汽車軟管的一般選型原則

劉懷現(xiàn)，馮 剛，張崇森

（1.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；2.山東美晨工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 諸城 262200）

軟管是一種使用骨架增強(qiáng)的、柔軟的橡膠制品，其將材料或能量從一個(gè)點(diǎn)輸送至另一個(gè)點(diǎn)。軟管是管路系統(tǒng)的重要部件，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、石油、化工、摩托車等領(lǐng)域。汽車軟管是汽車各管路系統(tǒng)中的重要連接部件，承擔(dān)著緩沖振動和吸收裝配誤差的作用。

汽車軟管的材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、工作介質(zhì)、增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)、空間形狀、裝配方式和使用方式對軟管的性能、使用壽命和配套設(shè)備的安全性及可靠性有著極大影響。汽車設(shè)計(jì)相關(guān)人員應(yīng)對軟管的種類和結(jié)構(gòu)全面了解，在實(shí)際工作中選材恰當(dāng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、裝配得當(dāng)，避免配套設(shè)備使用過程出現(xiàn)異常。若軟管的使用壽命不能達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，會導(dǎo)致頻繁檢修、材料浪費(fèi)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。

隨著汽車發(fā)動機(jī)艙的零件布置越來越緊湊，汽車軟管的種類和使用的材料（橡膠、塑料和增強(qiáng)層材料等）種類越來越多，其所處工作環(huán)境也越來越惡劣，技術(shù)要求越來越高。因受橡膠材料、增強(qiáng)層材料和增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的影響，不同工藝軟管的承壓能力和成本差別較大。因此，應(yīng)了解汽車軟管的基本性能，正確地選擇、安裝和使用，以避免非預(yù)期質(zhì)量問題的發(fā)生。

1 汽車軟管結(jié)構(gòu)

汽車軟管的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。最里層是內(nèi)襯層，用于接觸被輸送的材料。內(nèi)襯層材料，無論是橡膠還是塑料，都必須與輸送的物料有良好的不相容性。內(nèi)襯層材料和厚度取決于預(yù)期用途。內(nèi)襯層外為增強(qiáng)層，由金屬（網(wǎng)或絲）、聚合物和/或織物覆蓋物組成，使軟管能夠承受內(nèi)部和外部的壓力和損害。最外層是外覆層，需要采用耐候型的合成橡膠制成，保護(hù)增強(qiáng)層，避免增強(qiáng)層暴露于環(huán)境、流體污染和物理損害而發(fā)生損壞。在某些軟管中，增強(qiáng)層也可以作為外覆層。

2 增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)層是軟管承壓的部分，要求具有較高的剛度和強(qiáng)度[4]。常用的增強(qiáng)織物包括棉纖維、聚酯纖維、芳綸纖維和人造絲等。增強(qiáng)層決定軟管承壓能力，按照承壓能力要求不同，可以采用編織（單層或多層編織）結(jié)構(gòu)、纏繞結(jié)構(gòu)、針織結(jié)構(gòu)和夾布結(jié)構(gòu)（見圖2）。在相同層數(shù)、規(guī)格、材質(zhì)條件下，承壓能力從大到小順序?yàn)榫幙椊Y(jié)構(gòu)、纏繞結(jié)構(gòu)、針織結(jié)構(gòu)（夾布結(jié)構(gòu)基本無單層，不參與排序）。

針織軟管采用不同的針織結(jié)構(gòu)，其承受壓力的能力也不相同。針織軟管在軸向單位長度內(nèi)承受徑向壓力的紗線根數(shù)越多，其徑向承受的負(fù)荷越大，爆破壓力也越大。與編織、纏繞增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)相比，針織網(wǎng)花伸縮性較大，導(dǎo)致同規(guī)格針織軟管的爆破壓力最小，相同壓力下其外徑膨脹率最大。

3 汽車軟管分類

汽車軟管是汽車各子系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，品種主要包括汽車?yán)鋮s及加熱系統(tǒng)軟管、汽車燃油系統(tǒng)軟管、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)軟管、汽車制動系統(tǒng)軟管、汽車空調(diào)系統(tǒng)軟管、汽車進(jìn)氣系統(tǒng)軟管、汽車變速箱油冷系統(tǒng)軟管和汽車車身附件系統(tǒng)軟管[5]。

汽車?yán)鋮s與加熱系統(tǒng)軟管主要包含汽車水箱、暖風(fēng)機(jī)、副水箱、散熱器的連接管路，其一般采用耐高溫、耐防凍液的合成橡膠[以三元乙丙橡膠（EPDM）為主]，工作介質(zhì)是防凍液。為解決低溫滲漏問題，汽車廠對橡膠低溫壓縮永久變形的要求越來越嚴(yán)格。

汽車燃油系統(tǒng)軟管包含油泵、燃油濾清器、發(fā)動機(jī)和尾氣處理之間的連接管路。其主要由耐燃油滲透的合成橡膠、復(fù)合樹脂或合成橡膠與樹脂的共聚物加上增強(qiáng)層構(gòu)成，主要工作介質(zhì)是汽油或柴油。為滿足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，汽車廠對燃油系統(tǒng)軟管的燃油流經(jīng)滲透量的要求越來越嚴(yán)格。

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)軟管包含儲油杯（油壺）、助力轉(zhuǎn)向泵、助力轉(zhuǎn)向器的連接管路。其一般由耐高溫、耐屈撓的合成橡膠和耐高壓增強(qiáng)層構(gòu)成，軟管兩端與碳鋼或不銹鋼金屬管路連接，工作介質(zhì)為液壓油（動力轉(zhuǎn)向油）。

汽車制動系統(tǒng)軟管主要包含離合器總泵、真空助力器、制動分泵和空氣壓縮泵的連接管路。其一般由烯烴類合成橡膠、尼龍樹脂及帶有金屬接頭的碳鋼管等構(gòu)成。工作介質(zhì)主要為制動液或壓縮空氣。目前制動液的主要牌號是DOT3或DOT4。

汽車空調(diào)系統(tǒng)軟管主要包含空調(diào)散熱器、冷凝器、干燥罐的連接管路。其一般為純橡膠軟管或橡膠/樹脂復(fù)合軟管，有時(shí)與碳鋼或輕合金管路組合成總成件，主要工作介質(zhì)是空調(diào)冷媒。目前主流的冷媒為1，1，1，2-四氟乙烷（R134a）、四氟丙烯（R1234YF）和二氧化碳等。

汽車進(jìn)氣系統(tǒng)軟管主要包括空濾器、渦輪增壓器、中冷器、發(fā)動機(jī)、曲軸通風(fēng)箱之間的連接管路。不同位置的軟管工作溫度差異較大。工作介質(zhì)為高溫、中壓的油氣混合氣、空氣。

汽車油冷系統(tǒng)軟管主要為自動變速箱、變速箱散熱器之間的連接管路，主要工作介質(zhì)是高溫、高壓的變速箱潤滑油。

4 一般選型原則

應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)和安裝位置而選擇合適的軟管、鏈接和軟管總成，并考慮軟管的尺寸、軟管的工作溫度（環(huán)境溫度及介質(zhì)溫度）、系統(tǒng)工作壓力和系統(tǒng)介質(zhì)種類等因素。

4.1 軟管尺寸

為了使介質(zhì)保持適當(dāng)?shù)牧髁亢土魉?，軟管的?nèi)徑選擇非常重要。軟管內(nèi)徑過小會造成介質(zhì)流速過快，內(nèi)徑過大會造成管內(nèi)壓力達(dá)不到要求。由于不同軟管總成的端口尺寸有差異，許多軟管需要設(shè)置變徑。針織軟管和夾布軟管的變徑利用軟管模具實(shí)現(xiàn)。針織軟管的變徑率一般不大于30%；夾布軟管的變徑率不受限制，但是考慮對流速和壓力的影響，變徑率不能過大；編織軟管和纏繞軟管受增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的影響，變徑率一般建議不超過10%，過大的變徑率可以利用扣壓接頭實(shí)現(xiàn)。

4.2 工作溫度

軟管的工作溫度范圍由介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度決定。無論是正常使用溫度還是瞬時(shí)使用溫度，都不能超過軟管的工作溫度極限，否則軟管性能會降低，縮短軟管使用壽命[6-9]。

不同橡膠材料的適應(yīng)溫度范圍如表1所示。

表1 不同橡膠材料的適用溫度范圍 ℃

汽車軟管工作溫度不僅需要考慮膠料的耐熱性能，還需要考慮增強(qiáng)層的耐熱性能，如聚酯纖維不能在高于150 ℃的環(huán)境中長期使用。

4.3 使用條件

由于汽車用異型軟管對性能要求的多樣性，軟管可選擇的橡膠品種越來越多，并要求不斷出現(xiàn)新材料，以滿足高性能的需要。選擇汽車軟管時(shí)，了解產(chǎn)品的應(yīng)用目的是非常重要的，包括產(chǎn)品安裝的總成所屬系統(tǒng)或安裝位置。如汽車軟管在冷卻系統(tǒng)還是燃油系統(tǒng)使用，使用條件直接決定汽車軟管的橡膠材料和增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)選擇。

在選擇橡膠材料時(shí)，不僅需要考慮滿足使用要求的技術(shù)條件，還要考慮其加工工藝性、經(jīng)濟(jì)性和成本。汽車軟管大多安裝在發(fā)動機(jī)或散熱器周圍，隨著整車機(jī)艙內(nèi)布置越來越緊湊，不同零件間的間距也越來越小，由100 mm減小至15 mm。在汽車發(fā)動之后，發(fā)動機(jī)周圍環(huán)境溫度迅速升高，軟管所需承受溫度也不斷上升，在高溫條件下，軟管的耐油和耐熱性能下降，加速軟管的老化，縮短其使用壽命。現(xiàn)代汽車對軟管提出了新的要求，主要是由于發(fā)動機(jī)周邊溫度的提高、高芳烴無鉛燃料應(yīng)用和乙醇改性和其他添加劑加入燃料的應(yīng)用。因此，汽車軟管的使用條件，除要求耐特定介質(zhì)外，還要求極好的耐熱老化性能及在受力狀態(tài)下的耐動態(tài)臭氧老化性能。

4.4 工作介質(zhì)

工作介質(zhì)是指軟管輸送的物料，如液態(tài)石油基油類、植物油、有機(jī)溶劑、酸堿液或其混合物，狀態(tài)分為液體、氣體。介質(zhì)的性能及狀態(tài)決定著軟管內(nèi)襯層的耐介質(zhì)和耐摩擦性能。根據(jù)不同介質(zhì)可選用適合的橡膠品種和配方設(shè)計(jì)。如選擇不合適，會導(dǎo)致內(nèi)襯層溶脹、脫落，從而造成配套設(shè)備故障。明確了工作介質(zhì)，軟管的材質(zhì)就有一個(gè)明確的界定。如輸送冷卻液的軟管，應(yīng)選擇水管材質(zhì)與其匹配。如輸送特殊化學(xué)品等，則需要根據(jù)橡膠材料對于化學(xué)品的耐受程度慎重選擇。常用橡膠材料的耐介質(zhì)性能對比如表2所示。

表2 常用橡膠的耐介質(zhì)性能對比

4.5 工作壓力

工作壓力是軟管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，其最小推薦工作壓力不得小于最大系統(tǒng)壓力，壓力瞬時(shí)峰值也須評估。冷卻系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)用橡膠軟管的爆破壓力一般是最大工作壓力的3～4倍，試驗(yàn)壓力是最大工作壓力的1.33倍；燃油系統(tǒng)用橡膠軟管和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用高壓橡膠軟管的爆破壓力一般是最大工作壓力的5～10倍，試驗(yàn)壓力是最大工作壓力的2倍。汽車軟管的一般工作壓力、試驗(yàn)壓力和爆破壓力要求如表3所示。

表3 汽車軟管的壓力要求 MPa

4.6 空間形狀

汽車軟管在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中受空間因素的影響，針織軟管的形狀更容易設(shè)計(jì)為各種復(fù)雜形狀。但從軟管性能考慮，軟管中心線夾角不應(yīng)小于90°，夾角越小，在流體輸送過程中形成的流體沖擊和壓降就會越大。

5 結(jié)語

綜上所述，汽車軟管的選擇原則為：根據(jù)外部工作環(huán)境及與內(nèi)襯層粘合要求選擇軟管外覆層橡膠材料及其配方設(shè)計(jì)；根據(jù)所輸送介質(zhì)選擇軟管內(nèi)襯層材料及其配方設(shè)計(jì)；根據(jù)使用條件選擇軟管端部連接結(jié)構(gòu)（如扣壓結(jié)構(gòu)、快插結(jié)構(gòu)和卡箍結(jié)構(gòu)等）形式，其中扣壓結(jié)構(gòu)適用于高壓條件下使用，雙耳彈性卡箍結(jié)構(gòu)適合低壓條件下使用；根據(jù)工作條件（如設(shè)計(jì)工作壓力、環(huán)境溫度、工作溫度、振動振幅及頻率）選擇軟管增強(qiáng)層材料，確定軟管增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和最小爆破壓力；根據(jù)接頭配合方式確定軟管內(nèi)徑，選擇安全使用的最小彎曲半徑。如軟管選擇嚴(yán)格按照上述程序進(jìn)行，就可以保證軟管選擇合理、使用安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，可取得較好效果，避免非預(yù)期失效問題的產(chǎn)生，保障配套裝備的安全使用。