基于IPS的制動軟管路徑設(shè)計

謝桃新，王 森

基于IPS的制動軟管路徑設(shè)計

謝桃新，王 森

（福特汽車工程研究（南京）有限公司，江蘇 南京 211100）

汽車制動軟管由于受其自身材料特性決定的彎曲特性，及在整車上受與周邊部件的最小間隙要求、懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的極限運動軌跡等因素影響，可能帶來動靜態(tài)干涉、過度牽扯、過度彎曲疲勞等問題導致管壁磨損、疲勞老化、制動液滲漏，出現(xiàn)制動失效風險，通過基于IPS和三維軟件的制動軟管的靜態(tài)端和運動端的結(jié)構(gòu)及布置設(shè)計校核，實現(xiàn)整車狀態(tài)下制動軟管彎曲路徑到生產(chǎn)狀態(tài)下的制動軟管直管制造的轉(zhuǎn)化，確保通過對制動軟管路徑的合理設(shè)計，達到規(guī)避動靜態(tài)干涉、過度牽扯與過度彎曲帶來的制動失效風險，形成制動軟管的設(shè)計流程，指導制動軟管的合理路徑設(shè)計與優(yōu)化。

制動軟管；IPS；彎曲半徑；松弛度；扭曲度；路徑設(shè)計

當前，整車制動系統(tǒng)以液壓制動系統(tǒng)為主，在液壓制動系統(tǒng)中，制動軟管既承擔著制動液的傳輸又要隨著整車行駛過程中懸架部件的上下跳動和轉(zhuǎn)向部件的左右轉(zhuǎn)動而運動。因此，制動軟管需要具備足夠的強度來承載高壓制動液和一定的柔性來滿足懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動軌跡，其設(shè)計的好壞，直接承擔著制動安全的職責，一旦制動軟管發(fā)生失效，整車的制動能力就會部分或全部喪失，因制動軟管設(shè)計不合理或質(zhì)量不過關(guān)引發(fā)的召回事件也屢見不鮮。本文圍繞制動軟管路徑設(shè)計展開分析，確保制動軟管在各種工作狀態(tài)下，制動軟管的長度、彎曲半徑都能夠滿足設(shè)計要求，避免動靜態(tài)干涉和制動失效。

1 制動軟管結(jié)構(gòu)

1.1 制動軟管總成結(jié)構(gòu)

制動軟管總成一般由制動軟管、軟管接頭和中間支架組成。制動軟管接頭可分為三種類型，與制動硬管相連的接頭稱為內(nèi)絲接頭（接頭形式是內(nèi)螺紋），與制動卡鉗相連的接頭有兩種型式，一種可直接擰入卡鉗端稱為外絲接頭（接頭形式是外螺紋），一種是需通過過油螺栓與卡鉗相連，此制動軟管接頭稱為鉸接式接頭，鉸接式接頭設(shè)計對于制動軟管的路徑設(shè)計更靈活，因此，在汽車軟管設(shè)計中應(yīng)用居多，如圖1所示。

1—內(nèi)絲接頭；2—中間支架；3—Banjo接頭；4—過油螺栓；5—外絲接頭。

1.2 制動軟管結(jié)構(gòu)

制動軟管通常由五層結(jié)構(gòu)組成，從里到外分別為三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM）內(nèi)膠管、編織層、防磨損層或膠織層、編織層及EPDM外膠管[1]，如圖2所示。

按編織層的材料不同，可分為熱塑性聚酯（Polyethylene Terephthalate, PET）軟管和聚乙烯醇（Poly Vinyl Alcohol, PVA）軟管，PET軟管的動態(tài)壽命優(yōu)于PVA軟管，而其常溫的膨脹量大于PVA軟管，如圖3所示。因此，PVA軟管適用于低臌脹率的制動系統(tǒng)[2]，PET軟管則適用于對疲勞壽命要求高的制動系統(tǒng)。

1—EPDM外膠管；2—編織層；3—防磨損層；4—編織層；5—EPDM內(nèi)膠層。

圖3 PET和PVA制動軟管膨脹量對比

2 制動軟管布置形式

一般輪邊制動軟管的上端與制動硬管相連，并固定在車身支架上，下端通過鉸接式管接頭與制動卡鉗相連。根據(jù)輪邊軟管的位置，輪邊制動軟管分前制動軟管與后制動軟管。前制動軟管需要滿足懸架系統(tǒng)的上下跳極限行程與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的左右極限行程，而后制動軟管（非四輪轉(zhuǎn)向車型）僅需要承受懸架的上下跳行程。因此，本文按前制動軟管的布置形式展開設(shè)計分析。由于前制動軟管的工作狀態(tài)較復雜，對于麥弗遜式獨立懸架車輛，一般前制動軟管會增加中間固定點與前減震器、上擺臂或轉(zhuǎn)向節(jié)相連接，此時制動軟管可分為靜態(tài)端與運動端。靜態(tài)端指制動軟管中間支架到鉸接式接頭的一段軟管總成，其隨車輪一起上下和左右運動，可有效地防止制動軟管與車輪的相關(guān)零部件的干涉。運動端是從車身支架到中間支架這一段軟管總成，其一端與車身連接，相對靜止，另一端與懸架相連，隨懸架一起運動。如圖4所示。

2.1 制動軟管靜態(tài)端的設(shè)計

基于制動軟管靜態(tài)端與周邊件無相對運動關(guān)系，其設(shè)計較為簡單。僅需要靜態(tài)地考慮與周邊件的距離、裝配后制動軟管的扭曲度及制動軟管的彎曲半徑。一般要求制動軟管靜態(tài)端與周邊靜止件的最小距離為5 mm，當與周邊靜止件的距離小于5 mm時，可考慮加防護套。制動軟管靜態(tài)端與周邊運動件的間隙要求則與制動軟管動態(tài)端與周邊運動件的間隙要求相一致（見章節(jié)2.2）。制動軟管的扭曲度是指制動軟管在裝配后，若軟管兩端的兩接頭位置設(shè)計不當，軟管就存在扭曲現(xiàn)象，在IPS軟件中，可以根據(jù)制動軟管外表面軸向的色標線進行檢查，如圖5所示，一般要求扭曲度小于90°。除了軟管的相對扭曲度，制動軟管的彎曲半徑也會降低其使用壽命，制動軟管外圓最小彎曲半徑需大于等于25 mm[4]。

圖5 制動軟管的軸向色標線

2.2 制動軟管動態(tài)端的設(shè)計

制動軟管按布置形式可分為兩種，一種是制動軟管布置在車身支架上方（圖6(a)），一種是制動軟管布置在車輛支架的下方（圖6(b)）。兩種布置形式基于輪邊的周邊環(huán)境，若上方周邊間隙大，則制動軟管布置在車身支架的上方，若下方周邊間隙大，則制動軟管布置在車身支架的下方。當兩者均可布置的情況下，優(yōu)先考慮將制動軟管布置在下方，有利于卡簧的裝配及檢查是否漏裝或錯裝。

圖6 制動軟管的布置形式

當布置型式確定后，進行制動軟管的路徑設(shè)計，以前制動軟管為例，其制動軟管的路徑需要滿足懸架及轉(zhuǎn)向6個極限運動狀態(tài)要求，即懸架上跳左轉(zhuǎn)極限、懸架上跳右轉(zhuǎn)極限、懸架設(shè)計狀態(tài)下的左轉(zhuǎn)極限、懸架設(shè)計狀態(tài)下的右轉(zhuǎn)極限、懸架上跳的左轉(zhuǎn)極限和懸架下跳的左轉(zhuǎn)極限。

（1）制動軟管的松弛度要求。在極限狀態(tài)下，制動軟管在中間位置處可在直徑為60 mm圓內(nèi)自由繞圈，如圖7(a)所示。

圖7 軟管松弛度及彎曲半徑要求

（2）制動軟管的外圓彎曲半徑要求。彎曲半徑不小于25 mm，同時，液壓制動軟管的循環(huán)次數(shù)隨著彎曲半徑的增大而增加[4]，如圖7(b)所示。

（3）制動軟管在極限位置下與周邊件的極限要求。當周邊件是旋轉(zhuǎn)件時（如驅(qū)動半軸，車輪等），最小間隙需大于20 mm；當周邊件是非旋轉(zhuǎn)件時，最小間隙需大于15 mm；對于周邊件是熱源體時（如排氣管），其最小間隙需控制在150 mm以上。

為了滿足以上要求，借助于IPS軟件來完成制動軟管路徑的設(shè)計。通過導入軟管周邊件的三維數(shù)模，懸架轉(zhuǎn)向運動的軌跡文件和輸入制動軟管的性能參數(shù)[3]來模擬軟管的路徑軌跡，以此監(jiān)測制動軟管與周邊件的間隙、制動軟管運動的彎曲半徑及制動軟管拉伸量。其中，制動軟管的性能參數(shù)包括管子的幾何參數(shù)（內(nèi)徑、外徑、長度等）、材料密度、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及拉伸剛度。不同配方的制動軟管，其性能參數(shù)不一致，需要進行試驗得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，以保證模擬出來的理論值與實際裝車狀態(tài)相一致。

用IPS模擬得出的制動軟管與周邊件的間隙圖如圖8所示。其橫坐標為軟管運行的步數(shù)（不同步數(shù)相對應(yīng)于懸架及轉(zhuǎn)向的不同運動狀態(tài)）, 縱坐標為制動軟管與周邊的間隙。所示曲線可清晰地顯示整個懸架及轉(zhuǎn)向在運行周期中，制動軟管與相應(yīng)的周邊件的間隙隨著光標的移動，得出軟管在不同的工作位置與相應(yīng)周邊件的具體間隙值。當測量的最小間隙值滿足設(shè)計要求時，則軟管在整個運動周期中，所有間隙均滿足。當間隙值不滿足要求時，對于周邊件為非旋轉(zhuǎn)件時，可以通過在相應(yīng)的制動軟管外表面增加一至三個護套，調(diào)整護套的長度和位置均可改變與周邊件的間隙值，對于加護套處與周邊件的最小間隙值可以放寬至10 mm。而對于周邊件是旋轉(zhuǎn)件時，在制動軟管外表面增加護套是無效的，必須通過調(diào)整管接頭的安裝位置及管接頭的形狀來增加與旋轉(zhuǎn)件的間隙。

圖8 制動軟管與周邊間隙值的監(jiān)測值

對于制動軟管的松弛度，可以通過監(jiān)測制動軟管在極限位置下的變形量，當變形量大于1 mm時，即可判斷制動軟管存在被拉伸的風險。此時需要相應(yīng)加長制動軟管的長度，加長后的制動軟管需要重新監(jiān)測與周邊件的間隙值。

對于制動軟管的彎曲半徑，如圖9所示，其橫坐標為軟管運行的步數(shù)，縱坐標是軟管運行過程中的彎曲半徑，但是其僅能監(jiān)測軟管中心軸線的彎曲半徑，而要求值是軟管外圓的彎曲半徑，因此，監(jiān)測到的中心軸線的彎曲半徑應(yīng)加上外圓的半徑，如直徑為φ10.2的管子，則軟管外圓的彎曲半徑則是中心軸線的彎曲半徑加上5.1 mm。當軟管的彎曲半徑不滿足要求時，則需要調(diào)整管接頭的安裝位置及管接頭的形狀來改變彎曲半徑。

圖9 制動軟管中心軸線彎曲半徑的監(jiān)測值

在IPS軟件中，通過調(diào)整軟管的長短、管接頭的位置及管接頭的形狀，持續(xù)地監(jiān)測制動軟管的周邊間隙、制動軟管的彎曲半徑及其松弛度，最終得出滿足要求的制動軟管路徑方案。

2.3 制動軟管路徑方案轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)的直管狀態(tài)

基于制動軟管路徑方案轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)需要的直管狀態(tài)，不僅涉及到長度的轉(zhuǎn)化，還涉及到兩端接頭的相對角度的轉(zhuǎn)化。此轉(zhuǎn)化可以通過三維軟件進行，例如通過CATIA軟件對軟管模型進行拉直等。制動軟管的設(shè)計完成后，按照直管狀態(tài)進行樣件的生產(chǎn)。

3 制動軟管實物驗證

首先，在模擬懸架極限狀態(tài)下的夾具上（如圖10所示）驗證制動軟管的松弛度和彎曲半徑，并將管子進行三維掃描，生成點云數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成part文件，導入到整車三維模型中，監(jiān)測制動軟管與周邊件的間隙。通過夾具的實物驗證，對IPS數(shù)據(jù)進行校準，從而提升IPS的輸出結(jié)果的精準性。

圖10 模擬懸架極限位置的夾具

其次，制動軟管在整車上進行實車驗證，對于制動軟管的試驗樣件，可根據(jù)軟管的長度公差和接頭的角度公差，選擇長度最大與角度最大、長度最大與角度最小、長度最小與角度最大及長度最小與角度最小四種狀態(tài)。為了達到懸架的上下跳極限，整車上的彈簧需要拆除，減震器需要讓廠家特制。在整車驗證時，測量的工具有：制動軟管周邊的間隙可以用直尺、錐形塞尺測量；制動軟管的彎曲半徑可以用半徑規(guī)測量；制動軟管的松弛度可以用內(nèi)徑為60 mm的圓環(huán)測量。如圖11所示。

將實車上制動軟管在懸架及轉(zhuǎn)向極限狀態(tài)下的測量數(shù)據(jù)進行記錄，并與設(shè)計要求值進行對比，從而得出其軟管的設(shè)計符合性。經(jīng)多個項目的驗證，IPS模擬的軟管方案與實車軟管狀態(tài)一致性達到90%以上。對于個別不符合項，可以現(xiàn)場通過調(diào)整軟管的長短或增加護套來滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

基于以上分析，得出以下結(jié)論：

（1）制動軟管是柔性件，其運動軌跡無法進行定性設(shè)計，可依據(jù)軟管的性能參數(shù)，在IPS系統(tǒng)中進行模擬設(shè)計滿足實車要求。

（2）制動軟管的設(shè)計流程如圖12所示。

圖12 制動軟管開發(fā)流程

（3）制動軟管路徑優(yōu)化原則：

當軟管與非旋轉(zhuǎn)件周邊件間隙小時，可在軟管外表面增加護套；當軟管與旋轉(zhuǎn)件周邊件間隙大時，可以調(diào)整管接頭的安裝位置及管接頭的形狀；

當制動軟管松弛度不滿足要求時，需要增加制動軟管的長度；

當制動軟管彎曲半徑<25 mm時，需要調(diào)整管接頭的安裝位置及管接頭的形狀。

[1] 黃德銀,崔洋,劉奇峰.液壓制動軟管設(shè)計探討[J].汽車零部件,2019(10):75-77.

[2] 劉建,崔洋,羅旋,等.汽車液壓制動軟管的壽命優(yōu)化[J].汽車零部件,2020(1):37-41.

[3] 王鑫,王浩.某型轎車制動軟管分析優(yōu)化[J].汽車實用技術(shù),2017,42(10):207-208,230.

[4] 康鑫,符壽康,任建民,等.彎曲半徑對液壓制動軟管使用壽命的影響[J].橡膠科技,2020,18(6):316-318.

[5] 王佩山.液壓制動軟管材料及耐腐蝕性分析[J].電動自行車,2016(10):46-47.

[6] 趙薇,于自強.關(guān)于汽車制動軟管失效原因的研究[J].中外交流,2021,28(10):1277-1278.

The Brake Hose Routing Design Based on IPS

XIE Taoxin, WANG Sen

( Ford Motor Research & Engineering (Nanjing) Company Limited, Nanjing 211100, China)

Due to the bending characteristics determined by the material, the minimum clearance requirements with surrounding parts on the vehicle, and the extreme motion trajectory of the suspension and steering system, etc., the automobile brake hose may meet dynamic and static interference, excessive involvement, excessive bending fatigue and other problems, which leads to hose wear, fatigue aging, brake fluid leakage, even the risk of brake failure. Through the structure and layout design check of the static end and the moving end of the brake hose based on IPS and three-dimensional software, the transformation of the bending path of the brake hose in the vehicle state to the straight pipe manufacturing of the brake hose in the production state was realized, and the reasonable design of the brake hose path was ensured to avoid the risk of brake failure caused by dynamic and static interference, excessive involvement and excessive bending. This will also form the design process of the brake hose and guide the robust routing design and optimization of the brake hose.

Brake hose;IPS;Bending radius;Slackness;Torsion resistance;Routing design

U463

B

1671-7988(2022)23-104-05

U463

B

1671-7988(2022)23-104-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.019

謝桃新（1981—），高級工程師，研究方向為制動設(shè)計，E-mail:79971622@qq.com。