冷卻系統(tǒng)水溫較低，如電驅(qū)動(dòng)水冷系統(tǒng)水溫低于70℃，電池水冷系統(tǒng)水溫低于50℃。尼龍水管方案能夠滿足新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的耐溫要求。相比傳統(tǒng)橡膠水管和金屬水管，尼龍水管還具備重量輕、保溫性能好、管路剛性好、徑向占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)上推廣使用。

2 尼龍水管的類型

按照水管橫截面徑向上的層數(shù)，尼龍水管可以分為單層管和多層管。單層管僅使用一種材料，常用的有尼龍12、尼龍612。多層管則由多種材料組合而成，常見(jiàn)的有五層管、七層管。多層管在徑向不同層上采用不同的材料，可以充分利用各個(gè)材料的特性。如在內(nèi)層可采用耐水解性能較好的尼龍9T、尼龍12、PP等，外層采用耐腐蝕和耐機(jī)械沖擊性能較好的尼龍12等。

按照剖面結(jié)構(gòu)，尼龍水管可以分為光滑管和波紋管，如圖1所示。光滑管剛性較好，常用于直管段和無(wú)減振需求的彎管段。波紋管具有一定柔性，具有減振的作用，可用于連接振動(dòng)部件的水管。另外，波紋管的轉(zhuǎn)彎半徑小于直管，因此可用于布置空間較小的管段。但是波紋管會(huì)增大水管的流阻，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮對(duì)系統(tǒng)流阻的影響。

3 尼龍水管的連接結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的橡膠水管彈性強(qiáng)，可與對(duì)接零件上帶凸包的接頭直接連接，并用金屬卡箍固定，可重復(fù)拆裝。而尼龍水管彈性弱，無(wú)法直接連接，需要連接到接頭上的竹節(jié)結(jié)構(gòu)上，再通過(guò)接頭與零件連接。尼龍管與竹節(jié)結(jié)構(gòu)的連接不可二次拆裝。如圖2所示，為兩種連接結(jié)構(gòu)的示意圖。

尼龍水管與竹節(jié)結(jié)構(gòu)連接后，有兩種方案跟對(duì)接零件連接。第一種方案為通過(guò)快插接頭與對(duì)接零件連接：快插接頭上設(shè)計(jì)有竹節(jié)結(jié)構(gòu)，尼龍水管可直接與其配合并密封，無(wú)需金屬卡箍，再通過(guò)快插接頭與對(duì)接零件連接。相比橡膠管，尼龍水管可以實(shí)現(xiàn)更低成本的快插接頭連接方案。第二種方案為通過(guò)膠管與對(duì)接零件連接：尼龍水管通過(guò)轉(zhuǎn)接頭與橡膠管連接，再通過(guò)橡膠管與對(duì)接零件連接。此連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量多，常用于對(duì)接零件為膠管接頭的情況。

4 尼龍水管的特點(diǎn)

4.1 輕量化

以常用的橡膠EPDM和尼龍12為例，EPDM密度為1.2×10?kg/m?，尼龍12密度為1.02×10?kg/m?，尼龍12密度較小。另外，制成水管之后，尼龍水管壁厚較小。以內(nèi)徑15mm～18mm的水管為例，橡膠水管壁厚為3.5～4mm，而尼龍水管僅為1.25～1.5mm。綜合下來(lái)，水管材料可以減重約65%。

若采用快插接頭方案，橡膠水管需要額外使用金屬卡箍連接固定。而尼龍水管可直接連接，取消金屬卡箍。尼龍水管能夠以更輕的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快插方案。

本公司某車型采用尼龍水管方案后，相比采用傳統(tǒng)的橡膠管和金屬管的方案，水管總成可實(shí)現(xiàn)56%的減重效果。

4.2 集成化

橡膠管具有本體剛性小、質(zhì)量較大的特點(diǎn)，因此在較長(zhǎng)的管段中一般不使用橡膠管，否則會(huì)造成管路下墜或固定點(diǎn)過(guò)多的問(wèn)題。常見(jiàn)的方案是較長(zhǎng)管段使用金屬管，僅在接頭部分轉(zhuǎn)接為膠管。

傳統(tǒng)橡膠管配合金屬管的方案中，由于二者用途不同，不同管段采用不同的管材，因此系統(tǒng)內(nèi)存在大量橡膠管與金屬管轉(zhuǎn)接的轉(zhuǎn)接點(diǎn)。而尼龍管不需要這些轉(zhuǎn)接，可采用一體成型的方式制作完整的水管，減少了接口的數(shù)量，從而減少了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，同時(shí)也大大減少了零件的數(shù)量，降低了零部件的管理成本。本公司某車型采用尼龍水管方案后，水管系統(tǒng)的零件數(shù)量減少了77%。

4.3 保溫性能

傳統(tǒng)橡膠水管方案中，需要在長(zhǎng)管段或者轉(zhuǎn)彎段使用金屬水管。尼龍材料的保溫效果遠(yuǎn)比金屬好，以鋁管為例，尼龍的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁合金低3個(gè)數(shù)量級(jí)。本公司某車型采用尼龍管方案后，在冬季低溫電池加熱工況下，可節(jié)省170W熱量。

5 尼龍水管的設(shè)計(jì)

5.1 介質(zhì)兼容性

尼龍水管與管內(nèi)冷卻液長(zhǎng)時(shí)間接觸，因此不允許二者間發(fā)生影響性能或商品性的物理或化學(xué)反應(yīng)，所以需要驗(yàn)證二者的兼容性。汽車上常用的冷卻液為乙二醇型，主要成分為乙二醇和去離子水。此外，冷卻液中還會(huì)加入緩蝕劑、緩沖劑、防垢劑、消泡劑、染色劑等添加劑。不同的冷卻液廠家的添加劑類型和含量存在差異，而尼龍水管的材料尼龍也有多種牌號(hào)。因此一般需要針對(duì)具體的材料和溶液開(kāi)展專門(mén)的兼容性測(cè)試。

5.2 使用環(huán)境

水管內(nèi)的介質(zhì)溫度和壓力必須在尼龍材料的許用范圍內(nèi)。以尼龍12為例，其可用于介質(zhì)溫度小于120℃，介質(zhì)壓力小于4.5bar的環(huán)境中。若超出此范圍，則可能引起破裂、滲漏等問(wèn)題。

水管外的溫度也必須滿足尼龍材料的要求，同樣以尼龍12為例，其峰值耐溫為135℃，長(zhǎng)時(shí)耐溫為120℃。若其所處環(huán)境溫度高于此范圍，則需要考慮增加隔熱罩等隔熱結(jié)構(gòu)。

5.3 管徑和壁厚

尼龍水管的管徑主要影響系統(tǒng)流阻，進(jìn)而影響系統(tǒng)流量。管徑越大，流阻越小，系統(tǒng)流量越大。一般需要進(jìn)行一維或三維仿真，確認(rèn)流量能否滿足系統(tǒng)和整車的要求。另外，管徑還會(huì)影響管路的外部尺寸。管徑越大，占用空間越大，轉(zhuǎn)彎半徑越大，布置越不靈活。因此需要綜合考慮，選擇合理的管徑。

壁厚主要影響水管的耐壓性能。壁厚越大，耐壓性能越好。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，壁厚和管徑有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。管徑確定，壁厚的范圍也確定。一般情況下，直徑10mm以下對(duì)應(yīng)壁厚為1mm，12mm至16mm之間對(duì)應(yīng)壁厚為1.25mm，16mm以上壁厚為1.5mm、1.75mm。

5.4 波紋結(jié)構(gòu)

尼龍水管按照結(jié)構(gòu)可分為光滑管和波紋管。光滑管剛性大，在連接振動(dòng)部件時(shí)無(wú)法隔振，可能引起水管本身的損壞、滲漏等問(wèn)題，甚至?xí)⒄駝?dòng)傳遞到乘員艙內(nèi)，引起乘員的不舒適。因此在需要隔振的場(chǎng)景下，需要使用波紋管。

水管在整車上拆裝時(shí)，需要有拔出和插入接頭的動(dòng)作。水管需要有一定變形才能完成以上動(dòng)作。通常在水管接頭附近設(shè)計(jì)波紋結(jié)構(gòu)，以方便拆裝。

相比光滑管，波紋管的轉(zhuǎn)彎半徑更小。在布置空間緊湊的情況下，可以通過(guò)將彎管段設(shè)計(jì)為波紋管，以減小其占用的空間。

5.5 與竹節(jié)結(jié)構(gòu)的連接

尼龍水管與快插接頭、膠管轉(zhuǎn)接頭、三通接頭等接頭的連接一般是通過(guò)竹節(jié)結(jié)構(gòu)。尼龍水管通過(guò)工裝直接套到竹節(jié)結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)過(guò)盈配合，以利用尼龍材料的彈性實(shí)現(xiàn)密封。因此過(guò)盈量的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵因素。常用的過(guò)盈量一般為單邊1.5mm～3mm，管徑越大，過(guò)盈量越大。

5.6 管路布置

相比橡膠水管和金屬水管，尼龍水管在整車布置時(shí)需要考慮以下方面：

（1）遠(yuǎn)離熱源：尼龍材料耐溫性能比橡膠和金屬差，特別是在混合動(dòng)力車型的布置時(shí)需要避免其布置在高溫環(huán)境中，如排氣管周邊。若環(huán)境溫度過(guò)高，需要在水管及周邊設(shè)計(jì)隔熱結(jié)構(gòu);

（2）與周邊零件保持距離：尼龍水管壁厚較小，若與周邊零件，尤其是運(yùn)動(dòng)或尖銳部件距離過(guò)近，需要套裝防磨護(hù)套;

（3）對(duì)長(zhǎng)管段分段：尼龍管可以一體成型出較長(zhǎng)的管段。但是考慮裝配、維修和運(yùn)輸?shù)谋憷?，較長(zhǎng)的水管需要考慮分成幾段短管。

6 結(jié)束語(yǔ)

尼龍管在輕量化、集成化、保溫性等方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，非常適合在新能源汽車水冷系統(tǒng)上應(yīng)用。隨著新能源汽車的發(fā)展，對(duì)輕量化的要求越來(lái)越高，尼龍水管的應(yīng)用前景會(huì)越來(lái)越好。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉艷紅.尼龍管在汽車制動(dòng)管路中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，1992（2）： 9-13.

[2] 李馥梅.長(zhǎng)碳鏈尼龍的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].化工新型材料，2006， 34（12）：6-9.