整車管路布置及質量控制研究

趙 毅, 方 健, 朱 偉

Zhao Yi, Fang Jian, Zhu Wei

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

0 引 言

整車是由各個系統組成，包括動力系統、傳動系統、行駛系統、轉向系統、制動系統、儀表及電器系統和車身系統。確保系統內部以及系統與系統之間的正常協調工作是通過各種管路實現的。整車管路類似人體的血管和神經，將系統內部的工作介質或各種信號（壓力、流量和其他邏輯電信號等）傳輸到不同的部件系統，實現預期功能，發揮系統性能。

1 管路布置質量

汽車在行駛時由于工況的不同會遇到各種典型和極限運動，同時發動機和底盤與整車的運動幅度存在一定差異，各個系統內部以及系統與系統之間的管路相互連接，并且特性不一，運動幅度不一，如果布置設計質量和制造質量無法確保安全的管路運動間隙，隨著汽車的整體運動，會出現各種管路運動干涉、損壞，甚至引起重大安全問題，如線束短路、著火、制動失效和發動機溫度過高等。通過對2004年國內外近900例整車召回信息分析得出，由于管路質量隱患引起的召回案例達到135起，占16.2%。其中包含幾大汽車巨頭在內的大部分廠商都未能幸免，具體統計分布見圖1、圖2。如何確保整車管路質量對各大生產廠商具有極其重要的戰略意義。

2 管路基本工藝特性

汽車管路種類繁多，材料特性各異，形狀也隨布置和功能要求不同而各異，虛擬布置時需要考慮管路的基本特性要求和工藝要求，并根據管路類型選擇準確的設計和分析方法。

按照工藝類型分為兩類：一類為非成型管，如非成型膠管、拉索和線束。其長度一定，安裝后具有一定形狀，而材料特性各異，在數模布置時很難反映實際安裝狀態，容易引起管路干涉、磨損等問題，但非成型管具備工藝簡單，加工方便等優點；另一類為成型管，如成型膠管、塑料管或尼龍管。成型管是通過模具成型，在管路布置中，成型管布置容易，但由于模具和工藝復雜，開發生產成本有一定增加。

按照汽車系統功能可以分為線束、冷卻水管、空調管（軟管和硬管）、燃油管（軟管和硬管）、轉向管（硬管、低壓軟管和高壓軟管）、制動管（軟管和硬管）、拉索（離合器拉索、油門拉索、變速器選換擋拉索、駐車制動拉索）等。

3 管路布置方法

發動機艙和底盤運動非常復雜，存在完全相對運動和不完全相對運動，見圖3，并且運動特性和運動量各不一致，同時發動機在工作時產生巨大熱量，極限情況下排氣歧管溫度可達700～800 °C，有些管路過長，為約束管路的位置需要考慮增加固定點，管路長度對空間走向起著決定影響。

3.1 動、靜態間隙

確保各種管路在運動和振動中不發生干涉和磨損，必須保證管路設計間隙滿足管路各種極限工況下的運動量以及尺寸極限偏差。結合具體案例對動、靜態間隙作深入分析。

如圖4所示，A段在靜止情況下與空濾的間隙為靜態間隙，此處用CS表示；A段隨著動力總成一起運動，當運動到各種工況下的極限情況時，A段與空濾的間隙為動態間隙，此處用CD表示。

A段的運動量用AD表示，其中AD=CS-CD。

管路的制造公差和偏差相對于其他零件會更大，此處用CT表示尺寸極限偏差。

通過工況和尺寸分析可以得知，只有靜態間隙大于運動量（AD）和尺寸極限偏差（CT）之和，即靜態間隙CS＞AD+CT，在各種工況下管路才可以確保安全。

對于完全相對運動的運動量，AD可以通過動力總成懸置特性計算得到，對于不完全相對運動的運動量BD可以通過仿真CAE軟件根據發動機的極限運動求得，即把不完全相對運動BD轉化為完全相對運動AD。

3.2 熱間隙

傳統能源汽車排氣歧管表面溫度在極限情況下會達到700～800°C，排氣管和消音器表面溫度也可達200～500°C。對于在熱源周圍分布的各種管路，要確保不被熱源損壞，必須根據熱場分析保證足夠間隙。

各個熱源的發熱量不相同，同時熱敏感零件的材料和特性各異，整車管路布置時需要根據熱敏感零件的性能預留足夠的熱輻射間隙。如果預留間隙不能滿足要求，首先需要對各個工況下的熱負荷狀態進行虛擬分析計算，為熱間隙過小的問題提供方案選擇和參考。一般可供選擇的方案有：在熱源側增加單層或者多層隔熱罩，或者提升熱敏感零件的耐熱等級，同時需要平衡各方案的成本，見圖5。

3.3 重力和內、外部液體溫度的影響

在管路虛擬布置時通常只考慮管路外形，而管路自身和內部液體的重力因素引起的管路變化通常很難考量，發動機艙環境溫度和管路內部的液體溫度會進一步加速管路下沉。以發動機水管布置為例探討如何在布置管路時充分考慮重力和內、外溫度的影響。

發動機水管外徑一般在20～50 mm之間，內部高溫的冷卻液溫度一般達110°C左右。圖6是外徑為40 mm、長750 mm的暖風水管原始設計與考慮重力和溫度后的對比，如果中間沒有約束固定點，通過CAE分析重力、溫度對水管的影響，水管會下沉50 mm。

3.4 約束系統-固定點

每個系統管路通常連接兩部分零件，例如燃油管需要經過燃油泵、燃油濾清器到發動機油軌，由于回路過長，中間必須在合理位置增加固定點以保證管路的設計狀態。對于硬管，一般400～600 mm安裝一個固定點；對于軟管，一般 200～300 mm安裝一個固定點，但也需要根據實際工況合理布置。

固定點的設計需要有效可靠，起到約束限位作用，防止固定點偏移、旋轉、下沉或左右竄動。固定點在某一方向的變化，如果管路較長，會導致遠端管路位置偏差放大，引起管路干涉、磨損或其他問題。例如某動力轉向油管固定點設計對管路的限位欠佳，造成管路在裝配之后會向上和向下旋轉達10°之多，與固定點130 mm之處造成管路彎角處偏差達24 mm，對周圍零件間隙造成很大影響，見圖 7。通過在彎角后面增加 1個防止上下移動的固定點，很好地起到約束管路的作用。固定點的選擇，包括固定方式、限位效果、失效模式分析等在設計階段都要進行全面評估，確保限位起到預期效果，見圖8。

3.5 長度對間隙的影響

管路長度的布置和設計一般考慮正偏差，即為了滿足安裝和制造要求，管路一般會比名義值偏大。管路一般是在二維平面內走向，但如果管路過長，由于管路長度引起的間隙減小會非常明顯。以圖9所示管路1為例，即兩端固定，分析固定點中間的長度變長對管路1與管路2間隙C1的影響。

圖9中，當管路1的長度由A增加了Δ，即管路 1的長度為A+Δ，兩個固定點不變，管路拱出ΔX，簡化A+Δ為一段圓弧，且0＜ΔX＜A/2，見圖10模型1，則根據數理推斷可求解

利用Taylor公式求解得到

如果管路1的長度Δ增大很多，若ΔX＞A/2=R，簡化A+Δ變為一條折線，管路長度增加后，將模型簡化為三角形，見圖11模型2。

通過分析模型1和模型2，對長度變化量Δ/A與偏移量ΔX進行數據統計，具體參見圖 12的曲線，由此可知長度增加得越多，偏移量也越大。在緊湊型的整車布置中，對管路進行布置和設計時，有效控制管路名義長度非常關鍵，否則很可能會引起管路的干涉磨損等問題。

4 CAE管路分析

項目前期開發時，業內常用方法是根據經驗設計管路走向，然后根據實車制造進行調整，往往會對項目開發時間和費用造成很大影響，探索性地提出對關鍵零件和管路CAE虛擬模擬，找出最佳布置方案，得到整車設計狀態下的數模，以提高布置質量的穩健性，有效降低開發成本。進行CAE分析時務必充分考慮材料特性，管路內、外環境溫度，重力，典型和極限加速度，管路約束系統固定限位和內部工作壓力對管路外形的各種影響。

針對不同類型的管路，采用不同的運算分析方法，殼單元分析方法一般適用于成型管如水管、燃油管等。例如某水管一端固定在防火墻，另一端固定在發動機，水管相對于防火墻具有不完全相對運動，在Z方向±6 g加速度情況下，水管上下運動12 mm；在X方向±11 g加速度情況下，通過CAE按水管材料特性加載，得出水管前后運動達15 mm。具體案例見圖13。

梁單元分析方法一般適用于非成型管，如拉索、制動軟管、電器線束等。例如ABS制動軟管與制動卡鉗相連，制動卡鉗隨懸架做全轉向、全跳動等極限運動。根據整車動態定義，輪胎最大上跳一般在 70～120 mm，下跳一般在 80～100 mm，ABS軟管布置必須克服制動卡鉗的極限運動且保證不干涉和磨損，且經受住拉伸和壓縮的頻繁工況，具體案例見圖14。

5 管路外觀質量

顧客在購買汽車時，不僅關注汽車的性能和價格，外觀質量也是一重要考量項。高質量的汽車外觀不僅提升整車品質，還可提升顧客對品牌的忠誠度，進而提升品牌價值。

整車管路外觀質量的高低，將直接影響發動機艙外觀質量。發動機艙管路布置過程中，在確保各個管路系統功能的前提下，需要從整體一致性，管路和線束的整齊度，顏色和皮紋的整體協調性，零部件和周邊鈑金的集成性等內容對管路進行優化和改善。

6 管路布置質量驗證

整車和子系統特性各異，車型與車型之間的管路間隙大小并無借鑒意義。經過虛擬布置和設計的管路，進行充分的物理試驗可以及早發現潛在的布置和設計問題，為后期的管路質量管理和控制提供保障，管路相關的試驗一般分為3類：

（1）管路本身的各項性能試驗，如爆破試驗、氣密性試驗、拉伸試驗等。主要是為了驗證零件是否滿足設計標準；

（2）整車臺架試驗。主要目的是為了驗證整車懸架在物理極限情況下（如全轉向最大上、下跳）管路的運動情況，以彌補道路試驗無法達到的極限狀態；

（3）整車道路試驗，可靠性試驗。最能反映管路常會遇到的工況，如石塊路、卵石路、魚鱗坑路、搓板路、高速跑道、坡道、砂土路等。

試驗開始、試驗過程中和試驗結束時都需要對整車管路進行全方位仔細的評估和記錄，記錄管路之間的間隙和狀態，形成整車管路數據庫，建立指導經驗并為后續項目開發提供支持。

7 結束語

整車管路布置開發在項目開發中處于非常關鍵的位置，借助豐富的虛擬布置方法和實物驗證手段，確保前期布置設計質量的穩健性，各系統的功能和性能才能保證。本布置方法和流程已經在SGM多個平臺、多個車型的開發過程中應用和驗證，涉及幾百萬輛各式整車，并歷經多次改進和優化，有效地指導整車管路開發。

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