汽車制動硬管接頭密封與擰緊力矩的研究

霍曉鋒 黃繼勇 于江 夏金龍 萬興

寧波吉利汽車研究開發有限公司，中國·浙江 寧波 315300

1 引言

汽車制動性能是汽車需要保證的關鍵性能之一，因為涉及車輛及人員的安全問題，在汽車的涉及過程中尤為重要。汽車制動性能直接關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性出現問題導致汽車的制動距離變長或者制動過程中的穩定性變差，進而導致了整個車輛的安全性能下降。如何確保汽車具有穩定的制動性，是制動系統工程師要面對的關鍵問題。論文要討論的制動硬管便是影響汽車制動性的關鍵零部件，也是在制動系統中容易出現問題，且最終會導致制動性下降的關鍵零部件。

在討論制動硬管的密封設計之前，論文簡單對汽車制動系統的進行介紹。汽車制動系統的主要原理是通過摩擦把汽車運動能量轉換為熱能，并將摩擦產生的熱量散發到大氣中，從而實現降低汽車速度的系統。制動系統中的制動器是最終的執行單元，實現摩擦熱能和動能之間的轉換[1]。論文講到的制動硬管主要是承擔將駕駛員或者制動伺服機構的能量傳遞到制動器端的作用。該制動硬管在整個制動系統中作為供能裝置，主要應用于液壓式制動系統中。

制動硬管作為制動系統中液壓的傳遞通道，是制動液壓傳遞的關鍵零部件。因而如何保證制動硬管有效的進行、制動液壓的傳遞一直都是制動系統工程師的職責。制動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，基本沒有產生泄露的可能。根據經驗，制動管路的泄露主要出現在制動硬管的接頭位置。因而制動硬管接頭處的密封失效是制動系統工程師必須關注的一種管路失效模式。那么在管路端的接頭密封實現，是我們對制動硬管研究的重點。論文研究的就是制動硬管管路接頭的密封。

2 制動硬管管路接頭的密封形式

①制動硬管管路端頭的配合方式，主要是根據ISO 4048要求的兩種主要的接頭，兩種管路接頭與制動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制動硬管與和其配合使用的對手件的接頭結構及力矩分析如圖3所示。

圖3 制動硬管與對手件配合力矩示意圖

圖3中零部件及配合關系介紹:

主要涉及的零部件：1 制動硬管管路本體；2 管路末端螺母；3 配合對手件。

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

如上所示，制動硬管的端頭的密封是通過制動管端頭與對手件之間的線密封來實現的。具體的力矩之間的關系如下式所述：

根據上式進行計算，可以由擰緊力矩M值推導出管路終端與對手件之間的壓緊力。

③制動硬管密封的原理：同上圖，可以看到制動硬管端頭在制動硬管端頭螺母擰緊后，螺母會沿管路軸線向管路端頭施加軸向力，在該力的作用下，制動硬管的端頭會與對手件緊緊貼死實現密封，同時管路端頭會產生彈性形變以實現更好的密封性能[2]。

3 制動硬管密封的實現

下面我們通過一組實驗設備來研究制動硬管的密封所需求的力矩。

3.1 實驗設備

Torque to load 扭矩測試是進行該制動硬管的密封研究的測試方法，該測試方法是經過眾多項目積累和產品開發后總結而來。本試驗需要的設備圖片如圖4所示。該試驗裝置可以繪制出擰緊力矩，擰緊轉角和制動硬管的軸向傳遞壓力曲線圖。

圖4 測試設備示意圖

試驗裝置包含以下部分：

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可調整的扭矩和轉角測試部件；

⑤數據接收單元；

⑥專門的測試軟件用于獲取試驗數據；

⑦專門的電子表格用于存儲數據分析所需的原始數據和曲線。

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 傳感器等設備布置示意圖

3.2 Torque load 試驗過程

①確認所需元件電源開通，連接好被測量對象；

②打開特有的軟件，進入試驗界面；

③使用前按F5 清零，按F1 開始新的檢測；

④檢測時用專用扳手平穩勻速的加載到所要求的扭矩或軸向載荷（如果由于轉角大觸及支撐柱，那么可以將扳手轉回到起始位置后繼續加載到所要求的數值），隨后將扳手上的方向桿撥到松開一側，平穩勻速的松開連接。一旦軸向力值低于設定臨界點，數據會隨即停止記錄，可將數值粘貼到相應的Excel 計算表中，形成三軸和四軸圖。通過軟件顯示界面可以實時讀出扭矩及軸向力值，方便操作者選擇停止加載的時機；

⑤點擊EXIT 退出軟件，卸下被測量對象并關閉所用電源結束檢測。

實驗過程如圖6所示。

圖6 測試過程示意圖

3.3 Torque load 試驗步驟

①將相關試驗零部件的測試實驗件放置設定后的臺架設備中；

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，并開始打緊記錄數據；

④施加力矩并記錄數據。

3.4 實驗數據收集

通過實驗設備數據收集，我們可以得到如下圖所示的力矩與擰緊角度，以及軸向力的關系曲線如圖7所示。

圖7 力矩與轉角與軸向壓力關系圖

關于該圖表的解釋說明（該圖表基于特定的一種摩擦系數產品試驗結果繪制）：

①圖表右側部分為力矩和軸向傳遞壓力的對應關系；

②圖表左側部分為轉角和軸向傳遞壓力的對應關系；

③圖表左側粗實線可以代表擰緊力矩的邊界數值，即在硬管接頭力矩打緊過程中，能夠達到最大力矩值由摩擦系數決定，打緊力矩數值有限定；

④圖表右側粗實線可以代表擰緊角度的邊界數值，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 結論

4.1 制動硬管接頭的密封實現要素

密封實現要素①：硬管的密封接頭打緊合理的轉角。

密封實現要素②：硬管接頭的扭轉力矩。

密封實現要素③：傳遞在管路軸向上的合理的軸向力。

密封實現要素④：兩個緊固件之間的摩擦系數。

4.2 密封要素之間的關系

從緊固件擰緊力矩原理的角度，一定的摩擦系數決定了一定的擰緊力矩，進而這這種力矩決定了一定的軸向力，軸向力最終實現了良好的密封效果[3]。因而，管路的擰緊力矩是通過類似力矩密封和失效試驗驗證來找到合打緊力矩，而不能盲目地依靠經驗去設定力矩。

從上圖的曲線中，可以得出如下幾點：

①設置過高的力矩不能傳遞更高的軸向力；

②工藝力矩設定得太高也會出實際力矩的擰緊過程中根本不能到達目標的力矩值的現象；

③密封要素中的關鍵參數摩擦系數，將直接決定力矩的設置，基于上述試驗可以基本得到擰緊力矩及轉角的邊界范圍。

5 結語

此外，制動硬管的擰緊力矩的設置，除了需要基于以上的試驗測定，進行扭矩和轉角數值范圍的初步設定。同時需要再通過力矩失效和力矩密封試驗來進行試驗驗證得到合理的力矩的設置值。