液壓制動軟管疲勞耐久性能研究

張曉太，宋亞平，劉順橋，徐 興

（南京利德東方橡塑科技有限公司，江蘇 南京 211500）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車已逐漸走進千家萬戶，成為人們重要的出行工具。汽車的行車安全越來越被人們所重視，而行車安全與車輛的制動性能密不可分。液壓制動軟管作為車輛制動系統(tǒng)中重要的零部件之一，其性能直接影響到車輛的制動性能，從而決定了車輛的行車安全，其中液壓制動軟管的疲勞耐久性能尤為重要。

汽車在行駛過程中，懸架的上下跳動和轉向會使制動軟管發(fā)生抖動、拉伸和扭轉等現(xiàn)象，導致制動軟管發(fā)生屈撓疲勞失效[1]。我國現(xiàn)行的制動軟管國家標準GB 16897—2022《制動軟管的結構、性能要求及試驗方法》中規(guī)定了屈撓疲勞試驗的方法和要求。而現(xiàn)在越來越多的汽車主機廠在企業(yè)標準中規(guī)定，除了國家標準要求的屈撓疲勞試驗外，為了快速驗證制動軟管在生命周期內的疲勞耐久性能，還要在臺架上進行模擬實車耐久試驗，根據(jù)實車懸架的跳動行程和車輪轉向角度，設定模擬臺架的跳動行程和轉向角度[2]。

液壓制動軟管由軟管和金屬接頭組成，軟管和金屬接頭之間通過鉚壓作用連接到一起。軟管由3層橡膠層和2層纖維編織層組成[3-5]，如圖1所示。影響液壓制動軟管耐久性能的因素很多，比如金屬接頭鉚壓強度、最小彎曲半徑、環(huán)境溫度、編織層材料等[6]。

圖1 液壓制動軟管結構示意

本工作通過模擬實車耐久試驗和屈撓疲勞耐久試驗，研究不同的編織層材料和中層膠厚度對液壓制動軟管疲勞耐久性能的影響。

1 實驗

1.1 樣件

Φ3.2 mm液壓制動軟管及總成（見圖2），南京利德東方橡塑科技有限公司產品；金屬接頭，寧波市鄞州亞大汽車管件有限公司產品。

圖2 液壓制動軟管總成

液壓制動軟管結構參數(shù)如表1所示，其中PET為聚酯，PVA為維綸。

表1 液壓制動軟管的結構參數(shù)

1.2 主要設備和儀器

Φ40 mm小開口扣壓機，南京明偉機電科技有限公司產品；模擬實車耐久試驗臺和屈撓疲勞試驗機，滁州奧特汽車裝備有限公司產品；Eagle M型影像測量機，七海測量技術（深圳）有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 模擬實車耐久試驗

模擬實車耐久試驗按照某車型的懸架跳動行程和轉向角度設定設備參數(shù)，將液壓制動軟管A和D安裝在模擬實車耐久試驗臺上，試驗直至軟管破裂，記錄振動次數(shù)，每組3個平行樣。試驗條件設定如下。

（a）環(huán)境溫度：（100±2） ℃。

（b）脈沖壓力：0～10 MPa。

（c）液壓循環(huán)周期如圖3所示。

圖3 液壓循環(huán)周期示意

（d）振動和轉向周期：100 次·min-1

（e）振動方式：上下跳動、左右轉動同時進行，液壓制動軟管運動端從最左上方往右下方向運動，直至到達最右下方，然后開始往左上方向運動，直至到達最左上方，這個過程為1個循環(huán)，之后進行循環(huán)往復運動。振動方式如圖4所示。

圖4 液壓制動軟管振動方式示意

1.3.2 屈撓疲勞耐久試驗

屈撓疲勞耐久試驗按照GB 16897—2022進行，將液壓制動軟管A，B，C安裝在屈撓疲勞試驗機上，直到軟管破裂，記錄屈撓疲勞壽命。

2 結果與討論

2.1 模擬實車耐久試驗

液壓制動軟管模擬實車耐久試驗失效模式如圖5所示。

圖5 液壓制動軟管模擬實車耐久試驗失效模式

從圖5可以看出，液壓制動軟管的失效模式為靠近運動端的接頭處外層膠破裂，從破裂口處可以看到編織線有損傷，呈斷裂狀態(tài)。

液壓制動軟管A和D破裂時振動次數(shù)見表2。

表2 模擬實車耐久試驗中液壓制動軟管的振動次數(shù)

從表2可以看出，在相同試驗條件下，液壓制動軟管A的振動次數(shù)約為液壓制動軟管D的3倍。這說明相比于采用PVA線，編織層材料采用PET線時，液壓制動軟管的模擬實車疲勞耐久性能更優(yōu)異。

為了探究液壓制動軟管在實車疲勞耐久試驗中的失效機理，對耐久試驗后的軟管進行解剖分析，如圖6所示。

圖6 失效液壓制動軟管解剖

從圖6可以看出，液壓制動軟管由內到外各層均有破裂口（紅色圓圈內）。液壓制動軟管主要由編織層來承受管路壓力，軟管在模擬實車耐久試驗運動過程中，每層編織層之間以及每層編織層內的編織線之間產生摩擦，編織線由于摩擦作用受到磨損，強度逐漸下降。當編織線強度無法承受管路內的壓力時遭到破壞。進而液壓制動軟管受到脈沖壓力的加壓作用后，內層膠因無法承受急速上升的壓力而破裂，隨后制動液突破編織線夾層與外層膠，最終使液壓制動軟管爆裂。

對爆裂的液壓制動軟管的編織線進行拆解，如圖7所示，可見編織線有整根斷裂現(xiàn)象，且破裂口部位編織線受損嚴重。

圖7 編織線拆解

分別將破裂口部位及其附近的編織線放在影像測量機下進行觀察，編織線投影如圖8所示。從圖8可以看出，破裂口部位的編織線呈斷裂狀態(tài)，且編織線起毛嚴重，而未破裂部位的編織線也有起毛，但只是輕微的狀態(tài)。這說明液壓制動軟管運動過程中，編織線之間相互摩擦而磨損起毛，當編織線強度下降到無法承受管路壓力時，編織線斷裂從而導致液壓制動軟管發(fā)生爆裂。

圖8 編織線投影

為探究PET液壓制動軟管疲勞耐久性能優(yōu)于PVA液壓制動軟管的原因，通過編織線磨損試驗進行驗證，如圖9所示。將編織線安裝在試驗設備上，通過上下往復運動，使編織線在交叉部位相互摩擦，當編織線斷裂時記錄磨損次數(shù)。

圖9 編織線磨損試驗

試驗結果表明，PET和PVA編織線斷裂時的磨損次數(shù)分別為3.7×104和1.01×104。PET線的磨損次數(shù)為PVA線的3.66倍。由此可知，PET線的耐磨性能更加優(yōu)異，該結果與軟管模擬實車耐久試驗結果一致，這也是編織層采用PET線的軟管具有更加優(yōu)異的疲勞耐久性能的原因。

2.2 屈撓疲勞耐久試驗

將液壓制動軟管A，B，C進行屈撓疲勞耐久試驗，直到軟管失效破裂，測得其屈撓疲勞壽命分別為473，415和251 h。由此可以看出：隨著中層膠厚度減小，液壓制動軟管的屈撓疲勞壽命縮短；當中層膠厚度由0.2 mm減至0.1 mm時，屈撓疲勞壽命縮短了12%；相比0.2 mm厚的中層膠液壓制動軟管，不使用中層膠時屈撓疲勞壽命下降幅度達到47%。這表明中層膠厚度對制動軟管的屈撓疲勞耐久性能有極大的影響。

綜上所述，液壓制動軟管在疲勞耐久試驗中失效的主要原因是由于編織線相互摩擦受損，最終編織線強度無法承受管路內壓力。中層膠填充在編織層之間的空隙中，起到了很好的緩沖作用，減少了編織線之間的摩擦，從而提高了液壓制動軟管的屈撓疲勞耐久性能。

3 結論

（1）液壓制動軟管在疲勞耐久試驗中失效的主要原因是編織線相互摩擦受損，強度無法承受管路內壓力。

（2）在相同的使用工況下，與編織層采用PVA線相比，編織層采用PET線時液壓制動軟管的疲勞耐久性能更加優(yōu)異。因此在液壓制動軟管的使用工況較為苛刻時，如彎曲半徑小、扭轉角度大的情況下，為了保證軟管的疲勞耐久性能，滿足行車安全，建議采用編織層材料為PET線的液壓制動軟管。

（3）液壓制動軟管在兩層編織層之間設計一定厚度的中層膠，可以提高軟管的屈撓疲勞耐久性能。