整车管路布置及质量控制研究

2012-11-05赵毅,方健,朱伟

北京汽车 2012年6期

赵毅, 方健, 朱伟

Zhao Yi, Fang Jian, Zhu Wei

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

0 引言

整车是由各个系统组成，包括动力系统、传动系统、行驶系统、转向系统、制动系统、仪表及电器系统和车身系统。确保系统内部以及系统与系统之间的正常协调工作是通过各种管路实现的。整车管路类似人体的血管和神经，将系统内部的工作介质或各种信号（压力、流量和其他逻辑电信号等）传输到不同的部件系统，实现预期功能，发挥系统性能。

1 管路布置质量

汽车在行驶时由于工况的不同会遇到各种典型和极限运动，同时发动机和底盘与整车的运动幅度存在一定差异，各个系统内部以及系统与系统之间的管路相互连接，并且特性不一，运动幅度不一，如果布置设计质量和制造质量无法确保安全的管路运动间隙，随着汽车的整体运动，会出现各种管路运动干涉、损坏，甚至引起重大安全问题，如线束短路、着火、制动失效和发动机温度过高等。通过对2004年国内外近900例整车召回信息分析得出，由于管路质量隐患引起的召回案例达到135起，占16.2%。其中包含几大汽车巨头在内的大部分厂商都未能幸免，具体统计分布见图1、图2。如何确保整车管路质量对各大生产厂商具有极其重要的战略意义。

2 管路基本工艺特性

汽车管路种类繁多，材料特性各异，形状也随布置和功能要求不同而各异，虚拟布置时需要考虑管路的基本特性要求和工艺要求，并根据管路类型选择准确的设计和分析方法。

按照工艺类型分为两类：一类为非成型管，如非成型胶管、拉索和线束。其长度一定，安装后具有一定形状，而材料特性各异，在数模布置时很难反映实际安装状态，容易引起管路干涉、磨损等问题，但非成型管具备工艺简单，加工方便等优点；另一类为成型管，如成型胶管、塑料管或尼龙管。成型管是通过模具成型，在管路布置中，成型管布置容易，但由于模具和工艺复杂，开发生产成本有一定增加。

按照汽车系统功能可以分为线束、冷却水管、空调管（软管和硬管）、燃油管（软管和硬管）、转向管（硬管、低压软管和高压软管）、制动管（软管和硬管）、拉索（离合器拉索、油门拉索、变速器选换挡拉索、驻车制动拉索）等。

3 管路布置方法

发动机舱和底盘运动非常复杂，存在完全相对运动和不完全相对运动，见图3，并且运动特性和运动量各不一致，同时发动机在工作时产生巨大热量，极限情况下排气歧管温度可达700～800 °C，有些管路过长，为约束管路的位置需要考虑增加固定点，管路长度对空间走向起着决定影响。

3.1 动、静态间隙

确保各种管路在运动和振动中不发生干涉和磨损，必须保证管路设计间隙满足管路各种极限工况下的运动量以及尺寸极限偏差。结合具体案例对动、静态间隙作深入分析。

如图4所示，A段在静止情况下与空滤的间隙为静态间隙，此处用CS表示；A段随着动力总成一起运动，当运动到各种工况下的极限情况时，A段与空滤的间隙为动态间隙，此处用CD表示。

A段的运动量用AD表示，其中AD=CS-CD。

管路的制造公差和偏差相对于其他零件会更大，此处用CT表示尺寸极限偏差。

通过工况和尺寸分析可以得知，只有静态间隙大于运动量（AD）和尺寸极限偏差（CT）之和，即静态间隙CS＞AD+CT，在各种工况下管路才可以确保安全。

对于完全相对运动的运动量，AD可以通过动力总成悬置特性计算得到，对于不完全相对运动的运动量BD可以通过仿真CAE软件根据发动机的极限运动求得，即把不完全相对运动BD转化为完全相对运动AD。

3.2 热间隙

传统能源汽车排气歧管表面温度在极限情况下会达到700～800°C，排气管和消音器表面温度也可达200～500°C。对于在热源周围分布的各种管路，要确保不被热源损坏，必须根据热场分析保证足够间隙。

各个热源的发热量不相同，同时热敏感零件的材料和特性各异，整车管路布置时需要根据热敏感零件的性能预留足够的热辐射间隙。如果预留间隙不能满足要求，首先需要对各个工况下的热负荷状态进行虚拟分析计算，为热间隙过小的问题提供方案选择和参考。一般可供选择的方案有：在热源侧增加单层或者多层隔热罩，或者提升热敏感零件的耐热等级，同时需要平衡各方案的成本，见图5。

3.3 重力和内、外部液体温度的影响

在管路虚拟布置时通常只考虑管路外形，而管路自身和内部液体的重力因素引起的管路变化通常很难考量，发动机舱环境温度和管路内部的液体温度会进一步加速管路下沉。以发动机水管布置为例探讨如何在布置管路时充分考虑重力和内、外温度的影响。

发动机水管外径一般在20～50 mm之间，内部高温的冷却液温度一般达110°C左右。图6是外径为40 mm、长750 mm的暖风水管原始设计与考虑重力和温度后的对比，如果中间没有约束固定点，通过CAE分析重力、温度对水管的影响，水管会下沉50 mm。

3.4 约束系统-固定点

每个系统管路通常连接两部分零件，例如燃油管需要经过燃油泵、燃油滤清器到发动机油轨，由于回路过长，中间必须在合理位置增加固定点以保证管路的设计状态。对于硬管，一般400～600 mm安装一个固定点；对于软管，一般 200～300 mm安装一个固定点，但也需要根据实际工况合理布置。

固定点的设计需要有效可靠，起到约束限位作用，防止固定点偏移、旋转、下沉或左右窜动。固定点在某一方向的变化，如果管路较长，会导致远端管路位置偏差放大，引起管路干涉、磨损或其他问题。例如某动力转向油管固定点设计对管路的限位欠佳，造成管路在装配之后会向上和向下旋转达10°之多，与固定点130 mm之处造成管路弯角处偏差达24 mm，对周围零件间隙造成很大影响，见图 7。通过在弯角后面增加 1个防止上下移动的固定点，很好地起到约束管路的作用。固定点的选择，包括固定方式、限位效果、失效模式分析等在设计阶段都要进行全面评估，确保限位起到预期效果，见图8。

3.5 长度对间隙的影响

管路长度的布置和设计一般考虑正偏差，即为了满足安装和制造要求，管路一般会比名义值偏大。管路一般是在二维平面内走向，但如果管路过长，由于管路长度引起的间隙减小会非常明显。以图9所示管路1为例，即两端固定，分析固定点中间的长度变长对管路1与管路2间隙C1的影响。

图9中，当管路1的长度由A增加了Δ，即管路 1的长度为A+Δ，两个固定点不变，管路拱出ΔX，简化A+Δ为一段圆弧，且0＜ΔX＜A/2，见图10模型1，则根据数理推断可求解

利用Taylor公式求解得到

如果管路1的长度Δ增大很多，若ΔX＞A/2=R，简化A+Δ变为一条折线，管路长度增加后，将模型简化为三角形，见图11模型2。

通过分析模型1和模型2，对长度变化量Δ/A与偏移量ΔX进行数据统计，具体参见图 12的曲线，由此可知长度增加得越多，偏移量也越大。在紧凑型的整车布置中，对管路进行布置和设计时，有效控制管路名义长度非常关键，否则很可能会引起管路的干涉磨损等问题。

4 CAE管路分析

项目前期开发时，业内常用方法是根据经验设计管路走向，然后根据实车制造进行调整，往往会对项目开发时间和费用造成很大影响，探索性地提出对关键零件和管路CAE虚拟模拟，找出最佳布置方案，得到整车设计状态下的数模，以提高布置质量的稳健性，有效降低开发成本。进行CAE分析时务必充分考虑材料特性，管路内、外环境温度，重力，典型和极限加速度，管路约束系统固定限位和内部工作压力对管路外形的各种影响。

针对不同类型的管路，采用不同的运算分析方法，壳单元分析方法一般适用于成型管如水管、燃油管等。例如某水管一端固定在防火墙，另一端固定在发动机，水管相对于防火墙具有不完全相对运动，在Z方向±6 g加速度情况下，水管上下运动12 mm；在X方向±11 g加速度情况下，通过CAE按水管材料特性加载，得出水管前后运动达15 mm。具体案例见图13。

梁单元分析方法一般适用于非成型管，如拉索、制动软管、电器线束等。例如ABS制动软管与制动卡钳相连，制动卡钳随悬架做全转向、全跳动等极限运动。根据整车动态定义，轮胎最大上跳一般在 70～120 mm，下跳一般在 80～100 mm，ABS软管布置必须克服制动卡钳的极限运动且保证不干涉和磨损，且经受住拉伸和压缩的频繁工况，具体案例见图14。