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        汽車液壓制動(dòng)軟管的壽命優(yōu)化

        2020-03-06 02:08:08劉建崔洋羅旋王楊
        汽車零部件 2020年1期
        關(guān)鍵詞:分析

        劉建, 崔洋, 羅旋,王楊

        (廣州汽車集團(tuán)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(jī)械行業(yè)和化工行業(yè)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(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)軟管廠商和整車廠的關(guān)注重點(diǎn)。

        針對(duì)制動(dòng)軟管在整車上的布置,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)問題。

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

        1 制動(dòng)軟管的常見布置和特點(diǎn)

        在乘用車制動(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)重問題,將導(dǎo)致車毀人亡。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)常見的各類管件、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)效益在汽車行業(yè)是一個(gè)不小的問題。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)開發(fā)入手。整車企業(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。

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