气压制动系统用管接头的设计及应用探讨

1 前言

随着技术的发展，用户和车辆管理部门对商用车行驶安全性提出了更高的要求。对从事人员和货物运送的商用车来讲，保证其制动系统可靠性就显得尤为重要。管接头作为制动回路的连接元件，对回路气密性保障发挥重要作用。围绕管接头布置和设计应用时需要注意的事项进行介绍。

2 气压制动回路介绍

气压制动回路有行车制动回路、驻车制动回路及辅助用气回路等。图1所示为某牵引车气压制动回路原理图。

对于行车制动回路，按GB 7258-2017的要求，应采用双回路或多回路。图1在回路布置上，回路保护阀的21口、22口分别通向行车储气筒1和储气筒2，经脚制动阀21口、22口输出的压缩空气各自形成两个分支回路，除了控制前/后桥制动，还通向挂车阀41口和42口，作为挂车行车制动的控制回路。

图1 气压制动原理图

对于驻车制动回路，从驻车储气筒3分出3条支路，分别通向挂车阀11口，手制动阀1口、驻车继动阀1口。手制动阀21口连接驻车继动阀4口作为中后桥驻车制动的控制回路，手制动阀22口连接挂车阀43口作为挂车驻车制动的控制回路。

当前回路保护阀已逐渐由四回路拓展为多回路，针对多回路保护阀，驻车制动回路直接接空气处理单元，允许省去图1中的驻车储气筒3。多回路保护阀接口关系如表1。

表1 多回路保护阀接口关系

3 管接头应用特点

3.1 基本信息

气压制动系统常用的管接头有三种结构形式，有用于管路连接的卡套式管接头(如Q800B系列)、快插接头(如 Voss 230、Voss232)和用于气压检测的压力测试连接器。

3.2 卡套式管接头

卡套式管接头当前只用于空气压缩机与空气处理单元回路双层卷焊钢管或冷拔无缝钢管两端的连接，除个别活动位置还使用橡胶管外，其它回路基本上都使用尼龙管+快插接头的形式，主要基于以下考虑。

a.金属管具有耐高温、散热快的特点，空气压缩机与空气处理单元回路通常要求满足-40℃-+210℃的使用温度，而尼龙管不能满足此温度要求；

b.卡套式连接要求控制螺母拧紧力矩，否则有可能因密封不严而漏气，存在一定风险。此外，卡套式管接头刃口比较尖锐，容易损伤尼龙管，故不在尼龙管上使用；

c.钢管内部易锈蚀，而尼龙管不存在锈蚀问题，所以尼龙管的应用范围更广；

d.金属管无法随意弯曲，要采用很多过渡接头，对回路的制动响应会造成不利影响（按GB 12676-2014要求，当促动时间为0.2 s时，从开始促动制动系统控制装置至制动气室的压力达到稳态最大压力值的75%时所经历的时间不应超过0.6 s）。根据相关资料，影响回路响应时间的因素见表2[1]。通过优化管路和接头选用，可达到或超过法规要求。

表2 影响回路响应时间的因素[1]

3.3 快插接头

某商用车产品当前使用的钢质直通快插接头结构形式见图2。快插接头材料主要有碳钢、铜合金和尼龙，部分企业为了兼顾防腐和轻量化会使用一些铝合金快插接头。

图2 直通快插接头结构形式

相比于钢质快插接头，尼龙快插接头无锈蚀现象，同时也易实现轻量化，但试验发现，目前工艺条件下与φ6×1尼龙管配合的尼龙接头存在低温冲击强度不足的风险。针对此问题，目前小规格的快插接头通常使用铜合金来保证接头强度，其余规格使用尼龙材料，以兼顾密封性能、成本和轻量化要求。

对于尼龙快插接头，除了低温冲击强度、耐紫外线、耐化学性和耐氯化锌等要求，还应考虑竹节端倒齿与尼龙管的连接、快插端与螺母座的连接强度。

竹节倒齿与尼龙管的拉脱力最小值可以参照公式1[2]。

式中，σν为PA11/PA12管爆裂压力常数；d1为尼龙管的公称外径值；s为尼龙管的壁厚；π为圆周率。

快插端与螺母座之间的连接强度，评价标准通常有以下3方面。

a.尼龙管是否断裂；

b.尼龙管与接头是否分离；

c.卡环与接头是否分离等。通过试验验证，在达到或超过管总成抗拉强度值时，尼龙快插接头首先发生的失效点一般都在竹节与尼龙管端。

对于碳钢、铜合金和尼龙材料快插接头的功能特性对比见表3。

表3 不同材质快插接头功能特性对比

钢质快插接头的锈蚀问题影响制动功能发挥，对于底盘镀锌零部件，为保证足够的防腐能力，通常要求最小局部厚度15 μm。为了解钢质快插接头镀锌的防腐性能，针对某供应商提供的镀锌彩色钝化的样品，剖切后进行了中性盐雾试验，24 h即已出现红锈，远低于底盘防腐设计要求。盐雾试验前后快插接头照片见图3和图4。分析后认为是由于电磁屏蔽的影响，内部镀厚达不到设计要求。

图3 盐雾试验前

图4 盐雾试验后

为降低锈蚀风险，目前主要采取两种改进方式。

a.增加辅助阳极或使用涂覆工艺，但成本提升很大。部分接头供应商已开发出表面处理为锌铝涂层的快插接头，盐雾时间可达到720 h；

b.使用防腐效果好的材料，如铜合金等。除了锈蚀问题，管路总成密封性也同样重要，以下举两个应用实例。

实例一：供应商反馈，按Q235生产的快插接头在表面处理过程中竹节端倒齿部位易产生磕碰伤见图5，管路总成存在漏气风险。通过现场确认，改用性能更优的20#钢，表面状态有很大提升。20#钢和Q235钢材料和碳含量检验结果对比见表4。

图5 钢质快插接头磕碰伤

表4 20#钢和Q235材料力学性能对比

实例二：快插接头密封圈耐油及热空气老化后的物理特性等对密封性能有较大影响。本企业接头密封圈以前使用NR、EPDM等材料，但试验发现部分管路总成泄露量超标，当更换为耐油、耐候性更好的NBR后，气密性有很大改观。表5为国内某供应商提供的NBR材质密封圈的材料特性检验结果。

表5 密封圈NBR材料特性

3.4 压力测试连接器

3.4.1 法规及标准要求

法规及标准中对压力测试连接器使用相关的要求见表6[3-5]。

表6 与压力测试连接器相关的标准要求

针对图1中的气压制动回路，按表6的法规要求，压力测试连接器的布置方式如表7。

表7 压力测试连接器的布置方式

注：如果制动系统中存在集成了调压功能的ABS模块等其它带有调压功能的装置，按照表6中的要求，也需要在其上下游位置布置压力测试连接器，以方便对调压装置前后的回路压力进行检测。

图6 后桥压力测试连接器布置

图7 后桥驻车制动回路的布置方式

3.4.2 压力测试连接器应用

连接器应满足系统工作压力作用下的密封性并保证阀体和阀芯的滑动配合，目前部分接头供应商已已开发出本体材料为尼龙，带连接器的快插接头具体见图8。

图8 带压力测试连接器的快插接头

连接器在使用中，发生不到一年防尘帽老化断裂现象。通过确认,国外某著名接头供应商防尘帽材料为TPE及CR，国内有个别接头供应商使用EPDM。为了进一步确认实车情况，针对用户已使用两年且防尘帽状态良好的对标车连接器防尘帽和本企业失效防尘帽进行了材料鉴定试验，鉴定结果见表8。

表8 防尘帽材质鉴定结果

结果证明TPE比较NBR，长期耐老化性更好。防尘帽所用材料的性能对比如下：

NBR：耐汽油及脂肪烃的性能很好，气密性较好，但其耐寒性及耐臭氧性较差；

CR：具有优良的耐臭氧性，耐油、耐溶剂、耐酸碱以及耐老化、气密性好等特点。主要缺点是耐寒性较差，比重较大；

EPDM：耐臭氧特性十分突出，耐老化性能优异，具有极好的弹性，但耐油性差；

TPE：耐候性、耐油性均优于CR和EPDM。

材料成本排序：TPE＞CR＞EPDM＞NBR。

考虑到底盘油污环境对EPDM可能造成的脆化风险，为提升整车品质，防尘帽选用CR材料进行整车验证，后续应用效果良好。

4 结束语

本文结合了实际工作经验，对卡套式管接头及各类材质快插接头的整车布置、性能设计及应用差异进行了介绍。最后结合压力测试连接器标准法规要求，对其布置位置及连接器防尘帽在实际使用中出现的质量问题进行了分析介绍，为连接器选用提供参考。