電線束三維設計應用分析

呂艷蕊，唐 俊，曹曉蕾，李從剛，趙智慧

（1.湖北航天技術研究院特種車輛技術中心，湖北 武漢 430040；2.中國人民解放軍火箭軍參謀部，北京 100085）

目前公司車輛的電線束設計主要是基于AutoCAD的二維設計，對于電線束的走向、固定及長度計算沒有一個直觀的表達方式和有效的監(jiān)控措施。在電線束的設計與加工制造環(huán)節(jié)存在脫節(jié)問題，限制了設計效率和品質的提高。因此有必要開展電線束全三維設計的應用與分析［1］。

目前3D設計軟件主要有Creo、UG和CATIA等軟件，都提供了電纜設計模塊，這些軟件的電纜設計模塊為布線設計員提供了用于生成電氣布線數據的三維設計工具，生成的電氣布線系統(tǒng)增強了構建虛擬樣機的能力。

根據特種車輛三維設計背景，電纜設計軟件選擇PTC公司的Creo軟件Cabling模塊，以方便導入三維模型進行電線束的三維布置。

1 設計內容

車輛線束的設計流程見圖1。

1.1 元件庫的創(chuàng)建與維護

元件庫的創(chuàng)建是整車電線束三維設計的基礎。元件庫主要用于定義和管理元件的信息和特性，其中包括連接器、導線等。元件庫的建立是否完善影響到后續(xù)三維設計的效率和品質。

圖1 車輛線束的設計流程

開展車輛電線束三維設計需要對插接件和導線進行初步建庫，其中包括三維建模與參數定義。以某載貨汽車底盤基本型為例，底盤電氣系統(tǒng)大約有100多個插接件，如果對其全部建庫，則后期裝配及定義時的工作量十分巨大，且不利于定義布線操作。因此采取折中的辦法，只對需要連接線纜的插座護套、插頭護套和片形接頭進行三維建模及參數定義，對于插針、盲堵、防水塞等只在分線束圖中通過明細指引的方式來明確。為了保證后期布線的正確性與美觀性，插接件三維建模完成后要對插接件的每個端口建立坐標系，并保證坐標系的Z軸正向朝外。

插接件創(chuàng)建完成后，需要在Creo環(huán)境中創(chuàng)建線束的線軸并配置相應的電氣參數。線軸實際是導線、線纜的規(guī)格，主要用于定義導線、線纜、護套的電氣參數，決定了線纜的外形與表征的物理特征。線軸建庫主要規(guī)定了線軸的名稱、顏色、最小折彎半徑、電線直徑。表1是線軸常用的電氣參數設置，其中Thickness是導線的直徑，而Min_Bend_Radius是導線的最小折彎半徑，有時為了方便可以將該值設置得較小。

表1 線軸常用的電氣參數設置

1.2 布置整車線束背景

元件庫建立完成之后，需要對整車布線環(huán)境進行布置。①對整車三維總成進行篩檢，保留布線需要的總成，最后進行收縮包絡；②裝配電氣元件及布線所需的插接件；③指定裝配插接件，對每個插接件的各個入口端坐標進行選定并定義端口類型；④定義線纜參數，定義各個插接件在布線環(huán)境中的位置名稱，如水位傳感器、電磁閥組、左后組合燈等；⑤讀入布線所需要的線軸。

在該過程中，步驟②③④較為繁瑣。如果有插接件遺漏裝配或者入口端坐標沒有指定，則無法完成后續(xù)的布線操作。完成以上準備工作后進入布線操作。

1.3 布線操作

布線有手動布線和自動布線兩種。由于目前電氣原理圖采用AutoCAD的二維設計，圖中沒有負載任何電氣屬性，無法將二維圖中的電氣信息傳送到三維設計中進行自動布線，所以在此布線采用手動布線。手動布線的步驟是選定布線命令后在新建線纜對話框中定義參數，如圖2所示。

圖2 新建線纜

圖2 中布線類型常用的有簡單布線、通過網絡和沿纜。簡單布線是只需要定義起點端和終點端，線纜自動以最短路徑布好，這種方法僅適合對于路徑沒有要求的線纜；通過網絡是選取之前建好的布線網絡路徑，布線網絡的建立是根據主線束的通過路徑及線束分支的終點環(huán)境，這種方法對于車輛線束的三維布線較為常用；沿纜是參考之前相似路徑的線纜進行布線，適用于沒有建立布線網絡卻又對路徑有要求的線纜。

以某載貨汽車底盤電線束為例，按上述方法進行布線后的效果如圖3所示，由于線束較長，僅示意線束局部。

圖3 W2D三維布線局部示意圖

需要注意的是：由于車輛線束導線眾多，且路徑分散，必須先規(guī)劃好線纜路徑，建立布線網絡之后再進行三維布線，注意建立布線網絡路徑時應保證網絡的完整和連續(xù)性。布線過程中線軸類型和布線類型一旦選定不可更改。線纜創(chuàng)建完成后如果需要改變路徑，除了插入位置改變線纜路徑之外沒有其他方法，若插入位置不能滿足要求，則需要刪除該線纜之后重新創(chuàng)建，且一旦完成，后續(xù)較難更改。

1.4 完成分線束圖

三維布線完成后，要得到可以指導生產的分線束圖還需要3個步驟：線纜展平、投二維圖、引入導線表。

1）線纜展平的流程如下：①在Creo/Cabling中對線束進行必要的整理。②新建一個Harness的mfg文件。③選擇需要展平的Harness，并選擇簡化表示。④進行線纜的展平操作：在菜單中選擇“平整→布局→設置起始點”命令，選擇圖中的點。布局命令是在布局窗口內展開布線圖，按默認的“自動做扇邊”選項，輸入折彎半徑（默認）。⑤選擇“平整→元件→裝配全部”，將元件全部裝配到展平的線纜中。⑥線束展平后，所有的線纜全部散開，需要手動布置移動段將線纜移到各個相連的插接件附近。如圖4所示，僅示意局部展平線束。

圖4 W2D展平線束局部示意圖

2）線束展平完成后，新建繪圖，將其投出二維圖并顯示模型注解。選擇“布局→繪圖模型→添加模型”，選擇投圖的線束，并引入導線表模板。

3）最后，在二維圖中對各個插接件定義明細注釋，至此電線束三維設計工作已經完成。

2 利弊分析

目前整車基本采用全三維設計，只有電線束設計是AutoCAD的二維設計，而二維設計與三維設計沒有形成有效結合，因此采用Cabling對電線束進行三維設計也不是有利無弊，下面就來分析一下利弊。

2.1 電線束三維設計的利

車輛電線束采用三維設計主要有以下優(yōu)點：①可以生成完整的三維模型，不僅包括結構件和電氣元件的布置，也包括線纜的進出線方式、線纜在整車的走向、線纜和插接件的選型等。②創(chuàng)建完整的三維布線模型后，設計人員可以直接根據模型進行交流、評估，對設計中存在的問題及時提出意見并進行修改。③線束設計過程中的明細和導線表在三維布線完成后都是可以自動生成的，同二維設計時需要人工統(tǒng)計相比，大大提高了效率及正確率。

2.2 電線束三維設計的弊

車輛電線束采用三維設計主要有以下缺點：①沒有自帶元件庫，需要手動創(chuàng)建各種元件模型，比如傳感器、插接件、線纜等。②車輛電線束較多，路徑分支較多，三維布線需要花費大量的時間和精力去規(guī)劃路徑。③三維線束完成后需要展平并整理后才能投二維圖。線束展平后，所有的線纜全部散開，需要手動布置移動段將線纜移到各個相連的插接件附近。這個過程比較繁瑣，且散開的線纜沒有導線號，在手動移動段時容易出錯。④三維線束投出的二維圖比較直觀，但相比AutoCAD的二維線束圖，后者更接近指導線束生產的釘板圖。⑤在三維裝配電氣元件時，由于對于插接件采取折中辦法，只裝配需要連接線纜的插座護套、插頭護套和片形接頭，因此插針、盲堵、防水塞等只能通過在二維圖中通過手動添加注釋指引的方式來明確。⑥AutoCAD的二維線束圖中可以清楚地表達出插接件出線端的點位圖，比較直觀；三維線束投出的二維圖中為了展現線束的整體，比例縮放比較大，基本無法清晰給出插接件的點位圖，給指導線束制作造成不便。⑦采用Cabling進行三維設計比AutoCAD的二維設計要花費大量的時間，參見表2。

表2 二維與三維設計花費的時間比較

由表2可以看出，三維設計一個分線束的時間是二維設計一個分線束總成時間的2倍，如果是三維設計一套電線束總成至少需要1個月。

3 改進措施

上述車輛電氣系統(tǒng)設計中，電氣原理采用AutoCAD二維設計，電線束采用Creo三維設計，使得設計者無法對電氣原理進行仿真分析，不能在設計階段發(fā)現一些設計缺陷問題并對其進行優(yōu)化設計。因此，若要推進電線束全三維設計，就必須考慮如何實現電氣二維設計與三維設計的有效結合。國外汽車行業(yè)已經全面開始使用E3、CHS等二維設計軟件和Catia、Creo等三維設計軟件進行車輛電氣系統(tǒng)設計和原理仿真處理。國內汽車行業(yè)的發(fā)展起步較晚，電氣系統(tǒng)二維設計與三維設計進行數據交換還沒有推廣應用，三維電纜設計軟件也沒有充分利用。后續(xù)應盡快推進車輛電氣二維與三維設計如何有效結合的研究，從而進一步提高車輛電氣系統(tǒng)的設計水平［2］。

4 結論

通過某載貨汽車底盤電線束的三維設計可證明，采用三維布線可以生成完整的數字化模型，方便設計人員根據模型進行交流，及時發(fā)現設計中存在的問題。但仍存在電氣原理缺乏有效監(jiān)控、數據缺乏有效傳遞等弊端，因此需要結合電氣二維設計軟件來推進電線束的三維設計，從而建立一個設計得到有效監(jiān)控、數據得到有效傳輸、流程得到進一步優(yōu)化的車輛電氣系統(tǒng)設計平臺［3］。

參考文獻：

［1］ 邱偉，吁苗.汽車線束的三維布局設計基本原則［J］.汽車電器，2012 （3）：16-18.

［2］ 楊三軍，李楠楠.國內汽車電氣設計需加快二維與三維的結合［J］.研究與開發(fā)，2009 （9）：81-83.

［3］ 賈文勇，楊陽.基于現代高級軟件CHS的整車電氣系統(tǒng)設計流程［J］.汽車電器，2014（3）：66-69.