液壓制動(dòng)管路整車布置設(shè)計(jì)

況旭，張偉棟，羅旋

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

汽車制動(dòng)系統(tǒng)是汽車關(guān)鍵的安全部件，保障了汽車和人員的安全。目前汽車制動(dòng)系統(tǒng)仍以液壓式制動(dòng)系統(tǒng)為主，在液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)管路提供了制動(dòng)液流通通道，有效地將制動(dòng)主缸形成液壓力快速傳遞至制動(dòng)輪缸，為制動(dòng)器提供制動(dòng)作用力[1]。在制動(dòng)管路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，制動(dòng)管路的整車布置尤其重要，制動(dòng)管路整車布置既要考慮布置的合理性和安全可靠性，又要兼顧制動(dòng)效能的優(yōu)越性。

文中簡(jiǎn)要介紹了液壓制動(dòng)管路整車布置總體方案，從整車布置、周邊環(huán)境、固定形式和裝配工藝等方面分析了制動(dòng)管路(包括制動(dòng)硬管和軟管)布置設(shè)計(jì)要求，最后表明了制動(dòng)管路布置對(duì)制動(dòng)性能的影響。本文作者詳細(xì)分析了液壓制動(dòng)管路整車布置設(shè)計(jì)，有利于指導(dǎo)制動(dòng)管路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

1 制動(dòng)管路整車布置總體方案

目前汽車普遍采用雙回路制動(dòng)系統(tǒng)，雙回路制動(dòng)系統(tǒng)就是利用液壓制動(dòng)管路將全車液壓制動(dòng)系統(tǒng)分成彼此獨(dú)立的兩個(gè)管路系統(tǒng)，工作中如果一路制動(dòng)液壓制動(dòng)管路發(fā)生泄漏，另一路管路仍然可以實(shí)施制動(dòng)，仍保持一定的制動(dòng)效能，實(shí)現(xiàn)安全冗余性[2]。雙管路制動(dòng)系統(tǒng)比較常見(jiàn)的布置形式有H形和X形，基于X形回路技術(shù)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)管路布置形式簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 基于X形回路液壓制動(dòng)系統(tǒng)管路布置簡(jiǎn)圖

制動(dòng)管路在整車布置區(qū)域主要分成前機(jī)艙和下車體兩部分。前機(jī)艙制動(dòng)管路主要連接助力裝置主缸、ESP控制器和前輪制動(dòng)器，由于前機(jī)艙區(qū)域布置零件角度，因此制動(dòng)管路在前機(jī)艙布置的特點(diǎn)為空間少、環(huán)境較為復(fù)雜；下車體制動(dòng)管路主要是將制動(dòng)液的ESP制動(dòng)硬管傳遞到后制動(dòng)器，具有管路較長(zhǎng)、安裝困難等特點(diǎn)。制動(dòng)管路整車布置不僅要考慮布置合理性和安全可靠性，又要兼顧制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能。制動(dòng)管路整車布置采用的基本原則：減少管路的長(zhǎng)度和折彎次數(shù)，與周邊件保留合理間隙，配合汽車運(yùn)動(dòng)，固定牢靠，裝配方便。

2 制動(dòng)管路布置設(shè)計(jì)要求

根據(jù)作用功能不同，液壓制動(dòng)管路分為制動(dòng)硬管和制動(dòng)軟管兩種類型。制動(dòng)硬管主要固定在汽車車身上，多為鋼質(zhì)材料，主要與制動(dòng)主缸蓄能元件和ESP控制元件相連。制動(dòng)軟管主要布置在車輪輪邊位置，通常為橡膠材料組成，其主要的功能是配合懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與車身間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這就要求制動(dòng)軟管滿足一定的韌性和撓性。

2.1 制動(dòng)硬管布置設(shè)計(jì)要求

2.1.1 整車空間布置

制動(dòng)管路在空間布置上主要分布在汽車前機(jī)艙和下車體。制動(dòng)硬管在整車空間布局應(yīng)與周邊零部件不產(chǎn)生干涉并遠(yuǎn)離熱源，保證管路順暢，避免過(guò)彎管路，降低流通阻力。制動(dòng)硬管在前機(jī)艙區(qū)域主要固定在前圍板和車架上。由于機(jī)艙汽車零部件較多，在制動(dòng)硬管布置設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮與周邊零部件的間隙，避免出現(xiàn)干涉問(wèn)題；下車體制動(dòng)硬管的走向主要是沿著車身或者車架的邊、槽、梁等部位，可有效防止制動(dòng)管路承受其他壓力[3]。為避免汽車行駛中制動(dòng)管路磕低損壞，下車體制動(dòng)硬管應(yīng)高于周邊建議最低點(diǎn)10 mm?？臻g布置上制動(dòng)硬管與周邊零部件的間隙設(shè)計(jì)要求可參考表1。

表1 制動(dòng)管路與周邊零件間隙設(shè)計(jì)建議要求

2.1.2 環(huán)境要求

制動(dòng)管路的布置同樣需要考慮環(huán)境因素。首先，前機(jī)艙制動(dòng)管路布置過(guò)程中需要考慮環(huán)境溫度影響。由于燃油車前機(jī)艙存在動(dòng)力裝置，在局部容易形成較大熱源，靠近熱源區(qū)域的制動(dòng)硬管需要進(jìn)行表面熱害分析。理論上制動(dòng)管表面的溫度不能超過(guò)120 ℃，因?yàn)橹苿?dòng)管表面溫度達(dá)到120 ℃，內(nèi)部制動(dòng)液溫度將會(huì)達(dá)到制動(dòng)液沸點(diǎn)，不利于制動(dòng)液建壓。制動(dòng)硬管受熱源影響較為嚴(yán)重的兩大區(qū)域主要為前機(jī)艙靠近發(fā)動(dòng)機(jī)處和下車體靠近排氣管區(qū)域。如圖2所示，某車型排氣管表面溫度達(dá)到550 ℃，制動(dòng)管路和排氣管的間隙為43 mm，熱管理校核得到制動(dòng)管路表面溫度遠(yuǎn)超過(guò)120 ℃。在制動(dòng)硬管前期布置中就需要考慮增大制動(dòng)管路與排氣管的間隙，或者在制動(dòng)硬管表面包覆一層鋁箔，降低制動(dòng)硬管表面的溫度。

圖2 排氣管附件制動(dòng)硬管熱管理分析

另一方面，由于下車體制動(dòng)管路較多直接暴露在空氣中，汽車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易受到路面砂石沖擊，因此在制動(dòng)硬管需要滿足一定的耐磨性。對(duì)于一些耐磨性較差的管材材質(zhì)如PVF管，需要在制動(dòng)硬管外表面包覆一層耐磨的熱縮護(hù)套。

2.1.3 固定形式

制動(dòng)硬管主要通過(guò)管夾固定在車身上。目前汽車使用的管夾類型較多，按照管夾與車身的安裝形式，較為常用的管夾類型有螺柱式和卡扣式，如圖3所示。螺柱式管夾與車身貼合牢固，較難脫落；而卡扣式管夾工藝較簡(jiǎn)易，便于安裝。按照制動(dòng)硬管管夾的管路數(shù)量，可以分為單管夾，雙管夾、三管夾和四管夾等[4]。在制動(dòng)硬管布置過(guò)程中往往也考慮將制動(dòng)硬管和其他管路共用管夾，有利于更好布置汽車零件。如圖4所示，制動(dòng)硬管和燃油管共用四管夾，兩者保持合理的間隙。同時(shí)為考慮制動(dòng)硬管固定牢固，相鄰管夾固定點(diǎn)設(shè)計(jì)要求制動(dòng)管的長(zhǎng)度建議不應(yīng)大于300 mm。

圖3 螺柱式管夾和卡扣式管夾

圖4 制動(dòng)管路和燃油管共用四管夾

2.1.4 裝配工藝

制動(dòng)管路通過(guò)硬管接頭與助力主缸和ESP等零件連接，主要是內(nèi)部擴(kuò)口、外螺紋、內(nèi)螺紋中間的配合，既能滿足裝配可靠性，又能依靠軸向力起到密封效果。在管路布置設(shè)計(jì)中需要預(yù)留工藝裝配空間，如圖5所示，制動(dòng)硬管在布置設(shè)計(jì)過(guò)程中避免制動(dòng)管路與擰緊工具發(fā)生干涉。同時(shí)，對(duì)于下車體布置的長(zhǎng)制動(dòng)硬管，由于管路布置較長(zhǎng)，裝配較為困難，往往會(huì)設(shè)計(jì)制動(dòng)管連接器，將后制動(dòng)硬管分為兩段，有利于制動(dòng)管路安裝。

圖5 制動(dòng)管路布置設(shè)計(jì)工藝校核

2.2 制動(dòng)軟管布置設(shè)計(jì)要求

由于汽車行駛過(guò)程中制動(dòng)軟管存在局部相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此制動(dòng)軟管的布置設(shè)計(jì)需要考慮動(dòng)態(tài)校核。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪處于轉(zhuǎn)向極限位置或車輪處于上下跳動(dòng)極限狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)軟管不應(yīng)與周邊件干涉，也不能緊繃。文中從空間布置和與軟管力學(xué)特性兩方面討論制動(dòng)軟管的布置設(shè)計(jì)。

2.2.1 空間布置

通常情況下，制動(dòng)軟管主要連接制動(dòng)硬管和輪邊制動(dòng)器。前端制動(dòng)軟管通過(guò)支架固定在車身上，后端制動(dòng)軟管主要通過(guò)螺柱與制動(dòng)器卡鉗連接，與制動(dòng)器一起隨著車輪運(yùn)動(dòng)。對(duì)于前驅(qū)車，由于前輪存在轉(zhuǎn)向功能，前制動(dòng)軟管總成通常設(shè)計(jì)成自帶中間支架，通過(guò)中間支架固定在減震器或者轉(zhuǎn)向節(jié)上，如圖6所示。

圖6 前制動(dòng)軟管固定在轉(zhuǎn)向節(jié)和減震器上

制動(dòng)軟管空間布置需結(jié)合動(dòng)態(tài)校核進(jìn)行分析。目前設(shè)計(jì)中主要通過(guò)軟件仿真來(lái)模擬實(shí)車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，主要工況包括懸架系統(tǒng)跳動(dòng)的上極限、中間狀態(tài)、下極限，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的左極限、中間狀態(tài)、右極限工況。在各工況下制動(dòng)軟管布置需要滿足與周邊件不發(fā)生干涉，避免制動(dòng)軟管因干涉而造成磨損，制動(dòng)軟管各種工況下與周邊間隙需滿足設(shè)計(jì)要求(表2)。

表2 制動(dòng)軟管與周邊零件間隙設(shè)計(jì)要求

2.2.2 軟管力學(xué)特性

制動(dòng)軟管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)主要受運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自身特性影響。制動(dòng)軟管主要分為運(yùn)動(dòng)段和固定段，運(yùn)動(dòng)段是指制動(dòng)軟管兩端存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)主要取決于軟管裝配應(yīng)力和最大拉力，如果裝配應(yīng)力和最大拉力過(guò)大，制動(dòng)軟管運(yùn)動(dòng)中拉伸將會(huì)導(dǎo)致過(guò)大塑性變形，嚴(yán)重時(shí)造成軟管斷裂；固定段主要是指制動(dòng)軟管兩端相對(duì)靜止，其長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)取決于制動(dòng)軟管運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最小彎曲半徑，如果最小彎曲半徑過(guò)小，制動(dòng)軟管耐久易出現(xiàn)破損風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，軟管設(shè)計(jì)同時(shí)要考慮相位角參數(shù)，相位角是指制動(dòng)軟管兩端接頭的相對(duì)角度。相位角設(shè)計(jì)合理，有利于裝配時(shí)制動(dòng)軟管處于自然狀態(tài)，可避免裝配受力造成軟管扭曲。表3為制動(dòng)軟管運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性。

表3 制動(dòng)軟管運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性

3 制動(dòng)管路布置設(shè)計(jì)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)影響

制動(dòng)管路布置設(shè)計(jì)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)功能的影響同樣不可忽略。首先，制動(dòng)管路的布置應(yīng)合理選擇制動(dòng)硬管和軟管的長(zhǎng)度，制動(dòng)硬管應(yīng)該減少折彎次數(shù)，這樣可減少液體在管路中流動(dòng)的液體阻力，從而提升制動(dòng)器的響應(yīng)速度；而制動(dòng)軟管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)過(guò)大，在制動(dòng)液建壓過(guò)程中軟管受力將會(huì)膨脹，影響制動(dòng)性能。此外，制動(dòng)管路布置設(shè)計(jì)存在干涉或不牢固，都可能導(dǎo)致制動(dòng)液發(fā)生泄漏，一定程度上將會(huì)影響制動(dòng)效能。在制動(dòng)管路整車實(shí)際布置中由于管路所處空間和環(huán)境限制，制動(dòng)管路在管路布置往往需要綜合考慮多方面影響，合理布置制動(dòng)管路，提升制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效能。

4 結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)管路布置設(shè)計(jì)是制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵布置。文中從空間布置、周邊環(huán)境、固定形式和裝配工藝等多方面進(jìn)行考慮，詳細(xì)介紹了制動(dòng)硬管和制動(dòng)軟管整車布置設(shè)計(jì)。制動(dòng)管路作為傳遞液壓力的主要通道，其布置對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和制動(dòng)性能均起到關(guān)鍵作用。從理論上分析了制動(dòng)管路布置設(shè)計(jì)，有利于指導(dǎo)制動(dòng)管路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。