汽車制動油管疲勞強度分析及其CAE仿真

馬天龍

(一汽豐田技術開發有限公司 天津300462)

0 引 言

當今中國汽車保有量達 2.2億輛，汽車已經成為日常生活中不可缺少的交通工具，且向著高車速方向發展[1]，因此汽車的安全性能也越來越受到消費者的重視。汽車的安全性是指汽車本身防止或者減少交通事故的能力，其主要取決于汽車的結構及性能參數，其中良好的制動性能是保證汽車安全行駛的必要條件[2]。

在行駛過程中，汽車零部件受到源于路面的振動輸入，在強烈的交變應力作用下，可能會引起早期的疲勞破裂，導致制動液泄漏[3]，制動力無法傳遞到制動器上，剎車功能失效，威脅乘員的生命安全。同時，汽車作為耐用品，使用時間及里程較長，因此保證制動油管的疲勞強度對于保證整車壽命區間的制動性能有著重要意義。在制動油管布置設計階段，進行提升油管強度的設計并利用CATIA CAE功能進行疲勞強度分析，可以在保證制動油管強度的基礎上有效縮短布置設計時間。

1 汽車制動油管疲勞強度影響因素概述

影響汽車制動油管疲勞強度的直接因素是內部應力，即油管變形產生的內部應力。裝配完成的制動油管變形主要由 2部分組成：裝配變形與路面輸入變形。

1.1 裝配變形

油管連接位置擰緊時，由于摩擦力的存在，螺母會帶動油管本體發生一定程度的扭轉，造成油管內部產生應力。這種共轉現象不可避免，主要發生在油管連接末端到第一個固定卡扣之間。

1.2 路面輸入變形

由于路況的不確定性，路面輸入導致的油管變形也具有不確定性，且變化范圍很大。汽車在行駛過程中遇到波狀路、深坑等惡劣路況，路面輸入造成油管振動或者形變，產生內部應力，造成制動油管疲勞強度下降，甚至有可能發生共振直接造成油管破裂。

相比于裝配變形產生的內部應力，由于路面輸入產生較大沖擊時，油管內部產生的應力會大幅增加，嚴重影響疲勞壽命。因此路面輸入變形產生的應力是衡量制動油管疲勞強度的重要指標。

2 路面輸入對制動油管疲勞強度的影響機理分析

油管的內部應力由其形變量決定，在一定的路面輸入下，變形量由油管整體布局剛性決定，影響機理如下：

布局剛性不足時制動油管整體共振頻率較低，在波狀路行駛容易產生共振，且在制動系統作動時產生的油液脈沖沖擊下，油管擺動幅度較大，造成內部應力過大，疲勞壽命降低。如果布局剛性過大，油管變形較為困難，在路面輸入較大沖擊時，油管整體無法有效吸收沖擊而造成油管內部應力過大，疲勞壽命降低。

3 汽車制動油管布局剛性的改善點

汽車制動油管的布置設計主要包括油管路徑、固定位置2個方面，其影響制動油管布局剛性的主要原理如下。

3.1 油管路徑

在一定布置空間內油管自由長度部分折彎數目較少、形狀簡單時，油管剛性不足，容易變形；反之剛性過大。

3.2 固定位置

固定位置之間的油管自由長度決定了該部分制動油管的布局剛性，油管自由長度過大則剛性不足，反之剛性過大。如圖 1所示，油管固定位置之間的自由長度為曲線總長度，非兩固定點之間的直線長度，即油管固定位置間自由長度為：L＝a+b+c。

基于以上分析，在制動油管布置設計時應充分考慮固定位置及折彎位置、數量的設置。合理的布置可以有效提升油管的固有頻率，改善路面輸入下油管的內部應力，進而提升疲勞強度，在壽命區間保證整車制動安全性能。

圖1 固定位置之間自由長度的示意圖Fig.1 Sketch of free length between fixed positions

4 制動油管疲勞應力及共振頻率的 CAE分析

由于車輛穩定性控制系統(VSC)執行器自身質量較大，其慣性也較大，并且 VSC執行器通過橡膠懸置固定于車身支架上。由于懸置襯套的彈性屬性，在路面輸入的影響下，在制動油管與 VSC的連接位置容易產生較大的位移，造成制動油管產生較大形變。因此，VSC執行器連接位置的油管疲勞強度應作為重點優化對象，保證合理的路面輸入變形應力。本文運用CATIA CAE分析模塊，對VSC執行器位置的制動油管進行分析。

建立 CAE分析模型時，除部分約束及載荷不同，變形應力分析與共振頻率分析之間可通用模型。

4.1 CAE模型建立

VSC執行器附近制動油管 CAE分析建模流程及要點如圖2所示，以某車型為例，建模完成的CAE分析模型如圖3所示。其中圓圈位置為VSC執行器重心位置，三角位置為懸置重心位置。

圖2 VSC執行器附近油管CAE分析建模流程及要點Fig.2 CAE simulation process and points of brake tubing near VSC actuator

圖3 建模完成的CAE模型及約束情況Fig.3 CAE model and constraints after modeling

4.2 CAE結果分析

4.2.1 變形應力CAE

將CAE分析得到的最大應力值與實驗確定的目標疲勞應力值進行對比，若最大應力位置大于目標應力，或者產生較大應力集中，則需要重新修正油管布置，改善內部應力狀態。若小于目標應力，且存在一定的設計余量，則說明該布置滿足設計要求。

以圖4的CAE應力結果為例，VSC執行器位置附近右側油管的內部應力分布均勻，且應力值較小。但左側油管內部應力集中，且應力值較大。參考變形應力 CAE分析結果，可以確認變形應力的集中位置，為方案檢討提供參考依據。

圖4 VSC執行器附件油管在路面沖擊下的應力分布Fig.4 Stress distribution of brake tubing near VSC actuator under pavement impact

4.2.2 共振頻率CAE分析

進行共振頻率的 CAE分析時，由于未充分考慮VSC執行器及油管內部制動液的影響，端部的約束條件與實際情況也存在一定差異，因此共振頻率的CAE分析結果存在誤差，進行布置設計時應設定安全余量。

以上述制動配管布局的共振頻率分析結果為例，如圖 5所示，各階固有頻率均在 25～28Hz。根據基礎車型的實驗結果，該部位的 1階共振頻率為28.4Hz。

一般情況下，可根據設計經驗或者參考車型共振頻率的實驗結果，結合安全率來確定油管固有頻率的設計目標值[4]。若CAE分析值大幅低于設計目標值，需重新修改制動油管布置后再次進行共振頻率 CAE分析。

圖5 VSC執行器附近油管總成10階固有頻率Fig.5 Ten natural frequency of brake tubing near VSC actuator

5 結 論

汽車制動油管的疲勞強度對于整車的制動安全性能有著重要影響，在進行布置設計時應充分考慮整體布局，以保證油管的剛性在合理范圍內，減小路面輸入產生的內部應力。在進行制動配管的布置設計時，CAE分析結果具有一定的參考意義，但由于無法充分考慮各種現實因素，CAE分析結果與整車實驗結果存在一定差異。應當充分設定設計余量，保證油管疲勞強度滿足設計要求。■