重型卡車搭鐵設(shè)計及典型故障分析

王啟虎

前言

汽車電路中從電源到用電設(shè)備只用一根導(dǎo)線連接，以汽車底盤、發(fā)動機等金屬機體作為一根公用導(dǎo)線的接線方式稱為單線制。采用單線制時，電源的一個電極接到車體上稱為搭鐵。汽車電源系統(tǒng)的負極與車體相連稱作負極搭鐵，反之為正極搭鐵。按照國家標準規(guī)定，國產(chǎn)汽車電氣系統(tǒng)均采用負極搭鐵的形式[1]。隨著經(jīng)濟社會的不斷進步，為使汽車具備更高的可操作性、安全性和舒適性，要在汽車內(nèi)部配置更多的電氣設(shè)備，而搭鐵設(shè)計的合理性和可靠性將成為這些電氣設(shè)備能否正常工作的關(guān)鍵。格爾發(fā)重卡曾出現(xiàn)過因儀表臺骨架由噴漆改為過塑處理工藝變化引起儀表臺的搭鐵點搭鐵不良，導(dǎo)致出現(xiàn)開大燈或雨刮時水溫指示偏高的問題。汽車搭鐵的設(shè)計一定要引起足夠重視。

1、整車搭鐵概念及形式

1.1 搭鐵的概念

為了節(jié)約電線材料和方便安裝，汽車電路一般都是采用單線制，即從電源到用電設(shè)備只用一根導(dǎo)線連接，而用汽車車身骨架、底盤、發(fā)動機等金屬導(dǎo)體作為公共通道構(gòu)成回路的另一導(dǎo)線，這種方式便稱為“搭鐵”。蓄電池的負極接車架稱為“負極搭鐵”；蓄電池的正極接車架稱為“正極搭鐵 ”。根據(jù)我國QC／T 413—2002《汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件》的規(guī)定，汽車采用單線制時，應(yīng)使其負極搭鐵。

1.2 搭鐵的類型和功能

根據(jù)連接的回路的工作特性不同，搭鐵所扮演的角色也不同。

（1）電源搭鐵：其功能是向電器件提供一個電流傳輸通道。如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、各種工作電機、電磁閥等，這些用電器的特點是回路電流較大。

（2）信號搭鐵：其功能是保證汽車上一些自動化設(shè)備能夠良好運行，主要包括無線設(shè)備、控制器以及傳感器的特殊搭鐵。如ABS控制器、發(fā)動機ECM、組合儀表，這些用電器要求一個穩(wěn)定的工作電位。

（3）防靜電搭鐵：其功能是保證汽車精密設(shè)備以及駕乘人員不受靜電影響和危害的搭鐵，如燃油箱的加油口、輪胎附近等都較易產(chǎn)生靜電?？ㄜ嚩嘤媒饘儆拖?，且全車鈑金件較多，很少有此類問題。

1.3 搭鐵的連接方式

（1）單點搭鐵 。指整個電路系統(tǒng)中，只有一個搭鐵點，其他需要搭鐵的電器設(shè)備通過公共地線串聯(lián)到該點，稱為串聯(lián)單點搭鐵（如圖1所示）；或由各電器設(shè)備分別引出獨立搭鐵點直接接于該點 ，稱為并聯(lián)單點搭鐵（如圖2所示）。

（2）多點搭鐵。指汽車上電子設(shè)備的各個搭鐵點直接接到就近的車體上或直接接到電瓶負極（如圖3所示）。

1.4 搭鐵方式比較

(1) 串聯(lián)單點搭鐵方式 。串聯(lián)單點搭鐵電路的等效電路（如圖4所示）。

設(shè)電器件1、電器件2、電器件3到搭鐵線的電流分別為，Il、I2、I3，各段搭鐵線上的電阻分別為R1、R2、R3。公用搭鐵線上 A、B、C點的電位分別為UA、UB、UC則：

由上可見，多級電路單點搭鐵的不同搭鐵點處的電位均不為零，可能相差很多且相互影響很大。在設(shè)計線路時，要把低電平電路的電器設(shè)備布置到最靠近G點的位置。此時，該電器件搭鐵線最短，使其受干擾的可能性最低。反之，若把低電平電路的電器設(shè)備布置到高電平的位置，則會使低電平電路電器件相對于基準電位有大的電位差，接地線也最長，容易受到干擾。

（2）并聯(lián)單點搭鐵。并聯(lián)單點搭鐵的等效電路（如圖5所示），電器件 1、2、3 的搭鐵電位 UA=I1R1，UB=I2R2，UC=I3R3。

可見，各電路的地點電位只與本電路的地電流I及地阻抗R有關(guān)，不受其他電路的影響，可有效地避免各電器設(shè)備間的公共地阻抗干擾。但是搭鐵線既多且長，會導(dǎo)致線束體積增大。

（3）混合搭鐵。車輛的搭鐵連接中，導(dǎo)線自身電阻的存在、搭鐵金屬件自身電阻的存在、搭鐵連接點接觸電阻的存在，使得車輛整體的搭鐵連接方式并不是單純的串聯(lián)搭鐵或并聯(lián)搭鐵，而是一種混合連接的狀態(tài)（如圖6所示）。

這種混合電路中，就要通過合理的布置和連接減少系統(tǒng)中串聯(lián)部分的電阻，在局部形成大功率電源回路搭鐵與敏感的信號回路搭鐵成并聯(lián)結(jié)構(gòu)以減少電源搭鐵對信號搭鐵的影響。

1.5 搭鐵設(shè)計的目的和方法

1.5.1 搭鐵設(shè)計的目的

搭鐵設(shè)計的目的通過具體的措施，在接受的成本范圍內(nèi)實現(xiàn) “到電源負極的小電壓降”的追求。追求是“到電源負極的小電壓降”，成本的可接受是約束。我們的方法是通過合理的分析、布局、連接以實現(xiàn)資源高效的利用。

1.5.2 搭鐵的方法

（1）電源搭鐵類，因其大電流的特性決定我們的重點是盡可能減少到電器件到電源負極之間的電阻。實現(xiàn)方式是回路的大截面和減少接觸電阻，可以充分利用車架和車身的大截面低阻值的特性，輔以大截面電纜在公共回路上的連接，形成一個至電源負極低電阻的平臺。各電器件用較大截面導(dǎo)線就近連接到這個平臺上，這樣就會形成每個電器件到電源負極低電阻、小電壓降的目標。連接回路使用的導(dǎo)線截面根據(jù)通過的電流進行適應(yīng)性調(diào)整，達到控制成本的目的。

（2）信號搭鐵，因其小電流的特性，決定我們的側(cè)重點不能放在降低回路電阻，那樣做的結(jié)果是成本高而電壓降并不明顯，而是從減少其電器件到電源負極所經(jīng)回路的電流入手。也就是要盡可能避免串聯(lián)單點搭鐵的結(jié)構(gòu)尤其是和大電流電器件形成串聯(lián)單點搭鐵。當不可避免的和大電流電器件形成串聯(lián)單點搭鐵時，那么就需要調(diào)整搭鐵分布，使信號搭鐵的位置靠近電源負極一端，并加大共用回路導(dǎo)線截面，減少共用回路電阻值，達到“到電源負極的小電壓降”的目標。

1.5.3 汽車電路搭鐵點設(shè)計注意事項

（1）發(fā)動機ECU、ABS等裝置對整車性能及安全影響較大，而且容易受其他用電設(shè)備干擾，所以這些電器件搭鐵點一定要單設(shè)，即采用多點搭鐵方式；

（2）弱信號的傳感器的搭鐵線應(yīng)單獨搭鐵，且搭鐵點最好設(shè)在距離傳感器較近的位置，以保證信號的真實傳遞；

（3）無線電系統(tǒng)為避免干擾，應(yīng)單獨搭鐵；

（4）蓄電池搭鐵線、發(fā)動機搭鐵線等因電線截面積較大，通過的電流也較大。因此，需要控制好長度和走向，減小電壓降，增加安全性；

（5）對于關(guān)鍵安全的電器設(shè)備，搭鐵線不僅要單設(shè)，而且要采用復(fù)式搭鐵，以免一處搭鐵失效，系統(tǒng)可以通過另一搭鐵點搭鐵，確保系統(tǒng)安全工作；

（6）一般電器設(shè)備可根據(jù)具體布置情況相互組合公用搭鐵點，采用單點與多點組合方式搭鐵，避免搭鐵線過長，造成不必要的電壓降；

（7）信號搭鐵和電源搭鐵不能鉚接，必須分開搭鐵，以避免信號問的相互干擾。

2、某車型搭鐵故障分析

2.1 現(xiàn)象描述

江淮某載貨車ZK02ZX84匹配玉柴YC6A260-33發(fā)動機，客戶在使用過程中發(fā)現(xiàn)開啟前照燈、霧燈者或打開空調(diào)鼓風(fēng)機時，儀表的水溫表異常向上跳動，有時直接進入水溫表的報警區(qū)，讓駕 駛員誤以為是發(fā)動機水溫偏高。關(guān)閉前照燈或者空調(diào)鼓風(fēng)機后，水溫表向下回落，指示正常。通過檢查分析，水溫表搭鐵在儀表臺骨架上，然后骨架與駕駛室本體相連在與車架連接，形成回路。但是儀表臺骨架在生產(chǎn)過程中經(jīng)過噴塑處理，駕駛室也經(jīng)過電泳和噴漆處理，導(dǎo)致水溫表搭鐵不良。將水溫表搭鐵線重新引線，搭到車架縱梁上后，水溫表指示正常，問題排除。

2.2 原因分析

圖8是水溫表的電路原理示意圖。車輛常行駛時，發(fā)電機發(fā)電供給全車用電設(shè)備，包括對蓄電池充電，電流流向如圖8中箭頭所示。儀表采樣到的水溫信號U為水溫傳感器電壓U1降和搭鐵點電壓降UR2、UR3之差(UR2、UR3的電壓方向與U、U1相反)，即：U=U1-UR2-UR3。

當車輛的搭鐵良好時,搭鐵處的接觸電阻 R2、R3較小，在1.7 -4mA范圍內(nèi)，一般情況下載貨汽車消耗的電流在l0～50A之間，搭鐵點引起的電壓降為0.0 1 7～0.2V。水溫傳感器信號的變化范圍為0.5～3.5 V之間,搭鐵點電壓降引起的水溫信號變化不到水溫信號幅值的 5%,水溫表的指示變化較小，不易被駕駛員察覺。但是，如果搭鐵不良，搭鐵點的接觸電阻就會變大，搭鐵點產(chǎn)生較大的電壓降，儀表采樣到的水溫信號U也會相應(yīng)變小，導(dǎo)致水溫表指示不正常。以開前照燈為例，水溫表指示從正常的溫度(85～95℃之間)跳轉(zhuǎn)到報警區(qū)(102～120℃之間)，通 過該車水溫表的參數(shù)設(shè)置可以得出，采樣到的水溫信號從1.05V變化到0．6 5V，減小0.4V。前照燈開啟時，電流消耗增加大約 15A，由此可以計算出搭鐵點的電阻為 0.4V/15A =26.6mΩ。此接觸阻值明顯超出搭鐵點要求，對水溫表的影響是顯而易見的。

2.3 改進措施

針對儀表臺骨架和駕駛室連接部位進油漆涂裝工藝前，在搭鐵點處和骨架與駕駛室連接處預(yù)先安裝螺栓或者粘貼遮蔽膠帶，阻止搭鐵點在油漆涂裝過程中形成漆層，在線束裝配時，取下預(yù)裝螺栓或者除掉遮蔽膠帶，再正常安裝搭鐵線，減小接觸電阻。在將水溫表的搭鐵直接達到車架縱梁，保證搭鐵接觸電阻最小。

3、結(jié)論

通過以上對搭鐵的介紹和案例的分析可以看出車輛上正確、可靠地搭鐵，對于車輛電氣信號可靠傳輸車輛電器安全車輛正常駕駛等方面至關(guān)重要，不正確、不可靠地搭鐵會引起意想不到的后果，甚至?xí)斐刹考p壞、車輛不能駕駛等后果和安全隱患。如何確保車輛搭鐵點工藝的可靠性，技術(shù)人員提出了不同的解決措施。

一種是普遍采用的做法是在裝配搭鐵點前，采用鋸齒形墊圈，裝配在車身或者車架表面，然后裝配上搭鐵線和螺栓，利用螺栓擰緊過程來帶動鋸齒墊圈旋轉(zhuǎn)，刮掉金屬表面的油漆層，達到可靠搭鐵的目的。此方式成本低、操作簡單、裝配方便，但存在一個問題，即油漆層被鋸齒型墊圈破壞后，容易受到雨水的侵蝕，時間長了，容易銹蝕，導(dǎo)致接觸電阻增大。為此，需要定期檢查和維護這些搭鐵點。在此基礎(chǔ)上我公司為了避免鋸齒墊圈損壞和銹蝕導(dǎo)致搭鐵不良，在搭鐵之前使用刮漆工具，將搭鐵孔周圍油漆刮除，外形與鋸齒墊圈一致，然后在采用鋸齒墊圈加螺栓方式固定，最后涂抹凡士林，增加導(dǎo)電效果和防銹功能。

另一種搭鐵方式是將車輛上所有附件線和搭鐵線直接接在蓄電池的負極上，這樣就以避免搭鐵點銹蝕的問題，但會增加搭鐵的成本，采用這種方式的車輛不多見。

[1] 孫仁云,付百學(xué). 汽車電器與電子技術(shù). 北京:機械工業(yè)出版社[M],2006,8.

[2] JDD-CV-E10-2011_電氣系統(tǒng)搭鐵設(shè)計基準書.