谢桃新，王 森

基于IPS的制动软管路径设计

谢桃新，王 森

（福特汽车工程研究（南京）有限公司，江苏 南京 211100）

汽车制动软管由于受其自身材料特性决定的弯曲特性，及在整车上受与周边部件的最小间隙要求、悬架及转向系统的极限运动轨迹等因素影响，可能带来动静态干涉、过度牵扯、过度弯曲疲劳等问题导致管壁磨损、疲劳老化、制动液渗漏，出现制动失效风险，通过基于IPS和三维软件的制动软管的静态端和运动端的结构及布置设计校核，实现整车状态下制动软管弯曲路径到生产状态下的制动软管直管制造的转化，确保通过对制动软管路径的合理设计，达到规避动静态干涉、过度牵扯与过度弯曲带来的制动失效风险，形成制动软管的设计流程，指导制动软管的合理路径设计与优化。

制动软管；IPS；弯曲半径；松弛度；扭曲度；路径设计

当前，整车制动系统以液压制动系统为主，在液压制动系统中，制动软管既承担着制动液的传输又要随着整车行驶过程中悬架部件的上下跳动和转向部件的左右转动而运动。因此，制动软管需要具备足够的强度来承载高压制动液和一定的柔性来满足悬架和转向系统的运动轨迹，其设计的好坏，直接承担着制动安全的职责，一旦制动软管发生失效，整车的制动能力就会部分或全部丧失，因制动软管设计不合理或质量不过关引发的召回事件也屡见不鲜。本文围绕制动软管路径设计展开分析，确保制动软管在各种工作状态下，制动软管的长度、弯曲半径都能够满足设计要求，避免动静态干涉和制动失效。

1 制动软管结构

1.1 制动软管总成结构

制动软管总成一般由制动软管、软管接头和中间支架组成。制动软管接头可分为三种类型，与制动硬管相连的接头称为内丝接头（接头形式是内螺纹），与制动卡钳相连的接头有两种型式，一种可直接拧入卡钳端称为外丝接头（接头形式是外螺纹），一种是需通过过油螺栓与卡钳相连，此制动软管接头称为铰接式接头，铰接式接头设计对于制动软管的路径设计更灵活，因此，在汽车软管设计中应用居多，如图1所示。

1—内丝接头；2—中间支架；3—Banjo接头；4—过油螺栓；5—外丝接头。

1.2 制动软管结构

制动软管通常由五层结构组成，从里到外分别为三元乙丙橡胶（Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM）内胶管、编织层、防磨损层或胶织层、编织层及EPDM外胶管[1]，如图2所示。

按编织层的材料不同，可分为热塑性聚酯（Polyethylene Terephthalate, PET）软管和聚乙烯醇（Poly Vinyl Alcohol, PVA）软管，PET软管的动态寿命优于PVA软管，而其常温的膨胀量大于PVA软管，如图3所示。因此，PVA软管适用于低臌胀率的制动系统[2]，PET软管则适用于对疲劳寿命要求高的制动系统。

1—EPDM外胶管；2—编织层；3—防磨损层；4—编织层；5—EPDM内胶层。

图3 PET和PVA制动软管膨胀量对比

2 制动软管布置形式

一般轮边制动软管的上端与制动硬管相连，并固定在车身支架上，下端通过铰接式管接头与制动卡钳相连。根据轮边软管的位置，轮边制动软管分前制动软管与后制动软管。前制动软管需要满足悬架系统的上下跳极限行程与转向系统的左右极限行程，而后制动软管（非四轮转向车型）仅需要承受悬架的上下跳行程。因此，本文按前制动软管的布置形式展开设计分析。由于前制动软管的工作状态较复杂，对于麦弗逊式独立悬架车辆，一般前制动软管会增加中间固定点与前减震器、上摆臂或转向节相连接，此时制动软管可分为静态端与运动端。静态端指制动软管中间支架到铰接式接头的一段软管总成，其随车轮一起上下和左右运动，可有效地防止制动软管与车轮的相关零部件的干涉。运动端是从车身支架到中间支架这一段软管总成，其一端与车身连接，相对静止，另一端与悬架相连，随悬架一起运动。如图4所示。

2.1 制动软管静态端的设计

基于制动软管静态端与周边件无相对运动关系，其设计较为简单。仅需要静态地考虑与周边件的距离、装配后制动软管的扭曲度及制动软管的弯曲半径。一般要求制动软管静态端与周边静止件的最小距离为5 mm，当与周边静止件的距离小于5 mm时，可考虑加防护套。制动软管静态端与周边运动件的间隙要求则与制动软管动态端与周边运动件的间隙要求相一致（见章节2.2）。制动软管的扭曲度是指制动软管在装配后，若软管两端的两接头位置设计不当，软管就存在扭曲现象，在IPS软件中，可以根据制动软管外表面轴向的色标线进行检查，如图5所示，一般要求扭曲度小于90°。除了软管的相对扭曲度，制动软管的弯曲半径也会降低其使用寿命，制动软管外圆最小弯曲半径需大于等于25 mm[4]。

图5 制动软管的轴向色标线

2.2 制动软管动态端的设计

制动软管按布置形式可分为两种，一种是制动软管布置在车身支架上方（图6(a)），一种是制动软管布置在车辆支架的下方（图6(b)）。两种布置形式基于轮边的周边环境，若上方周边间隙大，则制动软管布置在车身支架的上方，若下方周边间隙大，则制动软管布置在车身支架的下方。当两者均可布置的情况下，优先考虑将制动软管布置在下方，有利于卡簧的装配及检查是否漏装或错装。

图6 制动软管的布置形式

当布置型式确定后，进行制动软管的路径设计，以前制动软管为例，其制动软管的路径需要满足悬架及转向6个极限运动状态要求，即悬架上跳左转极限、悬架上跳右转极限、悬架设计状态下的左转极限、悬架设计状态下的右转极限、悬架上跳的左转极限和悬架下跳的左转极限。

（1）制动软管的松弛度要求。在极限状态下，制动软管在中间位置处可在直径为60 mm圆内自由绕圈，如图7(a)所示。

图7 软管松弛度及弯曲半径要求

（2）制动软管的外圆弯曲半径要求。弯曲半径不小于25 mm，同时，液压制动软管的循环次数随着弯曲半径的增大而增加[4]，如图7(b)所示。

（3）制动软管在极限位置下与周边件的极限要求。当周边件是旋转件时（如驱动半轴，车轮等），最小间隙需大于20 mm；当周边件是非旋转件时，最小间隙需大于15 mm；对于周边件是热源体时（如排气管），其最小间隙需控制在150 mm以上。

为了满足以上要求，借助于IPS软件来完成制动软管路径的设计。通过导入软管周边件的三维数模，悬架转向运动的轨迹文件和输入制动软管的性能参数[3]来模拟软管的路径轨迹，以此监测制动软管与周边件的间隙、制动软管运动的弯曲半径及制动软管拉伸量。其中，制动软管的性能参数包括管子的几何参数（内径、外径、长度等）、材料密度、弯曲刚度、扭转刚度及拉伸刚度。不同配方的制动软管，其性能参数不一致，需要进行试验得到相关的数据，以保证模拟出来的理论值与实际装车状态相一致。

用IPS模拟得出的制动软管与周边件的间隙图如图8所示。其横坐标为软管运行的步数（不同步数相对应于悬架及转向的不同运动状态）, 纵坐标为制动软管与周边的间隙。所示曲线可清晰地显示整个悬架及转向在运行周期中，制动软管与相应的周边件的间隙随着光标的移动，得出软管在不同的工作位置与相应周边件的具体间隙值。当测量的最小间隙值满足设计要求时，则软管在整个运动周期中，所有间隙均满足。当间隙值不满足要求时，对于周边件为非旋转件时，可以通过在相应的制动软管外表面增加一至三个护套，调整护套的长度和位置均可改变与周边件的间隙值，对于加护套处与周边件的最小间隙值可以放宽至10 mm。而对于周边件是旋转件时，在制动软管外表面增加护套是无效的，必须通过调整管接头的安装位置及管接头的形状来增加与旋转件的间隙。

图8 制动软管与周边间隙值的监测值

对于制动软管的松弛度，可以通过监测制动软管在极限位置下的变形量，当变形量大于1 mm时，即可判断制动软管存在被拉伸的风险。此时需要相应加长制动软管的长度，加长后的制动软管需要重新监测与周边件的间隙值。

对于制动软管的弯曲半径，如图9所示，其横坐标为软管运行的步数，纵坐标是软管运行过程中的弯曲半径，但是其仅能监测软管中心轴线的弯曲半径，而要求值是软管外圆的弯曲半径，因此，监测到的中心轴线的弯曲半径应加上外圆的半径，如直径为φ10.2的管子，则软管外圆的弯曲半径则是中心轴线的弯曲半径加上5.1 mm。当软管的弯曲半径不满足要求时，则需要调整管接头的安装位置及管接头的形状来改变弯曲半径。

图9 制动软管中心轴线弯曲半径的监测值

在IPS软件中，通过调整软管的长短、管接头的位置及管接头的形状，持续地监测制动软管的周边间隙、制动软管的弯曲半径及其松弛度，最终得出满足要求的制动软管路径方案。

2.3 制动软管路径方案转化成生产的直管状态

基于制动软管路径方案转化成生产需要的直管状态，不仅涉及到长度的转化，还涉及到两端接头的相对角度的转化。此转化可以通过三维软件进行，例如通过CATIA软件对软管模型进行拉直等。制动软管的设计完成后，按照直管状态进行样件的生产。

3 制动软管实物验证

首先，在模拟悬架极限状态下的夹具上（如图10所示）验证制动软管的松弛度和弯曲半径，并将管子进行三维扫描，生成点云数据，转化成part文件，导入到整车三维模型中，监测制动软管与周边件的间隙。通过夹具的实物验证，对IPS数据进行校准，从而提升IPS的输出结果的精准性。

图10 模拟悬架极限位置的夹具

其次，制动软管在整车上进行实车验证，对于制动软管的试验样件，可根据软管的长度公差和接头的角度公差，选择长度最大与角度最大、长度最大与角度最小、长度最小与角度最大及长度最小与角度最小四种状态。为了达到悬架的上下跳极限，整车上的弹簧需要拆除，减震器需要让厂家特制。在整车验证时，测量的工具有：制动软管周边的间隙可以用直尺、锥形塞尺测量；制动软管的弯曲半径可以用半径规测量；制动软管的松弛度可以用内径为60 mm的圆环测量。如图11所示。

将实车上制动软管在悬架及转向极限状态下的测量数据进行记录，并与设计要求值进行对比，从而得出其软管的设计符合性。经多个项目的验证，IPS模拟的软管方案与实车软管状态一致性达到90%以上。对于个别不符合项，可以现场通过调整软管的长短或增加护套来满足设计要求。

4 结论

基于以上分析，得出以下结论：

（1）制动软管是柔性件，其运动轨迹无法进行定性设计，可依据软管的性能参数，在IPS系统中进行模拟设计满足实车要求。

（2）制动软管的设计流程如图12所示。

图12 制动软管开发流程

（3）制动软管路径优化原则：

当软管与非旋转件周边件间隙小时，可在软管外表面增加护套；当软管与旋转件周边件间隙大时，可以调整管接头的安装位置及管接头的形状；

当制动软管松弛度不满足要求时，需要增加制动软管的长度；

当制动软管弯曲半径<25 mm时，需要调整管接头的安装位置及管接头的形状。

[1] 黄德银,崔洋,刘奇峰.液压制动软管设计探讨[J].汽车零部件,2019(10):75-77.

[2] 刘建,崔洋,罗旋,等.汽车液压制动软管的寿命优化[J].汽车零部件,2020(1):37-41.

[3] 王鑫,王浩.某型轿车制动软管分析优化[J].汽车实用技术,2017,42(10):207-208,230.

[4] 康鑫,符寿康,任建民,等.弯曲半径对液压制动软管使用寿命的影响[J].橡胶科技,2020,18(6):316-318.

[5] 王佩山.液压制动软管材料及耐腐蚀性分析[J].电动自行车,2016(10):46-47.

[6] 赵薇,于自强.关于汽车制动软管失效原因的研究[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

谢桃新（1981—），高级工程师，研究方向为制动设计，E-mail:79971622@qq.com。