汽车软管的一般选型原则
刘怀现，冯 刚，张崇森
（1.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000；
2.山东美晨工业集团有限公司，山东 诸城 262200）
软管是一种使用骨架增强的、柔软的橡胶制品，其将材料或能量从一个点输送至另一个点。软管是管路系统的重要部件，广泛应用于汽车、工程机械、石油、化工、摩托车等领域。汽车软管是汽车各管路系统中的重要连接部件，承担着缓冲振动和吸收装配误差的作用。
汽车软管的材质、生产工艺、工作介质、增强层结构、空间形状、装配方式和使用方式对软管的性能、使用寿命和配套设备的安全性及可靠性有着极大影响。汽车设计相关人员应对软管的种类和结构全面了解，在实际工作中选材恰当、结构设计合理、装配得当，避免配套设备使用过程出现异常。若软管的使用寿命不能达到设计寿命，会导致频繁检修、材料浪费，造成不必要的经济损失[1-3]。
随着汽车发动机舱的零件布置越来越紧凑，汽车软管的种类和使用的材料（橡胶、塑料和增强层材料等）种类越来越多，其所处工作环境也越来越恶劣，技术要求越来越高。因受橡胶材料、增强层材料和增强层结构的影响，不同工艺软管的承压能力和成本差别较大。因此，应了解汽车软管的基本性能，正确地选择、安装和使用，以避免非预期质量问题的发生。
汽车软管的典型结构如图1所示。最里层是内衬层，用于接触被输送的材料。内衬层材料，无论是橡胶还是塑料，都必须与输送的物料有良好的不相容性。内衬层材料和厚度取决于预期用途。内衬层外为增强层，由金属（网或丝）、聚合物和/或织物覆盖物组成，使软管能够承受内部和外部的压力和损害。最外层是外覆层，需要采用耐候型的合成橡胶制成，保护增强层，避免增强层暴露于环境、流体污染和物理损害而发生损坏。在某些软管中，增强层也可以作为外覆层。
增强层是软管承压的部分，要求具有较高的刚度和强度[4]。常用的增强织物包括棉纤维、聚酯纤维、芳纶纤维和人造丝等。增强层决定软管承压能力，按照承压能力要求不同，可以采用编织（单层或多层编织）结构、缠绕结构、针织结构和夹布结构（见图2）。在相同层数、规格、材质条件下，承压能力从大到小顺序为编织结构、缠绕结构、针织结构（夹布结构基本无单层，不参与排序）。
针织软管采用不同的针织结构，其承受压力的能力也不相同。针织软管在轴向单位长度内承受径向压力的纱线根数越多，其径向承受的负荷越大，爆破压力也越大。与编织、缠绕增强层结构相比，针织网花伸缩性较大，导致同规格针织软管的爆破压力最小，相同压力下其外径膨胀率最大。
汽车软管是汽车各子系统的关键零件，品种主要包括汽车冷却及加热系统软管、汽车燃油系统软管、汽车转向系统软管、汽车制动系统软管、汽车空调系统软管、汽车进气系统软管、汽车变速箱油冷系统软管和汽车车身附件系统软管[5]。
汽车冷却与加热系统软管主要包含汽车水箱、暖风机、副水箱、散热器的连接管路，其一般采用耐高温、耐防冻液的合成橡胶[以三元乙丙橡胶（EPDM）为主]，工作介质是防冻液。为解决低温渗漏问题，汽车厂对橡胶低温压缩永久变形的要求越来越严格。
汽车燃油系统软管包含油泵、燃油滤清器、发动机和尾气处理之间的连接管路。其主要由耐燃油渗透的合成橡胶、复合树脂或合成橡胶与树脂的共聚物加上增强层构成，主要工作介质是汽油或柴油。为满足相关排放标准，汽车厂对燃油系统软管的燃油流经渗透量的要求越来越严格。
汽车转向系统软管包含储油杯（油壶）、助力转向泵、助力转向器的连接管路。其一般由耐高温、耐屈挠的合成橡胶和耐高压增强层构成，软管两端与碳钢或不锈钢金属管路连接，工作介质为液压油（动力转向油）。
汽车制动系统软管主要包含离合器总泵、真空助力器、制动分泵和空气压缩泵的连接管路。其一般由烯烃类合成橡胶、尼龙树脂及带有金属接头的碳钢管等构成。工作介质主要为制动液或压缩空气。目前制动液的主要牌号是DOT3或DOT4。
汽车空调系统软管主要包含空调散热器、冷凝器、干燥罐的连接管路。其一般为纯橡胶软管或橡胶/树脂复合软管，有时与碳钢或轻合金管路组合成总成件，主要工作介质是空调冷媒。目前主流的冷媒为1，1，1，2-四氟乙烷（R134a）、四氟丙烯（R1234YF）和二氧化碳等。
汽车进气系统软管主要包括空滤器、涡轮增压器、中冷器、发动机、曲轴通风箱之间的连接管路。不同位置的软管工作温度差异较大。工作介质为高温、中压的油气混合气、空气。
汽车油冷系统软管主要为自动变速箱、变速箱散热器之间的连接管路，主要工作介质是高温、高压的变速箱润滑油。
应根据应用系统和安装位置而选择合适的软管、链接和软管总成，并考虑软管的尺寸、软管的工作温度（环境温度及介质温度）、系统工作压力和系统介质种类等因素。
4.1 软管尺寸
为了使介质保持适当的流量和流速，软管的内径选择非常重要。软管内径过小会造成介质流速过快，内径过大会造成管内压力达不到要求。由于不同软管总成的端口尺寸有差异，许多软管需要设置变径。针织软管和夹布软管的变径利用软管模具实现。针织软管的变径率一般不大于30%；
夹布软管的变径率不受限制，但是考虑对流速和压力的影响，变径率不能过大；
编织软管和缠绕软管受增强层结构的影响，变径率一般建议不超过10%，过大的变径率可以利用扣压接头实现。
4.2 工作温度
软管的工作温度范围由介质温度和环境温度决定。无论是正常使用温度还是瞬时使用温度，都不能超过软管的工作温度极限，否则软管性能会降低，缩短软管使用寿命[6-9]。
不同橡胶材料的适应温度范围如表1所示。
表1 不同橡胶材料的适用温度范围 ℃
汽车软管工作温度不仅需要考虑胶料的耐热性能，还需要考虑增强层的耐热性能，如聚酯纤维不能在高于150 ℃的环境中长期使用。
4.3 使用条件
由于汽车用异型软管对性能要求的多样性，软管可选择的橡胶品种越来越多，并要求不断出现新材料，以满足高性能的需要。选择汽车软管时，了解产品的应用目的是非常重要的，包括产品安装的总成所属系统或安装位置。如汽车软管在冷却系统还是燃油系统使用，使用条件直接决定汽车软管的橡胶材料和增强层结构选择。
在选择橡胶材料时，不仅需要考虑满足使用要求的技术条件，还要考虑其加工工艺性、经济性和成本。汽车软管大多安装在发动机或散热器周围，随着整车机舱内布置越来越紧凑，不同零件间的间距也越来越小，由100 mm减小至15 mm。在汽车发动之后，发动机周围环境温度迅速升高，软管所需承受温度也不断上升，在高温条件下，软管的耐油和耐热性能下降，加速软管的老化，缩短其使用寿命。现代汽车对软管提出了新的要求，主要是由于发动机周边温度的提高、高芳烃无铅燃料应用和乙醇改性和其他添加剂加入燃料的应用。因此，汽车软管的使用条件，除要求耐特定介质外，还要求极好的耐热老化性能及在受力状态下的耐动态臭氧老化性能。
4.4 工作介质
工作介质是指软管输送的物料，如液态石油基油类、植物油、有机溶剂、酸碱液或其混合物，状态分为液体、气体。介质的性能及状态决定着软管内衬层的耐介质和耐摩擦性能。根据不同介质可选用适合的橡胶品种和配方设计。如选择不合适，会导致内衬层溶胀、脱落，从而造成配套设备故障。明确了工作介质，软管的材质就有一个明确的界定。如输送冷却液的软管，应选择水管材质与其匹配。如输送特殊化学品等，则需要根据橡胶材料对于化学品的耐受程度慎重选择。常用橡胶材料的耐介质性能对比如表2所示。
表2 常用橡胶的耐介质性能对比
4.5 工作压力
工作压力是软管设计的关键因素，其最小推荐工作压力不得小于最大系统压力，压力瞬时峰值也须评估。冷却系统和进气系统用橡胶软管的爆破压力一般是最大工作压力的3～4倍，试验压力是最大工作压力的1.33倍；
燃油系统用橡胶软管和动力转向系统用高压橡胶软管的爆破压力一般是最大工作压力的5～10倍，试验压力是最大工作压力的2倍。汽车软管的一般工作压力、试验压力和爆破压力要求如表3所示。
表3 汽车软管的压力要求 MPa
4.6 空间形状
汽车软管在实际设计过程中受空间因素的影响，针织软管的形状更容易设计为各种复杂形状。但从软管性能考虑，软管中心线夹角不应小于90°，夹角越小，在流体输送过程中形成的流体冲击和压降就会越大。
综上所述，汽车软管的选择原则为：根据外部工作环境及与内衬层粘合要求选择软管外覆层橡胶材料及其配方设计；
根据所输送介质选择软管内衬层材料及其配方设计；
根据使用条件选择软管端部连接结构（如扣压结构、快插结构和卡箍结构等）形式，其中扣压结构适用于高压条件下使用，双耳弹性卡箍结构适合低压条件下使用；
根据工作条件（如设计工作压力、环境温度、工作温度、振动振幅及频率）选择软管增强层材料，确定软管增强层结构设计和最小爆破压力；
根据接头配合方式确定软管内径，选择安全使用的最小弯曲半径。如软管选择严格按照上述程序进行，就可以保证软管选择合理、使用安全、可靠、经济，可取得较好效果，避免非预期失效问题的产生，保障配套装备的安全使用。