趙 毅, 方 健, 朱 偉

Zhao Yi, Fang Jian, Zhu Wei

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 引 言

整車是由各個(gè)系統(tǒng)組成，包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、儀表及電器系統(tǒng)和車身系統(tǒng)。確保系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的正常協(xié)調(diào)工作是通過各種管路實(shí)現(xiàn)的。整車管路類似人體的血管和神經(jīng)，將系統(tǒng)內(nèi)部的工作介質(zhì)或各種信號(hào)（壓力、流量和其他邏輯電信號(hào)等）傳輸?shù)讲煌牟考到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，發(fā)揮系統(tǒng)性能。

1 管路布置質(zhì)量

汽車在行駛時(shí)由于工況的不同會(huì)遇到各種典型和極限運(yùn)動(dòng)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤與整車的運(yùn)動(dòng)幅度存在一定差異，各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的管路相互連接，并且特性不一，運(yùn)動(dòng)幅度不一，如果布置設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造質(zhì)量無法確保安全的管路運(yùn)動(dòng)間隙，隨著汽車的整體運(yùn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)各種管路運(yùn)動(dòng)干涉、損壞，甚至引起重大安全問題，如線束短路、著火、制動(dòng)失效和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高等。通過對(duì)2004年國(guó)內(nèi)外近900例整車召回信息分析得出，由于管路質(zhì)量隱患引起的召回案例達(dá)到135起，占16.2%。其中包含幾大汽車巨頭在內(nèi)的大部分廠商都未能幸免，具體統(tǒng)計(jì)分布見圖1、圖2。如何確保整車管路質(zhì)量對(duì)各大生產(chǎn)廠商具有極其重要的戰(zhàn)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(shí)需要考慮管路的基本特性要求和工藝要求，并根據(jù)管路類型選擇準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)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(zhǎng)度一定，安裝后具有一定形狀，而材料特性各異，在數(shù)模布置時(shí)很難反映實(shí)際安裝狀態(tài)，容易引起管路干涉、磨損等問題，但非成型管具備工藝簡(jiǎn)單，加工方便等優(yōu)點(diǎn)；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(fù)雜，開發(fā)生產(chǎn)成本有一定增加。

按照汽車系統(tǒng)功能可以分為線束、冷卻水管、空調(diào)管（軟管和硬管）、燃油管（軟管和硬管）、轉(zhuǎn)向管（硬管、低壓軟管和高壓軟管）、制動(dòng)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(dòng)拉索）等。

3 管路布置方法

發(fā)動(dòng)機(jī)艙和底盤運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，存在完全相對(duì)運(yùn)動(dòng)和不完全相對(duì)運(yùn)動(dòng)，見圖3，并且運(yùn)動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)量各不一致，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生巨大熱量，極限情況下排氣歧管溫度可達(dá)700～800 °C，有些管路過長(zhǎng)，為約束管路的位置需要考慮增加固定點(diǎn)，管路長(zhǎng)度對(duì)空間走向起著決定影響。

3.1 動(dòng)、靜態(tài)間隙

確保各種管路在運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)中不發(fā)生干涉和磨損，必須保證管路設(shè)計(jì)間隙滿足管路各種極限工況下的運(yùn)動(dòng)量以及尺寸極限偏差。結(jié)合具體案例對(duì)動(dòng)、靜態(tài)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(tài)間隙，此處用CS表示；A段隨著動(dòng)力總成一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到各種工況下的極限情況時(shí)，A段與空濾的間隙為動(dòng)態(tài)間隙，此處用CD表示。

A段的運(yùn)動(dòng)量用AD表示，其中AD=CS-CD。

管路的制造公差和偏差相對(duì)于其他零件會(huì)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(tài)間隙大于運(yùn)動(dòng)量（AD）和尺寸極限偏差（CT）之和，即靜態(tài)間隙CS＞AD+CT，在各種工況下管路才可以確保安全。

對(duì)于完全相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，AD可以通過動(dòng)力總成懸置特性計(jì)算得到，對(duì)于不完全相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量BD可以通過仿真CAE軟件根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的極限運(yùn)動(dòng)求得，即把不完全相對(duì)運(yùn)動(dòng)BD轉(zhuǎn)化為完全相對(duì)運(yùn)動(dòng)AD。

3.2 熱間隙

傳統(tǒng)能源汽車排氣歧管表面溫度在極限情況下會(huì)達(dá)到700～800°C，排氣管和消音器表面溫度也可達(dá)200～500°C。對(duì)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(jù)熱場(chǎng)分析保證足夠間隙。

各個(gè)熱源的發(fā)熱量不相同，同時(shí)熱敏感零件的材料和特性各異，整車管路布置時(shí)需要根據(jù)熱敏感零件的性能預(yù)留足夠的熱輻射間隙。如果預(yù)留間隙不能滿足要求，首先需要對(duì)各個(gè)工況下的熱負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行虛擬分析計(jì)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(cè)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(jí)，同時(shí)需要平衡各方案的成本，見圖5。

3.3 重力和內(nèi)、外部液體溫度的影響

在管路虛擬布置時(shí)通常只考慮管路外形，而管路自身和內(nèi)部液體的重力因素引起的管路變化通常很難考量，發(fā)動(dòng)機(jī)艙環(huán)境溫度和管路內(nèi)部的液體溫度會(huì)進(jìn)一步加速管路下沉。以發(fā)動(dòng)機(jī)水管布置為例探討如何在布置管路時(shí)充分考慮重力和內(nèi)、外溫度的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)水管外徑一般在20～50 mm之間，內(nèi)部高溫的冷卻液溫度一般達(dá)110°C左右。圖6是外徑為40 mm、長(zhǎng)750 mm的暖風(fēng)水管原始設(shè)計(jì)與考慮重力和溫度后的對(duì)比，如果中間沒有約束固定點(diǎn)，通過CAE分析重力、溫度對(duì)水管的影響，水管會(huì)下沉50 mm。

3.4 約束系統(tǒng)-固定點(diǎn)

每個(gè)系統(tǒng)管路通常連接兩部分零件，例如燃油管需要經(jīng)過燃油泵、燃油濾清器到發(fā)動(dòng)機(jī)油軌，由于回路過長(zhǎng)，中間必須在合理位置增加固定點(diǎn)以保證管路的設(shè)計(jì)狀態(tài)。對(duì)于硬管，一般400～600 mm安裝一個(gè)固定點(diǎn)；對(duì)于軟管，一般 200～300 mm安裝一個(gè)固定點(diǎn)，但也需要根據(jù)實(shí)際工況合理布置。

固定點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要有效可靠，起到約束限位作用，防止固定點(diǎn)偏移、旋轉(zhuǎn)、下沉或左右竄動(dòng)。固定點(diǎn)在某一方向的變化，如果管路較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)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(dòng)力轉(zhuǎn)向油管固定點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)管路的限位欠佳，造成管路在裝配之后會(huì)向上和向下旋轉(zhuǎn)達(dá)10°之多，與固定點(diǎn)130 mm之處造成管路彎角處偏差達(dá)24 mm，對(duì)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(gè)防止上下移動(dòng)的固定點(diǎn)，很好地起到約束管路的作用。固定點(diǎn)的選擇，包括固定方式、限位效果、失效模式分析等在設(shè)計(jì)階段都要進(jìn)行全面評(píng)估，確保限位起到預(yù)期效果，見圖8。

3.5 長(zhǎng)度對(duì)間隙的影響

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

圖9中，當(dāng)管路1的長(zhǎng)度由A增加了Δ，即管路 1的長(zhǎng)度為A+Δ，兩個(gè)固定點(diǎn)不變，管路拱出ΔX，簡(jiǎn)化A+Δ為一段圓弧，且0＜ΔX＜A/2，見圖10模型1，則根據(jù)數(shù)理推斷可求解

利用Taylor公式求解得到

如果管路1的長(zhǎng)度Δ增大很多，若ΔX＞A/2=R，簡(jiǎn)化A+Δ變?yōu)橐粭l折線，管路長(zhǎng)度增加后，將模型簡(jiǎn)化為三角形，見圖11模型2。

通過分析模型1和模型2，對(duì)長(zhǎng)度變化量Δ/A與偏移量ΔX進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，具體參見圖 12的曲線，由此可知長(zhǎng)度增加得越多，偏移量也越大。在緊湊型的整車布置中，對(duì)管路進(jìn)行布置和設(shè)計(jì)時(shí)，有效控制管路名義長(zhǎng)度非常關(guān)鍵，否則很可能會(huì)引起管路的干涉磨損等問題。

4 CAE管路分析

項(xiàng)目前期開發(fā)時(shí)，業(yè)內(nèi)常用方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)管路走向，然后根據(jù)實(shí)車制造進(jìn)行調(diào)整，往往會(huì)對(duì)項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用造成很大影響，探索性地提出對(duì)關(guān)鍵零件和管路CAE虛擬模擬，找出最佳布置方案，得到整車設(shè)計(jì)狀態(tài)下的數(shù)模，以提高布置質(zhì)量的穩(wěn)健性，有效降低開發(fā)成本。進(jìn)行CAE分析時(shí)務(wù)必充分考慮材料特性，管路內(nèi)、外環(huán)境溫度，重力，典型和極限加速度，管路約束系統(tǒng)固定限位和內(nèi)部工作壓力對(duì)管路外形的各種影響。

針對(duì)不同類型的管路，采用不同的運(yùn)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(fā)動(dòng)機(jī)，水管相對(duì)于防火墻具有不完全相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在Z方向±6 g加速度情況下，水管上下運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)達(dá)15 mm。具體案例見圖13。

梁?jiǎn)卧治龇椒ㄒ话氵m用于非成型管，如拉索、制動(dòng)軟管、電器線束等。例如ABS制動(dòng)軟管與制動(dòng)卡鉗相連，制動(dòng)卡鉗隨懸架做全轉(zhuǎn)向、全跳動(dòng)等極限運(yùn)動(dòng)。根據(jù)整車動(dòng)態(tài)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(dòng)卡鉗的極限運(yùn)動(dòng)且保證不干涉和磨損，且經(jīng)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(zhì)量

顧客在購(gòu)買汽車時(shí)，不僅關(guān)注汽車的性能和價(jià)格，外觀質(zhì)量也是一重要考量項(xiàng)。高質(zhì)量的汽車外觀不僅提升整車品質(zhì)，還可提升顧客對(duì)品牌的忠誠(chéng)度，進(jìn)而提升品牌價(jià)值。

整車管路外觀質(zhì)量的高低，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙外觀質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)艙管路布置過程中，在確保各個(gè)管路系統(tǒng)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(xié)調(diào)性，零部件和周邊鈑金的集成性等內(nèi)容對(duì)管路進(jìn)行優(yōu)化和改善。

6 管路布置質(zhì)量驗(yàn)證

整車和子系統(tǒng)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(jīng)過虛擬布置和設(shè)計(jì)的管路，進(jìn)行充分的物理試驗(yàn)可以及早發(fā)現(xiàn)潛在的布置和設(shè)計(jì)問題，為后期的管路質(zhì)量管理和控制提供保障，管路相關(guān)的試驗(yàn)一般分為3類：

（1）管路本身的各項(xiàng)性能試驗(yàn)，如爆破試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)等。主要是為了驗(yàn)證零件是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）整車臺(tái)架試驗(yàn)。主要目的是為了驗(yàn)證整車懸架在物理極限情況下（如全轉(zhuǎn)向最大上、下跳）管路的運(yùn)動(dòng)情況，以彌補(bǔ)道路試驗(yàn)無法達(dá)到的極限狀態(tài)；

（3）整車道路試驗(yàn)，可靠性試驗(yàn)。最能反映管路常會(huì)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(yàn)開始、試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)都需要對(duì)整車管路進(jìn)行全方位仔細(xì)的評(píng)估和記錄，記錄管路之間的間隙和狀態(tài)，形成整車管路數(shù)據(jù)庫(kù)，建立指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)并為后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)提供支持。

7 結(jié)束語(yǔ)

整車管路布置開發(fā)在項(xiàng)目開發(fā)中處于非常關(guān)鍵的位置，借助豐富的虛擬布置方法和實(shí)物驗(yàn)證手段，確保前期布置設(shè)計(jì)質(zhì)量的穩(wěn)健性，各系統(tǒng)的功能和性能才能保證。本布置方法和流程已經(jīng)在SGM多個(gè)平臺(tái)、多個(gè)車型的開發(fā)過程中應(yīng)用和驗(yàn)證，涉及幾百萬輛各式整車，并歷經(jīng)多次改進(jìn)和優(yōu)化，有效地指導(dǎo)整車管路開發(fā)。

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