汽車液壓制動軟管的壽命優化

劉建, 崔洋, 羅旋，王楊

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511400)

0 引言

液壓軟管在機械行業和化工行業非常常見，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得到廣泛應用。制動軟管的使用壽命是軟管的主要性能之一，如何保證制動軟管在10年甚至更長的時間內、更復雜的工況下保持良好的柔韌性和可靠性，是制動軟管廠商和整車廠的關注重點。

針對制動軟管在整車上的布置，衛聰敏等[1]通過Cosserat彈性桿理論提出了一種制動軟管的仿真分析，得出的仿真結果與實車結果具有較高一致性。陳浪[2]通過研究不同制動軟管與接頭鉚接的方式對制動軟管使用壽命的影響，并通過高低溫脈沖試驗方法驗證該制動軟管壽命長短，得出當鉚合尺寸在中值和下限值之間時，性能最優。王鑫和王浩[3]通過建立制動軟管分析模型，輸入懸架運動的動態特性，從受力、間隙校核、包絡分析等幾方面進行分析，解決了相關問題。

本文作者在某車型的制動軟管開發過程中，發現制動軟管出現破裂漏油問題，因此分析該型號制動軟管和整車布置，總結出影響制動軟管壽命的若干因素和整車軟管布置優化經驗，避免了類似情況在后續車型開發中發生，也節省了整車開發時間和費用。

1 制動軟管的常見布置和特點

在乘用車制動軟管設計中，制動軟管是連接制動器與制動硬管的軟性連接載體，傳遞非石油基制動液以達到汽車制動效果。顧名思義，制動軟管布置于高頻率振動的地方，比如懸架或轉向節部位，彌補制動硬管無法滿足跳動要求的缺陷。

在汽車行駛過程中，前懸架同時存在轉向和上下跳2種工況，分析起來更為復雜(后輪轉向配置目前市場占有率很低)。因此，文中以某車型麥弗遜前懸架為例，制動軟管通過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，將懸架上下跳和轉向2種工況基于懸架roof圖生成運動法則，放入IPS軟件進行建模仿真，軟管長度設置為250 mm(公接頭至中間支架端軟管長度)，如圖2所示。

在縱向布置中，當轉向和輪跳均為極限位置時，仿真結果展示最大拉應力為22 N，最小折彎半徑為13 mm，圖3為縱向布置仿真結果。

圖1 中間支架布置形式

圖2 前懸架roof簡圖

圖3 縱向布置仿真

在橫向布置中，當轉向和輪跳均為極限位置時，仿真結果展示最大拉應力為10 N，最小折彎半徑為25 mm，圖4為橫向布置仿真結果。

圖4 橫向布置仿真

在相同軟管長度的情況下，橫置支架布置，在懸架下跳，并結合轉向極限位置時，軟管接頭端拉力將明顯增加，同時折彎半徑將快速減小；但是縱置支架軟管走向更加順暢，不存在折彎嚴重情況，所以拉力和折彎半徑均優于橫置。

文中橫置與縱置的定義僅取2個極端角度案例分析，懸架roof圖中工況各異，需要結合不同工況綜合分析。市場上絕大多數車型均從這2種布置中選擇一個中間角度進行優化，以同時滿足制動軟管壽命和DMU間隙要求。

2 制動軟管壽命影響因子

液壓制動軟管傳遞制動壓力至制動器端，實現駕駛員的制動意圖，是極為關鍵的安全零件。在汽車生命周期內，不允許存在任何爆破、失效的風險，若出現嚴重問題，將導致車毀人亡。制動軟管壽命不達標是重大設計失誤。本文作者將從幾個方面討論液壓制動軟管壽命的影響因子。

2.1 接頭鉚接強度

制動軟管總成由用于傳輸或存儲供汽車制動器加力的流體壓力介質的柔性導管和兩端連接接頭組成，其中，兩端金屬接頭通過扣壓或擠壓的方式與制動軟管連接，既需要滿足密封性，也要達到一定的拉脫強度(大于1 446 N)，否則將導致接頭脫落失效。但是拉脫強度太大，將損傷軟管編織層和膠管內外層，也會導致總成的爆破壓力下降。在總成設計生產中，一般設計拉脫強度推薦值在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。在接頭拉脫實驗中，接頭拉脫后，軟管內外編織層不得有任何鉚壓過程中造成的傷害。

2.2 最小折彎半徑

液壓制動軟管彌補了制動硬管不能高頻振動的缺陷，作為連接制動硬管與制動卡鉗端的制動軟管，在整車布置上需盡量彌補拉扯和擠壓的情況，尤其是制動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侵入編織層，導致編織層性能降低。比如制動軟管常用材料PVA(聚乙烯醇)具有良好的吸水性能，據實驗驗證，將PVA線放置在不同濕度環境下，放置相同的時間，高濕度環境下機械強度下降明顯，主要表現為抗拉強度明顯下降。

2.3 環境溫度變化的影響

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

圖5 制動軟管熱板試驗臺

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

2.4 編織層材料的影響

制動軟管中編織層材料是制動軟管機械性能的主要貢獻者，使用不同的編織層材料對制動軟管機械性能的影響不同。目前汽車用液壓制動軟管主要采用PET線(聚對苯二甲酸乙二醇酯)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線的機械性能尤其是抗拉強度方面表現更好。據實驗證明，相同線徑的2種不同材料的抗拉強度是0.5∶1的關系，也就是說單純從線的材質來看，采用PET線的管材耐久壽命將優于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，主機廠應該從制動軟管壽命和剛性2個方面進行平衡，方能選擇出最符合要求的制動軟管。

3 制動軟管布置仿真工具

IPS軟件能夠用于管體模擬仿真，能夠較好地模擬出制動軟管特性，并輸入仿真界面中進行模擬。不同材料、不同半徑的管材均表現出不同的扭轉剛度、彎曲剛度和拉伸剛度。IPS軟件在仿真庫中已經預存了目前市場常見的各類管件、線束的特性，以供技術人員選擇、分析。如果屬于新管材，可以按照系統要求的剛度測定方法進行測定，并輸入軟件進行模擬。IPS分析軟件具備以下3個優點：

(1)支持wrl、jt格式數據導入。

(2)支持管件與周邊間隙分析、管件受力分析、管件扭轉程度分析，并輸出報告。

(3)支持CATIA發布的懸架及周邊件所有部件運動法則，進行管路動態仿真，具有較高的操作性。

以某車型的前制動軟管分析為例，將分析數據、運動法則導入IPS后，通過選取運動塊新建管路，并由圖6所示界面輸入軟管特性參數。

圖6 軟管特性參數輸入界面

接下來導入wrl格式的制動軟管周邊零部件數據和運動法則，建立制動軟管IPS仿真模型，如圖7所示。

圖7 整車仿真模型建立

選定建好的制動軟管，右鍵點擊軟管分析界面，可以看到各類可分析參數，包括受力分析、間隙分析、扭轉角度分析等，如圖8所示。

圖8 軟管性能仿真選項

勾選需要分析的管路性能參數，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 仿真軟管與懸架運動間隙

從上述3個圖中可以看出，在懸架的運動過程中，軟管與周邊主要零部件間隙在15 mm以上，同時最小折彎半徑為22 mm，所承受的最大應力為13 N。這些仿真參數能夠幫助設計師優化制動軟管在整車的布置，選擇更有利于制動軟管壽命的布置方式，減少驗證時間和驗證費用，給整車企業帶來非常好的經濟效益。同時，提高了制動軟管的可靠壽命，給汽車使用者帶來了可靠的制動傳遞。

4 結束語

液壓制動軟管作為汽車傳遞制動液的關鍵柔性件，其使用壽命的長短關系到駕駛員以及乘員的安全。如何提高液壓制動軟管壽命，并且兼顧良好的經濟效益在汽車行業是一個不小的問題。軟管制造廠商應該從軟管膠層材料、編織層材料和軟管結構的創新設計開發入手。整車企業應在制動軟管布置上綜合考慮使用環境、懸架跳動和緊固件連接方式等幾個方面，并且運用先進的模擬仿真手段將制動軟管布置得更合理，使其有更大的折彎半徑和更小的拉扯力，可以提高制動軟管的使用壽命。