霍曉鋒 黃繼勇 于江 夏金龍 萬興

寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司，中國·浙江 寧波 315300

1 引言

汽車制動(dòng)性能是汽車需要保證的關(guān)鍵性能之一，因?yàn)樯婕败囕v及人員的安全問題，在汽車的涉及過程中尤為重要。汽車制動(dòng)性能直接關(guān)系人們駕駛車輛中的安全，很多交通事故是由于汽車的制動(dòng)性出現(xiàn)問題導(dǎo)致汽車的制動(dòng)距離變長或者制動(dòng)過程中的穩(wěn)定性變差，進(jìn)而導(dǎo)致了整個(gè)車輛的安全性能下降。如何確保汽車具有穩(wěn)定的制動(dòng)性，是制動(dòng)系統(tǒng)工程師要面對(duì)的關(guān)鍵問題。論文要討論的制動(dòng)硬管便是影響汽車制動(dòng)性的關(guān)鍵零部件，也是在制動(dòng)系統(tǒng)中容易出現(xiàn)問題，且最終會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)性下降的關(guān)鍵零部件。

在討論制動(dòng)硬管的密封設(shè)計(jì)之前，論文簡單對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)行介紹。汽車制動(dòng)系統(tǒng)的主要原理是通過摩擦把汽車運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能，并將摩擦產(chǎn)生的熱量散發(fā)到大氣中，從而實(shí)現(xiàn)降低汽車速度的系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)器是最終的執(zhí)行單元，實(shí)現(xiàn)摩擦熱能和動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換[1]。論文講到的制動(dòng)硬管主要是承擔(dān)將駕駛員或者制動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的能量傳遞到制動(dòng)器端的作用。該制動(dòng)硬管在整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)中作為供能裝置，主要應(yīng)用于液壓式制動(dòng)系統(tǒng)中。

制動(dòng)硬管作為制動(dòng)系統(tǒng)中液壓的傳遞通道，是制動(dòng)液壓傳遞的關(guān)鍵零部件。因而如何保證制動(dòng)硬管有效的進(jìn)行、制動(dòng)液壓的傳遞一直都是制動(dòng)系統(tǒng)工程師的職責(zé)。制動(dòng)硬管本身是由雙層卷焊鋼管制成，管體能夠保持非常好的密封性，再加上管體外的合理的表面處理，基本沒有產(chǎn)生泄露的可能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，制動(dòng)管路的泄露主要出現(xiàn)在制動(dòng)硬管的接頭位置。因而制動(dòng)硬管接頭處的密封失效是制動(dòng)系統(tǒng)工程師必須關(guān)注的一種管路失效模式。那么在管路端的接頭密封實(shí)現(xiàn)，是我們對(duì)制動(dòng)硬管研究的重點(diǎn)。論文研究的就是制動(dòng)硬管管路接頭的密封。

2 制動(dòng)硬管管路接頭的密封形式

①制動(dòng)硬管管路端頭的配合方式，主要是根據(jù)ISO 4048要求的兩種主要的接頭，兩種管路接頭與制動(dòng)硬管端頭配合螺母匹配形式可見圖1、圖2。

圖1 公端115°管路端頭及螺母

圖2 母端120°管路端頭及螺母

②制動(dòng)硬管與和其配合使用的對(duì)手件的接頭結(jié)構(gòu)及力矩分析如圖3所示。

圖3 制動(dòng)硬管與對(duì)手件配合力矩示意圖

圖3中零部件及配合關(guān)系介紹:

主要涉及的零部件：1 制動(dòng)硬管管路本體；2 管路末端螺母；3 配合對(duì)手件。

主要參數(shù)說明：M制動(dòng)硬管末端螺母的擰緊力矩；μG為末端螺母和配合對(duì)手件件的摩擦系數(shù)；μK制動(dòng)硬管末端螺母與制動(dòng)硬管末端接頭之間的摩擦系數(shù)；μT制動(dòng)硬管的末端接頭與對(duì)手件之間的摩擦系數(shù)；Fscrew制動(dòng)硬管螺母與對(duì)手件之間的壓力；Flow制動(dòng)硬管螺母與制動(dòng)硬管管體的壓力；Fend制動(dòng)硬管管體終端和對(duì)手件之間的壓力。

如上所示，制動(dòng)硬管的端頭的密封是通過制動(dòng)管端頭與對(duì)手件之間的線密封來實(shí)現(xiàn)的。具體的力矩之間的關(guān)系如下式所述：

根據(jù)上式進(jìn)行計(jì)算，可以由擰緊力矩M值推導(dǎo)出管路終端與對(duì)手件之間的壓緊力。

③制動(dòng)硬管密封的原理：同上圖，可以看到制動(dòng)硬管端頭在制動(dòng)硬管端頭螺母擰緊后，螺母會(huì)沿管路軸線向管路端頭施加軸向力，在該力的作用下，制動(dòng)硬管的端頭會(huì)與對(duì)手件緊緊貼死實(shí)現(xiàn)密封，同時(shí)管路端頭會(huì)產(chǎn)生彈性形變以實(shí)現(xiàn)更好的密封性能[2]。

3 制動(dòng)硬管密封的實(shí)現(xiàn)

下面我們通過一組實(shí)驗(yàn)設(shè)備來研究制動(dòng)硬管的密封所需求的力矩。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

Torque to load 扭矩測試是進(jìn)行該制動(dòng)硬管的密封研究的測試方法，該測試方法是經(jīng)過眾多項(xiàng)目積累和產(chǎn)品開發(fā)后總結(jié)而來。本試驗(yàn)需要的設(shè)備圖片如圖4所示。該試驗(yàn)裝置可以繪制出擰緊力矩，擰緊轉(zhuǎn)角和制動(dòng)硬管的軸向傳遞壓力曲線圖。

圖4 測試設(shè)備示意圖

試驗(yàn)裝置包含以下部分：

①扭矩測試裝置框架；

②管路固定和扭矩測試裝置；

③扭矩扳手和扳手頭；

④可調(diào)整的扭矩和轉(zhuǎn)角測試部件；

⑤數(shù)據(jù)接收單元；

⑥專門的測試軟件用于獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

⑦專門的電子表格用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分析所需的原始數(shù)據(jù)和曲線。

角度傳感器、扭矩傳感器、軸向力傳感器布局示意圖5所示。

圖5 傳感器等設(shè)備布置示意圖

3.2 Torque load 試驗(yàn)過程

①確認(rèn)所需元件電源開通，連接好被測量對(duì)象；

②打開特有的軟件，進(jìn)入試驗(yàn)界面；

③使用前按F5 清零，按F1 開始新的檢測；

④檢測時(shí)用專用扳手平穩(wěn)勻速的加載到所要求的扭矩或軸向載荷（如果由于轉(zhuǎn)角大觸及支撐柱，那么可以將扳手轉(zhuǎn)回到起始位置后繼續(xù)加載到所要求的數(shù)值），隨后將扳手上的方向桿撥到松開一側(cè)，平穩(wěn)勻速的松開連接。一旦軸向力值低于設(shè)定臨界點(diǎn)，數(shù)據(jù)會(huì)隨即停止記錄，可將數(shù)值粘貼到相應(yīng)的Excel 計(jì)算表中，形成三軸和四軸圖。通過軟件顯示界面可以實(shí)時(shí)讀出扭矩及軸向力值，方便操作者選擇停止加載的時(shí)機(jī)；

⑤點(diǎn)擊EXIT 退出軟件，卸下被測量對(duì)象并關(guān)閉所用電源結(jié)束檢測。

實(shí)驗(yàn)過程如圖6所示。

圖6 測試過程示意圖

3.3 Torque load 試驗(yàn)步驟

①將相關(guān)試驗(yàn)零部件的測試實(shí)驗(yàn)件放置設(shè)定后的臺(tái)架設(shè)備中；

②硬管配合公端下降到位，并將力矩扳手放置到位；

③傳感器連接到位，并開始打緊記錄數(shù)據(jù)；

④施加力矩并記錄數(shù)據(jù)。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集

通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)收集，我們可以得到如下圖所示的力矩與擰緊角度，以及軸向力的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 力矩與轉(zhuǎn)角與軸向壓力關(guān)系圖

關(guān)于該圖表的解釋說明（該圖表基于特定的一種摩擦系數(shù)產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果繪制）：

①圖表右側(cè)部分為力矩和軸向傳遞壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

②圖表左側(cè)部分為轉(zhuǎn)角和軸向傳遞壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

③圖表左側(cè)粗實(shí)線可以代表擰緊力矩的邊界數(shù)值，即在硬管接頭力矩打緊過程中，能夠達(dá)到最大力矩值由摩擦系數(shù)決定，打緊力矩?cái)?shù)值有限定；

④圖表右側(cè)粗實(shí)線可以代表擰緊角度的邊界數(shù)值，即在硬管接頭力矩的打緊過程中，該過程有效的角度范圍。

4 結(jié)論

4.1 制動(dòng)硬管接頭的密封實(shí)現(xiàn)要素

密封實(shí)現(xiàn)要素①：硬管的密封接頭打緊合理的轉(zhuǎn)角。

密封實(shí)現(xiàn)要素②：硬管接頭的扭轉(zhuǎn)力矩。

密封實(shí)現(xiàn)要素③：傳遞在管路軸向上的合理的軸向力。

密封實(shí)現(xiàn)要素④：兩個(gè)緊固件之間的摩擦系數(shù)。

4.2 密封要素之間的關(guān)系

從緊固件擰緊力矩原理的角度，一定的摩擦系數(shù)決定了一定的擰緊力矩，進(jìn)而這這種力矩決定了一定的軸向力，軸向力最終實(shí)現(xiàn)了良好的密封效果[3]。因而，管路的擰緊力矩是通過類似力矩密封和失效試驗(yàn)驗(yàn)證來找到合打緊力矩，而不能盲目地依靠經(jīng)驗(yàn)去設(shè)定力矩。

從上圖的曲線中，可以得出如下幾點(diǎn)：

①設(shè)置過高的力矩不能傳遞更高的軸向力；

②工藝力矩設(shè)定得太高也會(huì)出實(shí)際力矩的擰緊過程中根本不能到達(dá)目標(biāo)的力矩值的現(xiàn)象；

③密封要素中的關(guān)鍵參數(shù)摩擦系數(shù)，將直接決定力矩的設(shè)置，基于上述試驗(yàn)可以基本得到擰緊力矩及轉(zhuǎn)角的邊界范圍。

5 結(jié)語

此外，制動(dòng)硬管的擰緊力矩的設(shè)置，除了需要基于以上的試驗(yàn)測定，進(jìn)行扭矩和轉(zhuǎn)角數(shù)值范圍的初步設(shè)定。同時(shí)需要再通過力矩失效和力矩密封試驗(yàn)來進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得到合理的力矩的設(shè)置值。