改进型保温挠性软管在某重型卡车上的应用

徐秀，杨含笑，李会，张珂，赵元花

改进型保温挠性软管在某重型卡车上的应用

徐秀，杨含笑，李会，张珂，赵元花

（陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安 710200）

某国六重型卡车排气系统应用单层波纹管+伸缩管的保温软管结构，该结构在整车可靠性试验过程中，两款车型多次出现波纹管断裂问题。经对其结构分析，知现用保温挠性软管刚度过小，在整车运行过程中会发生运动失稳引起波纹管断裂，同时挠性软管两端应力集中引起端边波纹断裂，且波纹管波峰圆角过小（近似尖波）易造成波纹管断裂，故开发改进型保温挠性软管，即双层波纹管（大圆角）、变刚度结构，优化现用保温挠性软管结构，解决波纹管断裂问题。

保温挠性软管；变刚度；双层波纹管

前言

国六车辆对排气系统管路热量损失要求严格，故排气管路包含挠性软管必须有保温功能。保温挠性软管在结构上较普通挠性软管不同，这种软管是否经得起整车可靠性试验，如其结构不合理又该如何优化改进来保证国六排气系统正常工作？本文从保温挠性软管到改进型保温挠性软管做了结构及性能分析，及通过试验验证改进型保温挠性软管具有可靠的机械性能及保温功能。

1 保温挠性软管作用

（1）在涡轮增压器和后处理器之间实现柔性连接；

（2）装配在第一节排气管与第二节排气管之间，起隔振作用，衰减发动机振动引起的排气管抖动；

（3）挠性软管的伸缩结构可以在排气管安装、发动机运行过程中起尺寸补偿作用；

（4）保温结构在国六车型中减少尾气在管路中的热量损失。

挠性软管装配位置如图1所示。

1-发动机；2-保温挠性软管； 3-排气管；4-车架；5-后处理器

2 保温挠性软管可靠性试验及断裂分析

（1）试验场地路况

某试验场地一圈里程3000m，具体路况分布，如表1。

表1 试验场地路况表

（2）保温挠性软管断裂统计，如表2。

表2 保温挠性软管断裂统计表

（3）断裂原因分析

1）装配工艺分析：车辆静止状态下排气管路走向平顺，挠性软管无扭曲、挤压、拉伸变形；

2）质量分析：经理化分析，断裂的波纹管材料合格，为SUS321（新牌号06Cr18Ni11Ti，老牌号：0Cr18Ni9Ti）；

3）设计分析：经与同行业其他车型应用工况，排气管路走向，挠性软管位置对标分析：排气系统管路走向合理，挠性软管位置合适，断裂的原因为挠性软管自身结构缺陷，具体为：挠性软管刚度较小，在整车运行过程中随着整车的振动而造成运动失稳，从而引起波纹管断裂；波纹管波峰圆角过小（近似尖波），工作中因往复挤拉造成疲劳断裂；且因波纹管两端所受应力集中，容易在波纹管两端引起断裂。

3 开发改进型保温挠性软管

3.1 方案分析

结构：双层波纹管+网套+伸缩管

（1）因国六车型要求排气管必须有对尾气的保温措施，故利用波纹管与伸缩节间的空气隔热达到对管内气体的保温效果（保温杯原理）；

（2）因单层波纹管刚度低，故改进型结构采用双层波纹管增大软管总成刚度；

（3）因波纹管在实际应用中两端持续受力，易引起断裂，故增大端边波纹管刚度[1]（详见3.2）。

材料：波纹管：SUS321；伸缩管：SUS321；其他：SUS304。

3.2 端边波纹管刚度

增大端边波纹管刚度可解决波纹管端边断裂，其原理如下：

单波轴向刚度计算公式如下：

E1b：设计温度下波纹管材料的弹性模量，单位MPa；

Dm：波纹管平均直径，单位：mm；

δp：波纹管成形后一层材料的名义厚度，单位：mm；

m：厚度为δp波纹管材料层数；

h：波高的数值，单位：mm；

Cf：波纹管计算修正系数。

（1）由公式（1）得，在内径，波距，波数，壁厚不变的条件下，波高越小，其刚度越大；

（2）由F=Kd△x知，当外力F相同时，刚度Kd值越大，则位移量越小，即越不容易出现断裂。因此，端边低波的设计（h值小），可以增大其刚度，从而降低断裂风险。

3.3 改进型结构

（1）改进型保温挠性软管总成采用双层波纹管，端边高低波型，且增大波峰圆角的设计结构。

（2）波纹管结构，如图2，图3所示。

图2 双层波纹管结构

图3 单层波纹管结构

双层波纹管壁厚：2×0.25mm（原单层波纹管壁厚1*0.3 mm）；两端波高值小，可增大端边波纹管刚度，降低断裂风险；波峰圆角增大，波纹管在轴向不规律挤拉作用下的疲劳断裂概率降低。

4 改进型保温挠性软管DVP试验

4.1 试验初始条件

工作频率：10Hz；剪切方向振幅：±10mm；

疲劳试验周期：1000万次。

4.1 挠性软管刚度测定，测定结果如图4

测试温度：25℃

试验速度：10mm/Min

测试结果：8.5N/mm

图4 刚度测试

4.3 台架疲劳试验

模拟气流温度：600±20℃；工作频率：10Hz；振幅：10mm，疲劳次数：＞1000万次

4.4 气密试验

试验压力：0.5MPa

保压时间：3Min

测试结果：在0.5MPa压力下，保压5Min内，挠性软管无泄漏。

改进型保温挠性软管较原保温挠性软管刚度测试数据增大明显，效果显著。

5 改进型保温挠性软管应用结论

改进型保温挠性软管在整车上装配后在封闭试验场地内进行可靠性验证，验证里程12000km，波纹管无断裂，正常工作。

保温挠性软管改进后经台架疲劳试验和实车可靠性验证，在规定试验条件下，均未出现断裂，符合实际使用工况，故改进型保温挠性软管在此款重型卡车上的应用满足整车需求，解决了排气系统挠性软管频繁断裂的问题，为同行业研发工作者提供可参考文献。

[1] GB/T 12777-2019,金属波纹管膨胀节通用技术条件[S].北京:中国标准出版社,2008.

Application of improved thermal insulation flexible hose in a heavy truck

Xu Xiu, Yang Hanxiao, Li Hui, Zhang Ke, Zhao Yuanhua

( Shaanxi Automobile Group Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200 )

A kind of single-layer corrugated pipe and telescopic pipe insulation hose structure is used for the exhaust system of a six-duty heavy truck.During the reliability test of the vehicle for this structure,both models suffered from multiple bellow fractures.After analyzing its structure.Insulation flexible hose currently in use is too stiff,movement instability will occur during the operation of the vehicle,causing the bellows to break.At the same time,the stress concentration at both ends of the flexible hose causes the ripple to break,also if the wave fillet of the bellows is too small,the bellows may break.Therfore,it was decided to develop improved thermal insulation flexible hoses,as double-layer bellows,variable stiffness structure,Optimize the structure of the current insulation flexible hose to solve the fracture problem of bellows.

Insulation flexible hose;Variable stiffness; Double-layer bellows

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.032

U464.134+.4

A

1671-7988(2021)02-99-03

U464.134+.4

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1671-7988(2021)02-99-03

徐秀（1989-），女，中级工程师，就职于陕西汽车集团有限责任公司，从事汽车产品设计工作。