液壓制動(dòng)軟管設(shè)計(jì)探討

黃德銀，崔洋，劉奇峰

(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 511434)

0 引言

制動(dòng)軟管是用于連接硬管和卡鉗的橡膠管。它為汽車(chē)制動(dòng)輸送制動(dòng)液，以達(dá)到制動(dòng)的目的；同時(shí)提供軟性連接，在保證制動(dòng)管提供制動(dòng)目的的同時(shí)滿足懸架運(yùn)動(dòng)時(shí)的需求。

汽車(chē)制動(dòng)的工作原理是：踩下制動(dòng)踏板，助力器作動(dòng)產(chǎn)生的液壓通過(guò)制動(dòng)硬管、制動(dòng)軟管中的制動(dòng)液傳遞到車(chē)輪的制動(dòng)器上，制動(dòng)器與制動(dòng)盤(pán)發(fā)生摩擦，最后通過(guò)車(chē)輪與地面的摩擦力矩使車(chē)輛減速或靜止[1]。由于汽車(chē)行駛過(guò)程中，制動(dòng)軟管一直運(yùn)動(dòng)，且周邊環(huán)境較復(fù)雜，因此制動(dòng)軟管必須柔軟并具有極高的韌性和耐屈撓性，具有高抗疲勞性能、耐拉伸及耐腐蝕性。本文作者將對(duì)液壓制動(dòng)軟管的結(jié)構(gòu)、性能以及空間布置進(jìn)行探討。

1 制動(dòng)軟管基本理論

1.1 制動(dòng)軟管結(jié)構(gòu)

制動(dòng)軟管由橡膠管體和金屬接頭組成，橡膠管體和金屬接頭之間是永久性連接，如鉚壓等。制動(dòng)軟管一般采用公稱內(nèi)徑φ3.2 mm的橡膠管體，管體由5層材料組成：內(nèi)層橡膠、第一編織層、中間橡膠、第二編織層、外層橡膠[2-3]，如圖1所示。

圖1 制動(dòng)軟管管體結(jié)構(gòu)

1.2 制動(dòng)軟管性能

汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的安全性、制動(dòng)踏板感與制動(dòng)軟管緊密聯(lián)系，以下為制動(dòng)軟管與此相關(guān)的4個(gè)重要性能參數(shù)。

(1)最大膨脹量

汽車(chē)行車(chē)制動(dòng)發(fā)生時(shí)，制動(dòng)軟管內(nèi)將承受一定制動(dòng)液壓力，軟管發(fā)生彈性變形，軟管內(nèi)部體積將變大，增大的體積即為在該液壓下的軟管膨脹量，一般采用6.9、10.3 MPa液壓下最大膨脹量考核汽車(chē)制動(dòng)軟管性能。若制動(dòng)軟管膨脹量大，制動(dòng)踏板行程一定，真空助力器主缸行程也一定，此時(shí)提供給制動(dòng)器的制動(dòng)液將變少，制動(dòng)鉗的制動(dòng)力降低，從而減弱制動(dòng)系統(tǒng)效能[4]。

(2)屈繞疲勞

汽車(chē)行駛在不平路面或山路時(shí)，懸架上下跳動(dòng)和轉(zhuǎn)向使制動(dòng)軟管抖動(dòng)、拉伸和扭轉(zhuǎn)，制動(dòng)軟管內(nèi)部編織層疲勞受損。當(dāng)前采用臺(tái)架模擬試驗(yàn)和整車(chē)耐久試驗(yàn)考核制動(dòng)軟管的屈繞疲勞特性。若選用屈繞疲勞不合格的管材，制動(dòng)軟管易發(fā)生鼓包、開(kāi)裂并漏油，從而造成制動(dòng)系統(tǒng)失效。

(3)爆破強(qiáng)度

汽車(chē)行車(chē)制動(dòng)發(fā)生時(shí)，制動(dòng)軟管內(nèi)部的制動(dòng)液油壓和制動(dòng)力大小為正比關(guān)系。若發(fā)生緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力迅速增大，制動(dòng)軟管內(nèi)部的制動(dòng)液油壓也相應(yīng)迅速增大，軟管發(fā)生彈性變形，制動(dòng)軟管內(nèi)部編織層發(fā)生過(guò)度變形而損傷。當(dāng)前采用制動(dòng)軟管耐壓試驗(yàn)考核制動(dòng)軟管的爆破強(qiáng)度特性，要求制動(dòng)液油壓大于49 MPa，制動(dòng)軟管不發(fā)生損傷。若選用爆破強(qiáng)度不合格的管材，制動(dòng)軟管易發(fā)生開(kāi)裂并漏油，從而造成制動(dòng)系統(tǒng)失效。

(4) 抗拉強(qiáng)度

汽車(chē)行駛過(guò)程中，在某一工況下，制動(dòng)軟管處于拉伸狀態(tài)時(shí)，軟管發(fā)生彈性變形。當(dāng)拉伸力過(guò)大時(shí)，制動(dòng)軟管最薄弱處發(fā)生較大的塑性變形，在該處發(fā)生縮頸現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成制動(dòng)軟管斷裂，使制動(dòng)系統(tǒng)失效。當(dāng)前采用制動(dòng)軟管抗拉試驗(yàn)考核制動(dòng)軟管的拉強(qiáng)度特性。要求制動(dòng)軟管能承受大于1 446 N的拉斷力[拉伸分離速度(25±3) mm/min]，制動(dòng)軟管不發(fā)生損傷。

2 制動(dòng)軟管布置

汽車(chē)制動(dòng)軟管布置是從制動(dòng)鉗總成(或經(jīng)過(guò)中間支撐支架)到車(chē)身制動(dòng)管安裝支架之間建立懸架各工況下走向最自然且與周邊件不干涉的走向。以下從滿足制動(dòng)軟管性能和與周邊件間隙要求兩方面討論制動(dòng)軟管的布置。

2.1 滿足制動(dòng)軟管性能

(1)制動(dòng)軟管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)(避免拉伸過(guò)度)

以某車(chē)型前制動(dòng)軟管為例，由于前麥弗遜懸架存在上跳極限、空載、下跳極限3種工況，前輪存在左轉(zhuǎn)極限、直行、右轉(zhuǎn)極限3種工況，因此前輪相應(yīng)存在9種極限工況，如表1所示。由于前制動(dòng)軟管一端固定在前輪，另一端固定在車(chē)身，因此前制動(dòng)軟管長(zhǎng)度應(yīng)滿足前輪9種極限工況下跳動(dòng)的要求。

表1 前輪9種極限工況

現(xiàn)以空載狀態(tài)+直行工況舉例說(shuō)明，前制動(dòng)軟管中間固定在減振器上，如圖2所示，分為運(yùn)動(dòng)段和固定段：(1)固定段軟管兩端相對(duì)靜止，根據(jù)軟管的最小彎曲半徑R(推薦Rmin>25 mm)以及前卡鉗摩擦片磨損極限狀態(tài)，通過(guò)3D曲線確定該段軟管的長(zhǎng)度L1。(2)運(yùn)動(dòng)段軟管長(zhǎng)度應(yīng)滿足前輪9種極限工況下跳動(dòng)的要求，避免制動(dòng)軟管拉伸導(dǎo)致過(guò)大的塑性變形，嚴(yán)重時(shí)造成軟管斷裂。通過(guò)數(shù)模測(cè)量前輪9種極限工況下該段軟管兩端點(diǎn)的最大直線距離，如圖3所示。該車(chē)型在下跳極限+左轉(zhuǎn)向極限工況時(shí)，制動(dòng)軟管長(zhǎng)度需要最長(zhǎng)。然后結(jié)合軟管的最小彎曲半徑R(推薦Rmin>25 mm)，通過(guò)3D曲線確定該段軟管的長(zhǎng)度L2。最后通過(guò)臺(tái)架或?qū)嵻?chē)裝配驗(yàn)證軟管長(zhǎng)度L1、L2。

圖2 空載狀態(tài)+直行工況

圖3 下跳極限+左轉(zhuǎn)向極限工況

(2)制動(dòng)軟管兩端接頭相對(duì)角度設(shè)計(jì)(避免扭曲)

為保證軟管的走向自然，需設(shè)計(jì)軟管兩端接頭的相對(duì)角度，可通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法確定相對(duì)角度。如圖4所示，軟管接頭Ⅱ由原坐標(biāo)系B轉(zhuǎn)換到參考坐標(biāo)系C，通過(guò)D向視圖，可測(cè)量軟管接頭Ⅰ和軟管接頭Ⅱ的相對(duì)角度α。

圖4 軟管兩端接頭相對(duì)角度設(shè)計(jì)示意

同時(shí)制動(dòng)軟管和制動(dòng)硬管的連接接頭選擇裝配唯一性的接頭，如圖5所示，可避免裝配造成的軟管扭曲。

圖5 軟管接頭示意

2.2 滿足與周邊間隙要求

車(chē)輛行駛過(guò)程中，制動(dòng)軟管是相對(duì)車(chē)身、懸架運(yùn)動(dòng)的零件。在各工況下需滿足制動(dòng)軟管與周邊件不干涉的要求，避免軟管因干涉而造成破裂，保證車(chē)輛正常制動(dòng)。當(dāng)前可通過(guò)數(shù)值模擬的方法，導(dǎo)入車(chē)身、懸架等周邊件數(shù)模，模擬實(shí)車(chē)狀態(tài)下制動(dòng)軟管的走向形態(tài)，以及對(duì)軟管與周邊件的設(shè)計(jì)間隙校核，可采用達(dá)索的CATIA、LMS的TEA PIPE、IPS Cable Simulation等軟件[5-6]。

現(xiàn)以左前制動(dòng)軟管與減振器筒底部發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題優(yōu)化為例，原因分析：軟管與減振器筒底部的間隙x過(guò)小，同時(shí)在顛簸路面軟管前后擺動(dòng)造成與減振器筒底部干涉。經(jīng)理論分析，軟管中間固定膠圈下移將減小軟管在減振器筒底部的形變，固定膠圈前移使軟管遠(yuǎn)離減振器筒底部，從而增大間隙x，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后軟管走向

通過(guò)數(shù)值模擬分析，在各工況下間隙x最小為10.5 mm，如圖7所示。通過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，成功解決該干涉問(wèn)題，且最小間隙約為8 mm，與仿真計(jì)算值接近。

圖7 優(yōu)化后仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文作者從制動(dòng)軟管性能最優(yōu)的角度，探討制動(dòng)軟管走向的最優(yōu)布置設(shè)計(jì)。同時(shí)間隙優(yōu)化案例說(shuō)明了制動(dòng)軟管與周邊件間隙校核的數(shù)值模擬方法有效。文中研究?jī)?nèi)容對(duì)汽車(chē)制動(dòng)軟管設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。