汽車制動油管疲勞強度分析及其CAE仿真

馬天龍

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津300462)

0 引 言

當(dāng)今中國汽車保有量達(dá) 2.2億輛，汽車已經(jīng)成為日常生活中不可缺少的交通工具，且向著高車速方向發(fā)展[1]，因此汽車的安全性能也越來越受到消費者的重視。汽車的安全性是指汽車本身防止或者減少交通事故的能力，其主要取決于汽車的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，其中良好的制動性能是保證汽車安全行駛的必要條件[2]。

在行駛過程中，汽車零部件受到源于路面的振動輸入，在強烈的交變應(yīng)力作用下，可能會引起早期的疲勞破裂，導(dǎo)致制動液泄漏[3]，制動力無法傳遞到制動器上，剎車功能失效，威脅乘員的生命安全。同時，汽車作為耐用品，使用時間及里程較長，因此保證制動油管的疲勞強度對于保證整車壽命區(qū)間的制動性能有著重要意義。在制動油管布置設(shè)計階段，進(jìn)行提升油管強度的設(shè)計并利用CATIA CAE功能進(jìn)行疲勞強度分析，可以在保證制動油管強度的基礎(chǔ)上有效縮短布置設(shè)計時間。

1 汽車制動油管疲勞強度影響因素概述

影響汽車制動油管疲勞強度的直接因素是內(nèi)部應(yīng)力，即油管變形產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。裝配完成的制動油管變形主要由 2部分組成：裝配變形與路面輸入變形。

1.1 裝配變形

油管連接位置擰緊時，由于摩擦力的存在，螺母會帶動油管本體發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn)，造成油管內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。這種共轉(zhuǎn)現(xiàn)象不可避免，主要發(fā)生在油管連接末端到第一個固定卡扣之間。

1.2 路面輸入變形

由于路況的不確定性，路面輸入導(dǎo)致的油管變形也具有不確定性，且變化范圍很大。汽車在行駛過程中遇到波狀路、深坑等惡劣路況，路面輸入造成油管振動或者形變，產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，造成制動油管疲勞強度下降，甚至有可能發(fā)生共振直接造成油管破裂。

相比于裝配變形產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，由于路面輸入產(chǎn)生較大沖擊時，油管內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力會大幅增加，嚴(yán)重影響疲勞壽命。因此路面輸入變形產(chǎn)生的應(yīng)力是衡量制動油管疲勞強度的重要指標(biāo)。

2 路面輸入對制動油管疲勞強度的影響機(jī)理分析

油管的內(nèi)部應(yīng)力由其形變量決定，在一定的路面輸入下，變形量由油管整體布局剛性決定，影響機(jī)理如下：

布局剛性不足時制動油管整體共振頻率較低，在波狀路行駛?cè)菀桩a(chǎn)生共振，且在制動系統(tǒng)作動時產(chǎn)生的油液脈沖沖擊下，油管擺動幅度較大，造成內(nèi)部應(yīng)力過大，疲勞壽命降低。如果布局剛性過大，油管變形較為困難，在路面輸入較大沖擊時，油管整體無法有效吸收沖擊而造成油管內(nèi)部應(yīng)力過大，疲勞壽命降低。

3 汽車制動油管布局剛性的改善點

汽車制動油管的布置設(shè)計主要包括油管路徑、固定位置2個方面，其影響制動油管布局剛性的主要原理如下。

3.1 油管路徑

在一定布置空間內(nèi)油管自由長度部分折彎數(shù)目較少、形狀簡單時，油管剛性不足，容易變形；反之剛性過大。

3.2 固定位置

固定位置之間的油管自由長度決定了該部分制動油管的布局剛性，油管自由長度過大則剛性不足，反之剛性過大。如圖 1所示，油管固定位置之間的自由長度為曲線總長度，非兩固定點之間的直線長度，即油管固定位置間自由長度為：L＝a+b+c。

基于以上分析，在制動油管布置設(shè)計時應(yīng)充分考慮固定位置及折彎位置、數(shù)量的設(shè)置。合理的布置可以有效提升油管的固有頻率，改善路面輸入下油管的內(nèi)部應(yīng)力，進(jìn)而提升疲勞強度，在壽命區(qū)間保證整車制動安全性能。

圖1 固定位置之間自由長度的示意圖Fig.1 Sketch of free length between fixed positions

4 制動油管疲勞應(yīng)力及共振頻率的 CAE分析

由于車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(VSC)執(zhí)行器自身質(zhì)量較大，其慣性也較大，并且 VSC執(zhí)行器通過橡膠懸置固定于車身支架上。由于懸置襯套的彈性屬性，在路面輸入的影響下，在制動油管與 VSC的連接位置容易產(chǎn)生較大的位移，造成制動油管產(chǎn)生較大形變。因此，VSC執(zhí)行器連接位置的油管疲勞強度應(yīng)作為重點優(yōu)化對象，保證合理的路面輸入變形應(yīng)力。本文運用CATIA CAE分析模塊，對VSC執(zhí)行器位置的制動油管進(jìn)行分析。

建立 CAE分析模型時，除部分約束及載荷不同，變形應(yīng)力分析與共振頻率分析之間可通用模型。

4.1 CAE模型建立

VSC執(zhí)行器附近制動油管 CAE分析建模流程及要點如圖2所示，以某車型為例，建模完成的CAE分析模型如圖3所示。其中圓圈位置為VSC執(zhí)行器重心位置，三角位置為懸置重心位置。

圖2 VSC執(zhí)行器附近油管CAE分析建模流程及要點Fig.2 CAE simulation process and points of brake tubing near VSC actuator

圖3 建模完成的CAE模型及約束情況Fig.3 CAE model and constraints after modeling

4.2 CAE結(jié)果分析

4.2.1 變形應(yīng)力CAE

將CAE分析得到的最大應(yīng)力值與實驗確定的目標(biāo)疲勞應(yīng)力值進(jìn)行對比，若最大應(yīng)力位置大于目標(biāo)應(yīng)力，或者產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，則需要重新修正油管布置，改善內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。若小于目標(biāo)應(yīng)力，且存在一定的設(shè)計余量，則說明該布置滿足設(shè)計要求。

以圖4的CAE應(yīng)力結(jié)果為例，VSC執(zhí)行器位置附近右側(cè)油管的內(nèi)部應(yīng)力分布均勻，且應(yīng)力值較小。但左側(cè)油管內(nèi)部應(yīng)力集中，且應(yīng)力值較大。參考變形應(yīng)力 CAE分析結(jié)果，可以確認(rèn)變形應(yīng)力的集中位置，為方案檢討提供參考依據(jù)。

圖4 VSC執(zhí)行器附件油管在路面沖擊下的應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of brake tubing near VSC actuator under pavement impact

4.2.2 共振頻率CAE分析

進(jìn)行共振頻率的 CAE分析時，由于未充分考慮VSC執(zhí)行器及油管內(nèi)部制動液的影響，端部的約束條件與實際情況也存在一定差異，因此共振頻率的CAE分析結(jié)果存在誤差，進(jìn)行布置設(shè)計時應(yīng)設(shè)定安全余量。

以上述制動配管布局的共振頻率分析結(jié)果為例，如圖 5所示，各階固有頻率均在 25～28Hz。根據(jù)基礎(chǔ)車型的實驗結(jié)果，該部位的 1階共振頻率為28.4Hz。

一般情況下，可根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗或者參考車型共振頻率的實驗結(jié)果，結(jié)合安全率來確定油管固有頻率的設(shè)計目標(biāo)值[4]。若CAE分析值大幅低于設(shè)計目標(biāo)值，需重新修改制動油管布置后再次進(jìn)行共振頻率 CAE分析。

圖5 VSC執(zhí)行器附近油管總成10階固有頻率Fig.5 Ten natural frequency of brake tubing near VSC actuator

5 結(jié) 論

汽車制動油管的疲勞強度對于整車的制動安全性能有著重要影響，在進(jìn)行布置設(shè)計時應(yīng)充分考慮整體布局，以保證油管的剛性在合理范圍內(nèi)，減小路面輸入產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。在進(jìn)行制動配管的布置設(shè)計時，CAE分析結(jié)果具有一定的參考意義，但由于無法充分考慮各種現(xiàn)實因素，CAE分析結(jié)果與整車實驗結(jié)果存在一定差異。應(yīng)當(dāng)充分設(shè)定設(shè)計余量，保證油管疲勞強度滿足設(shè)計要求?！?/p>