關(guān)于汽車線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其可靠性的研究

駱小芳

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

關(guān)于汽車線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其可靠性的研究

駱小芳

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

汽車線束作為整車電氣與信息系統(tǒng)的輸送樞紐，關(guān)系著車輛在行駛過程中的安全性與電子電器工作的可靠性，經(jīng)常由于汽車線束燒蝕問題導(dǎo)致車輛燒車，造成消費(fèi)者與生產(chǎn)廠家巨大損失。為此，在進(jìn)行整車線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對汽車線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其可靠性進(jìn)行分析與論述。

汽車線束；設(shè)計(jì)；可靠性；方法

1 引言

伴隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車搭載類設(shè)備也日趨先進(jìn)與完善，更多的電子類用品被普遍安裝在汽車上，促使汽車整車性能獲得了快速式的推進(jìn)[1]，不管是從安全方面、經(jīng)濟(jì)方面還是舒適度方面均有大幅度的提高。

線束系統(tǒng)指的是汽車線路中的所有電路主體，負(fù)責(zé)整車信號和動(dòng)力的傳輸[2]。當(dāng)前，消費(fèi)者對汽車經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保等方面有了更多的需求，促使在汽車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及元部件的選擇時(shí)，加劇汽車線束設(shè)計(jì)的困難化、復(fù)雜化。

線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須符合線路設(shè)計(jì)安全可靠、零部件裝拆便捷、選擇材料達(dá)標(biāo)與節(jié)省、空間布局的合理美觀等要求[3]。但是，越來越多的電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用在汽車上，占用汽車內(nèi)的空間越來越大，汽車電路越來越復(fù)雜，在致使汽車線束的布置難度越來越大的同時(shí)，整個(gè)汽車線束可靠性也越來越低。因此，如何提高汽車線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其可靠性已成為汽車電氣設(shè)計(jì)人員亟需攻關(guān)的重要技術(shù)難題。

2 汽車線束設(shè)計(jì)

線束系統(tǒng)是汽車電路自動(dòng)化的重要體現(xiàn)，線束系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)離不開電路的開發(fā)設(shè)計(jì)，熔斷器和車用導(dǎo)線的正確選擇是保證電路設(shè)計(jì)和汽車線束設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，鑒于此，汽車線束設(shè)計(jì)將主要闡述汽車線束設(shè)計(jì)流程以及怎樣正確選擇熔斷器和車用導(dǎo)線。

2.1 汽車線束設(shè)計(jì)原則與流程

在汽車電路設(shè)計(jì)中，必須使用符合要求顏色的導(dǎo)線，選擇適宜的橫截面積，要求導(dǎo)線最短連接，接插件安裝導(dǎo)線兩側(cè)均是整車線束設(shè)計(jì)的基本原則[4]。將導(dǎo)線按照其布置方向和位置捆扎扎成線束，并采取保護(hù)與固定措施。根據(jù)選用導(dǎo)線顏色、截面以及捆扎的要求，在確保線束安全的基礎(chǔ)上，盡可能的節(jié)省導(dǎo)線材料，降低生產(chǎn)成本。汽車線束設(shè)計(jì)的主要目的就是在于材料節(jié)省與降低成本、導(dǎo)線裝拆與維護(hù)簡便、空間節(jié)約與布局合理美觀。汽車線束設(shè)計(jì)的基本流程，見圖1。

圖1 汽車線束設(shè)計(jì)基本流程圖

2.2 熔斷器與車用導(dǎo)線選擇

熔斷器[5]和車用導(dǎo)線作為汽車線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主體部分，如何選擇熔斷器和車用導(dǎo)線在汽車線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)中尤顯重要。

（1）熔斷器選擇

熔斷器是一種電流保護(hù)裝置，當(dāng)流通電流大于允許值一定時(shí)間后，自身產(chǎn)生的溫度使熔體熔化，使電路斷開以起到電流保護(hù)作用。熔斷器可分為板型熔斷器和大電流熔斷器，兩種熔斷器在線束中的使用條件不盡相同。

①板型熔斷器

板型熔斷器種類及特性在國家標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)的規(guī)定，而板型熔斷器數(shù)量主要在于熔斷器箱的尺寸大小，國家標(biāo)準(zhǔn)沒有具體規(guī)定。板型熔斷器熔斷特性，見表1。

表1 板型熔斷器熔斷特性

預(yù)先計(jì)算出熔斷器下游電氣設(shè)備的負(fù)載，使其負(fù)載電流小于熔斷器70%的額定電流，由此確定板型熔斷器額定電流的目標(biāo)值，可選定板型熔斷器有：

板型熔斷器額定電流范圍為1A～30A，不同外殼顏色的板型熔斷器代表不同大小的額定電流。此外，值得注意的是板型熔斷器額定電流的溫度變化率為0.15%/℃。

②大電流熔斷器

大電流熔斷器的種類和特性在國家標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)的規(guī)定。大電流熔斷器的容量范圍一般為20A～120A，容量小于60A的容量間隔為10A，大于60A的容量間隔為20A。大電流熔斷器熔斷特性，見表2。

表2 大電流熔斷器熔斷特性

預(yù)先計(jì)算出熔斷器下游的電氣負(fù)載，負(fù)載電流小于熔斷器50%的額定電流，由此確定大電流熔斷器額定電流的目標(biāo)值，可選定熔斷器有：

大電流熔斷器主要是保護(hù)流過大電流的電線，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地布置在蓄電池旁邊，同時(shí)綜合考慮防水和防振問題。此外，大電流熔斷器額定電流的溫度變化率為0.18%/℃。

③熔斷器分配原則

每個(gè)熔斷器既能只保護(hù)一條線路，亦能保護(hù)多條線路。一個(gè)熔斷器保護(hù)哪幾條線路，分配原則如下：

a.具有相同性質(zhì)的負(fù)載分派給同一個(gè)熔斷器，即電感型負(fù)載與電阻型負(fù)載盡可能分派到不同的熔斷器上。例如：乘用車的若干霧燈均分派給同一個(gè)熔斷器來保護(hù)；同側(cè)的前停車燈和后尾燈分派給同一個(gè)熔斷器保護(hù)；小功率牌照燈與室內(nèi)燈分派給同一個(gè)熔斷器保護(hù)。

b.給電控單元供應(yīng)電能的線路盡可能采用獨(dú)立的熔斷器，以避免其余負(fù)載干擾電控單元工作。

c.電控單元管理的傳感器和執(zhí)行器供應(yīng)電能的線路保護(hù)，應(yīng)竟可能避免與經(jīng)常使用元件共用同一個(gè)熔斷器。

（2）車用導(dǎo)線選擇

①車用導(dǎo)線

車用導(dǎo)線多數(shù)采用車用薄壁低壓電線(AVS)或車用乙烯樹脂絕緣低壓電線(AV)。目前由于電子裝置的不斷增加，汽車線束直徑要求越加粗大，從而致使AVS使用也越來越多[5]。為此，需要考慮耐熱性的車身區(qū)域，使用車用交鏈聚乙烯耐熱低壓電線(AEX)和交鏈乙烯樹脂耐熱低壓電線(AVX)最佳。為確保車用導(dǎo)線強(qiáng)度，車用導(dǎo)線的最小截面積應(yīng)≥0.5mm2。主要車用導(dǎo)線截面積推薦值，見表3。

表3 主要車用導(dǎo)線截面積推薦值

截面積＞4mm2的車用低壓導(dǎo)線應(yīng)使用單一顏色，截面積＜4mm2的適用雙色，搭鐵線采用黑色。汽車電氣系統(tǒng)導(dǎo)線的主色，見表4。

表4 汽車電氣系統(tǒng)導(dǎo)線主色

②導(dǎo)線允許電流

導(dǎo)線容許電流值取決于導(dǎo)線的截面積和溫度。車用導(dǎo)線容許電流與電壓降，見表5。

表5 車用導(dǎo)線容許電流與電壓降

3 汽車線束系統(tǒng)可靠性分析

根據(jù)汽車市場調(diào)查顯示，汽車線束系統(tǒng)可靠性[6]主要內(nèi)容包括：①出故障的概率；②汽車的耐用性；③故障后維修費(fèi)用與難度。汽車線束系統(tǒng)可靠性已作為衡量汽車綜合性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，甚至消費(fèi)者在對比汽車技術(shù)性能時(shí)，更傾向于選擇安全、可靠的產(chǎn)品。因此，汽車線束系統(tǒng)的可靠性是整車設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮部分。

3.1 回路設(shè)計(jì)的可靠性分析

汽車電氣系統(tǒng)是由眾多的電氣回路構(gòu)成，回路設(shè)計(jì)的可靠性作為汽車電氣系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)，在回路設(shè)計(jì)中，必須顯示出可靠性的要求。

在汽車線束中，回路是以并聯(lián)方式連接的，而在檢驗(yàn)汽車線束的可靠性方面，可把全部線束當(dāng)作一條串聯(lián)線路，也就是只有在全部線束回路均為正常時(shí)，整個(gè)電氣系統(tǒng)才能運(yùn)行正常。

（1）回路設(shè)計(jì)可靠性模型

在汽車電氣系統(tǒng)中，完成任何一項(xiàng)功能，都必須有多個(gè)總成、多條回路參與其中，例如：倒車指示燈，就與倒車燈、繼電器、儀表板、控制單元、電源等多個(gè)總成相關(guān)。而在每一個(gè)線束總成中，同樣也會有幾條或者幾十條線束回路，每條回路的可靠性都影響著整個(gè)總成甚至整車的可靠性。倘若將整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)作總系統(tǒng)，那么其總可靠性為R(t)，每一個(gè)總成的可靠性為，則可獲得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性模型：

總成可靠性Ri(t)靠總成中的每一個(gè)回路、確定：

由上可得整個(gè)電氣系統(tǒng)總的可靠性：

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：縮減回路數(shù)量能降低故障率，在舊式汽車上，由于用電器應(yīng)用少，整車只有幾條簡單的回路，因此其整個(gè)電氣系統(tǒng)在車輛的使用壽命內(nèi)幾乎保持完好。

（2）電氣設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)方法

由式(5)可知，電氣回路數(shù)量與整個(gè)電氣系統(tǒng)或總成可靠性呈幾何級數(shù)對應(yīng)關(guān)系，縮減總成和整車回路數(shù)，可大范圍提升整個(gè)電氣系統(tǒng)的可靠性。另外，不能靠降低汽車油耗、排放量、安全性能以及舒適度等指標(biāo)為代價(jià)來縮減電氣回路，而應(yīng)是通過改進(jìn)線路和元器件、合并和模塊化處理，減少線路數(shù)量、元器件及連接器，也可實(shí)現(xiàn)降低整車質(zhì)量和制造維護(hù)的成本的目的。相同的是，在電氣系統(tǒng)中通過縮減搭鐵和連接點(diǎn)也能提升整車電氣系統(tǒng)的可靠性，對于搭鐵而言，可采用多條回路共用搭鐵的辦法，以達(dá)到減少連接點(diǎn)的目的。在整車中，不同的系統(tǒng)與功能對可靠性要求也是存有差異的，例如：轉(zhuǎn)向操控系統(tǒng)、電噴系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及與安全性能有關(guān)的ABS、ESP等，可靠性要求相對較高；而音響部分、空調(diào)電氣等部分系統(tǒng)的可靠性要求相對較低，因此，可通過對整車上的系統(tǒng)可靠性要求進(jìn)行區(qū)分，以降低制造成本。在此可靠性模型下，可按照區(qū)分可靠性要求來進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，從而確定整車系統(tǒng)中不同部分的可靠性配置。

3.2 端子和連接器的可靠性分析

端子和連接器既是決定線束系統(tǒng)可靠性的重要內(nèi)容，也是整個(gè)汽車線束的重要組成部分。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在端子和連接器中，匯集了各類容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)，存有焊點(diǎn)、連接點(diǎn)、塑性外殼，部分端子和連接器的作業(yè)環(huán)境非常惡劣，易于被腐蝕、老化、以及在振動(dòng)應(yīng)力下出現(xiàn)松動(dòng)。在整車電氣系統(tǒng)故障中，因端子和連接器的損壞、松動(dòng)、失效以及脫落產(chǎn)生的故障能占到總故障率的50%左右，由此可見，端子和連接器的可靠性設(shè)計(jì)也是整車電氣系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)不可忽視的一部分。

（1）端子和連接器的故障模式

分析產(chǎn)品故障模式是提升其可靠性的根本辦法就是預(yù)先了解和掌握其可能出現(xiàn)的故障種類，才能采取相應(yīng)的預(yù)防工作。端子和連接器故障模式主要有三種，分別為接觸不良、絕緣不良和固定脫落?？煽啃栽O(shè)計(jì)就是以降低故障率為目的，端子和連接器失效模式主要有：接觸電阻變大、開路、短路和絕緣電阻下降。插拔力變大。壽命縮短、電壓駐波比變大、起火等。三種失效模式產(chǎn)生的原因，見表6。

表6 端子和連接器的故障模式

（2）端子和連接器可靠性檢測事項(xiàng)

對于接觸不良現(xiàn)象，需要檢測的是瞬斷檢測；靜態(tài)接觸電阻；動(dòng)態(tài)接觸電阻；連接點(diǎn)和元器件的耐振性；單孔分離力檢測，在選用元器件時(shí)對部分關(guān)鍵型號的產(chǎn)品進(jìn)行100%逐點(diǎn)導(dǎo)通試驗(yàn)。

對于絕緣不良需要檢測的項(xiàng)目主要包括：接觸件、絕緣體等零件尺寸；絕緣體絕緣電阻檢查；不同環(huán)境應(yīng)力（濕度、溫度等）狀態(tài)下絕緣電阻；絕緣體時(shí)間退化速度等。

對于固定脫落類的可靠性需要檢測的主要包括：耐力矩檢查；連接針保持力；端子和連接器的裝配公差；連接針插入力；不同環(huán)境應(yīng)力（震動(dòng)、溫度、濕度等）狀態(tài)下保持力等。

（3）提升端子和連接器的可靠性手段

提升汽車線束應(yīng)用的可靠性，應(yīng)在裝配和選型過程中注意以下幾點(diǎn)：

①選擇適宜的接插件。從使用可靠角度而言，接插件的選擇不但要利于設(shè)備的組成和考慮連接電路的數(shù)量和類型，而且還可根據(jù)接插件的特征作選擇。例如：矩形連接器比圓形連接器受氣候和機(jī)械因素的影響大，且在相同條件下的機(jī)械磨損較大，與導(dǎo)線或電纜的端接也相對不可靠。

②和回路設(shè)計(jì)相同，在連接器中增加接觸件數(shù)量將會導(dǎo)致其可靠性降低。所以，在空間和重量允許的前提下，適宜采用若干接觸件數(shù)量較少的連接器來替代一個(gè)連接器。

③連接器的最大工作電流和總負(fù)載電流往往是依照在周邊環(huán)境的最高溫度條件下和長期工作時(shí)所允許的熱量來確定的。所以，在選用連接器時(shí)，需充分考慮設(shè)備的工作條件。

④為降低連接器的工作溫度，需采用離連接器中心稍遠(yuǎn)的接觸件來連接電源電路，從而利于連接器的散熱。

⑤對與在腐蝕性氣、液體環(huán)境中使用插件，為了防腐蝕，在安裝過程中，應(yīng)盡可能垂直側(cè)面水平安裝，倘若接插件必須垂直安裝時(shí)，應(yīng)提供一個(gè)較高的安裝底時(shí)應(yīng)向下布線，防止水順著引線流入接插件中。

3.3 線束保護(hù)的可靠性設(shè)計(jì)

汽車線束的作業(yè)環(huán)境非常惡劣，常伴有腐蝕性氣體和液體，高溫、潮濕、振動(dòng)及與其他部件的碰撞和磨擦，常會發(fā)生絕緣體磨損、導(dǎo)線腐蝕以及接頭松動(dòng)等現(xiàn)象，從而致使線束斷路和短路。因此，提高線束能安全可靠性，必須做好線路保護(hù)設(shè)計(jì)工作，也就是要做好線束的包扎及固定。

汽車線束應(yīng)具有防潮濕、防腐蝕的保護(hù)措施，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的線束，必須采用耐高溫、耐腐蝕且密封性良好的保護(hù)材料來密閉線束和插接件；其它部位的線束在包扎后，安裝在汽車較為隱蔽的位置，用扎帶和線夾將其固定在汽車上，從而降低振動(dòng)對線束的影響；線孔處有線束經(jīng)過的需做好保護(hù)措施，避免線孔與線束間的磨擦以損傷線束絕緣層。

提升線束保護(hù)設(shè)計(jì)可靠性的措施包括：

（1）在設(shè)計(jì)選型時(shí)，將包裝材料在不同應(yīng)力環(huán)境作用下進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，選擇其中綜合性能最優(yōu)的一種；

（2）在線束裝配之前，應(yīng)進(jìn)行環(huán)境篩選試驗(yàn)，避免不合格產(chǎn)品流入下一個(gè)環(huán)節(jié)中。

4 結(jié)語

提高線束可靠性是一份復(fù)雜而繁瑣的工作，要切實(shí)提高可靠性必須在線束設(shè)計(jì)、制作、裝配、運(yùn)輸和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)中貫徹可靠性要求。設(shè)計(jì)是提高線束可靠性的第一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，在設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格體現(xiàn)可靠性的要求，以為后面的制作和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)做好基礎(chǔ)，從而真正地、有效地提高線束可靠性。

[1] 李光耀,李慎國.我國汽車用電線束現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車與配件,2006, (4):28-30.

[2] 孫海鷗,偉東,李英春.基于LabVIEW的汽車線束檢測系統(tǒng)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,27(2):124-126.

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Research on the automotive wiring harness system design and reliability

The automotive wiring harness is the path to transmit vehicle electrical and information system, it was closely related to the safety of the vehicle driving process and reliability of the electrical and electronic, the vehicle wiring harness ablation which might bring on the vehicle burned, and caused a great losses both on consumers and manufacturers. Therefore, based on the design of the vehicle wiring system, discussed how to improve the automotive wiring harness system design and reliability.

Automotive wiring harness; design; reliability; methods

U461.7

A

1008-1151(2015)01-0075-04

2014-12-10

駱小芳（1988－），女，廣西桂林人，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，從事汽車線束研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。