汽車(chē)線束設(shè)計(jì)流程及發(fā)展趨勢(shì)

劉峰

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司）

汽車(chē)線束是汽車(chē)上各電氣系統(tǒng)的連接體，在電源、開(kāi)關(guān)、電器和電子設(shè)備之間傳遞電信號(hào)。如果把一輛汽車(chē)比作一個(gè)人，那么汽車(chē)線束就是人的神經(jīng)，線束出了問(wèn)題，汽車(chē)也就不會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，汽車(chē)線束還是汽車(chē)電路的網(wǎng)絡(luò)主體，沒(méi)有線束，汽車(chē)電路也就無(wú)從談起。由此可見(jiàn)，線束設(shè)計(jì)的好壞直接決定了汽車(chē)的穩(wěn)定性和安全性，文章基于對(duì)日常工作的積累和總結(jié)，介紹了汽車(chē)線束設(shè)計(jì)的流程和設(shè)計(jì)原則。

1　汽車(chē)線束設(shè)計(jì)流程

1.1　獲取輸入信息

從負(fù)責(zé)各個(gè)電氣系統(tǒng)及零部件的工程師處獲得各系統(tǒng)的功能定義、子系統(tǒng)電氣原理圖、各電器件在額定工作狀態(tài)及瞬時(shí)極限工作狀態(tài)下的電氣參數(shù)，從而獲得電器屬性表。此外，由總布置工程師提供整車(chē)電氣系統(tǒng)的功能、電氣負(fù)荷及相關(guān)的特殊要求、電器件的狀態(tài)和安裝位置、線束與電器件對(duì)接的形式等信息。

1.2　繪制整車(chē)電氣原理圖并進(jìn)行整車(chē)電源分配[1]

將收到的各子系統(tǒng)電氣原理圖進(jìn)行整合，形成整車(chē)電氣原理圖，為后續(xù)線束圖紙的產(chǎn)生提供依據(jù)。完成電源分配是整車(chē)電氣原理圖形成過(guò)程中的重要步驟。

1.2.1蓄電池直接供負(fù)載的常電

蓄電池直接供電所接負(fù)載一般都是汽車(chē)的安全件或重要件，主要目的是在為這些件提供電能時(shí)盡量少地加以控制，確保這些件即使在汽車(chē)無(wú)法啟動(dòng)的情況下也能短暫地正常工作。

1.2.2點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打到ON時(shí)的IG電

提供IG電的電器件基本上是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的情況下才使用，其電能來(lái)源于發(fā)電機(jī)。IG電分為IG1和IG2 2路，兩者同時(shí)上電，之所以分開(kāi)是為了區(qū)分啟動(dòng)與非啟動(dòng)所需要的電源。IG1供電負(fù)載如：儀表、制動(dòng)燈及安全氣囊等；IG2供電負(fù)載如：油泵及點(diǎn)火線圈等（不同車(chē)型IG1和IG2的功能可能會(huì)調(diào)換）。

1.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)卸掉的ACC電

ACC電所供負(fù)載在汽車(chē)起動(dòng)瞬間不是必要的，由于起動(dòng)瞬間電流過(guò)大，故需將該部分負(fù)載的供電卸掉。ACC供電的負(fù)載一般有點(diǎn)煙器、空調(diào)、收放機(jī)及刮水器等。

1.3　根據(jù)各電器部件位置繪制3D數(shù)據(jù)

根據(jù)各子系統(tǒng)電器件的分布情況，確定線束的布線形式，常用的布線形式有：T型、H型及F型等。通過(guò)CATIA，UG等3D仿真軟件模擬仿真不同區(qū)域的線束走向、直徑，考慮線束過(guò)孔的密封和保護(hù)，模擬線束的固定孔位和固定方式等。

1.4　根據(jù)3D數(shù)據(jù)走向繪制2D圖紙

根據(jù)線束的3D數(shù)據(jù)可以大致估算出2D圖紙的尺寸，然而，線束圖紙中還包含很多內(nèi)容需要考慮，例如：根據(jù)所處環(huán)境確定線束的外包保護(hù)形式；根據(jù)電氣負(fù)荷確定熔斷器或斷路器；根據(jù)熔斷器或斷路器的容量確定導(dǎo)線的線徑；根據(jù)電器件的功能，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定導(dǎo)線的線色；根據(jù)電器件本身的接插件確定線束上與其對(duì)接的端子和護(hù)套等。

2　汽車(chē)線束設(shè)計(jì)原則

2.1　導(dǎo)線的選取

2.1.1線徑的選取

根據(jù)電器件工作時(shí)的額定電流，長(zhǎng)時(shí)間工作的電氣設(shè)備可選擇實(shí)際載流量為60%的導(dǎo)線；短時(shí)間工作的用電設(shè)備可選用實(shí)際載流量在60%～100%的導(dǎo)線。行業(yè)內(nèi)計(jì)算線徑的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：A——導(dǎo)線截面積，mm2；

I——電流，A；

ρ——銅電阻率，Ω·m；

L——導(dǎo)線長(zhǎng)度，m；

U——允許最大電壓降損失，V。

以某車(chē)的前照燈電源線為例：前照燈近光燈絲的功率為55 W，系統(tǒng)電壓為12 V，計(jì)算出電流值為4.6 A。前照燈的供電端到燈絲的距離為5 m，線路允許最大電壓損失為0.3 V，計(jì)算出導(dǎo)線截面積為1.4 mm2。如按線路允許最大電壓損失為0.6 V計(jì)算，導(dǎo)線截面積為0.7 mm2。為了避免溫升對(duì)線路的影響，在導(dǎo)線截面積計(jì)算后，還要通過(guò)對(duì)連續(xù)工作時(shí)電流密度的校核，才能確定導(dǎo)線的截面積。

2.1.2導(dǎo)線顏色的選取

導(dǎo)線的顏色代號(hào)及選用的順序在ZB T35 002《汽車(chē)用低壓電線的顏色》中已作規(guī)定，并在GB9328《公路車(chē)輛用低壓電纜（電線）》中對(duì)雙色線的組合也作了規(guī)定。原則上同一護(hù)套內(nèi)不能有相同線色，若線徑差別大，可以考慮采用同色線。

2.2　線路保護(hù)裝置的確定

2.2.1中央配電盒

中央配電盒是整車(chē)電氣、電子線路的控制中心，線路的保護(hù)裝置如熔斷器、繼電器等都集中布置在中央配電盒上，它是整車(chē)供電的核心，也是線路保護(hù)的核心。

2.2.2繼電器的選取

繼電器選取參考的技術(shù)要求為：可靠性好、性能穩(wěn)定、體積小、壽命長(zhǎng)、裝配性好及成本低。

常用繼電器的設(shè)備一般有刮水器、喇叭、除霜、前照燈、霧燈、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)及轉(zhuǎn)向燈（閃光器）等。常用的繼電器為電壓型，一般為12 V。

2.2.3熔斷器的選取

熔斷器俗稱(chēng)保險(xiǎn)絲，是線路保護(hù)的重要裝置。按保護(hù)形式可分為過(guò)電流保護(hù)與過(guò)熱保護(hù)。熔斷器選取的原則為：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、ABS等對(duì)整車(chē)性能及安全影響大，易受其他用電設(shè)備干擾，這類(lèi)電器件必須單設(shè)熔斷器。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、各類(lèi)報(bào)警信號(hào)燈和外部照明燈、喇叭等電器件對(duì)整車(chē)性能及安全影響也較大，但該類(lèi)電負(fù)荷對(duì)相互間的干擾并不敏感。因此，這類(lèi)電負(fù)荷可以根據(jù)情況相互組合，共同使用一個(gè)熔斷器。

3）對(duì)于為增加舒適性而設(shè)置的普通電器件類(lèi)的電負(fù)荷，可以根據(jù)情況相互組合，共同使用一個(gè)熔斷器。

4）熔斷器分為快熔式和慢熔式?？烊凼饺蹟嗥鞯闹饕考羌?xì)錫線，這種片式熔斷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性和耐振性好、易檢測(cè)，所以被廣泛采用；慢熔式熔斷器實(shí)際上是錫合金片，這種結(jié)構(gòu)的熔斷器一般串接到感性負(fù)載的電路中，如電機(jī)電路。

5）電阻型的負(fù)載與電感型的負(fù)載盡量避免使用同一個(gè)熔斷器。

6）一般根據(jù)電器件的最大連續(xù)工作電流計(jì)算并確定熔斷器容量，經(jīng)驗(yàn)公式為：

2.3　接插件的選取

接插件的主要作用一是保證與電器件的良好對(duì)接，保證信號(hào)傳遞的可靠性，做到絕緣并防止短路，二是可以利用接插件自身的限位卡子對(duì)接插件定位，防止對(duì)接后產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

原則上機(jī)艙內(nèi)的接插件要選擇防水型，如：與發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)電器件對(duì)接的護(hù)套，應(yīng)選擇帶防水橡膠密封塞的。選用同一種護(hù)套時(shí)其顏色一定要有區(qū)別，另外線束與線束對(duì)接的一對(duì)護(hù)套一定要選用相同的顏色，都是為了避免裝配和維修時(shí)出現(xiàn)對(duì)接錯(cuò)誤。

對(duì)于性能要求較高的安全氣囊、ECU、ABS等用的端子接插件，應(yīng)優(yōu)先選用鍍金件以保證安全可靠性。為減少線束對(duì)接用接插件的種類(lèi)和數(shù)量，優(yōu)先選用混合型接插件。

2.4　線束外包扎的選取[2]

外包扎對(duì)于線束可靠性起到至關(guān)重要的作用，在考慮成本的情況下，選擇不同的包扎方式能滿足不同部位線束所需要的性能。例如：1）發(fā)動(dòng)機(jī)線束工作環(huán)境惡劣，因此選用高阻燃性、防水、機(jī)械強(qiáng)度高的波紋管包扎；2）前艙線工作環(huán)境相對(duì)較差，大部分支干用阻燃性好的波紋管包扎，部分分支用PVC管或布基膠帶包扎；3）儀表線工作空間較小，環(huán)境相對(duì)較好，可用膠帶全纏或花纏；4）底板線雖然與鈑金接觸，但并無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故可選用膠帶花纏；5）門(mén)線、頂棚線、背門(mén)線及保險(xiǎn)杠線等小線多采用膠帶花纏或密纏，與鈑金或內(nèi)飾件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸的部位要纏繞海綿，防止噪聲產(chǎn)生。

2.4.1波紋管

波紋管的主要特點(diǎn)是耐磨性較好，在高溫區(qū)其阻燃性及耐熱性都很好。波紋管的耐受溫度在-40～150℃。

2.4.2PVC管

PVC管分為開(kāi)口和閉口2種，特點(diǎn)為柔軟性和抗彎曲變形性較好，缺點(diǎn)為耐熱溫度不高，一般在80℃以下。

2.4.3膠帶

膠帶大體分為PVC膠帶、絨布膠帶及布基膠帶3種。PVC膠帶耐磨性和阻燃性較好，耐受溫度在80℃左右，降噪性不好，價(jià)格較便宜。絨布膠帶和布基膠帶材料為PET。絨布膠帶的包扎性和降噪性最好，耐受溫度在105℃左右；布基膠帶的耐磨性最好，耐受溫度最高為150℃。絨布膠帶和布基膠帶共有的缺點(diǎn)是阻燃性不好。

2.5　橡膠件的設(shè)計(jì)

在線束需要穿過(guò)車(chē)身鈑金孔時(shí)需要增加橡膠保護(hù)套，以起到保護(hù)線束、防水及密封等作用。車(chē)門(mén)線束上的膠套最為常見(jiàn)，由于在可視范圍內(nèi)，除了考慮以上功能還要做到盡量美觀。橡膠件的常用材質(zhì)一般為天然橡膠、氯丁膠、硅橡膠及三元乙丙（EPDM）等，綜合材料特性考慮，EPDM性能最佳，故用在汽車(chē)線束上的橡膠件一般都選用EPDM。

2.6　搭鐵點(diǎn)的選取[3]

搭鐵點(diǎn)的分配在汽車(chē)線束設(shè)計(jì)中極其重要，因?yàn)樗婕败?chē)輛的安全，搭鐵如果出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)使某些電器功能突然喪失，還會(huì)造成信號(hào)干擾，對(duì)整車(chē)的穩(wěn)定性、安全性起著決定性作用。

首先，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、ABS裝置等對(duì)整車(chē)性能及安全影響大，而且易受其他用電設(shè)備干擾，所以這些器件的搭鐵點(diǎn)一定要單設(shè)；而對(duì)于安全氣囊系統(tǒng)，它的搭鐵點(diǎn)不僅應(yīng)單設(shè)，而且為了確保其安全可靠，最好采用復(fù)式搭鐵，其目的是其中一處搭鐵失效，系統(tǒng)可以通過(guò)另一搭鐵點(diǎn)搭鐵，以確保系統(tǒng)安全工作。

其次，無(wú)線電系統(tǒng)為避免干擾，也要單獨(dú)搭鐵。至于弱信號(hào)傳感器的搭鐵最好也獨(dú)立，搭鐵點(diǎn)最好是在離傳感器較近的位置，以保證信號(hào)的真實(shí)傳遞。還有蓄電池負(fù)極線、發(fā)動(dòng)機(jī)搭鐵線等因電線截面較大，因此一定要控制好線長(zhǎng)和走向，減小電壓降；為增加安全性，一般發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)身都要單獨(dú)連到蓄電池負(fù)極搭鐵。除此之外的電器件，可根據(jù)具體布置情況相互組合共用搭鐵點(diǎn)。搭鐵點(diǎn)的選取原則是就近搭鐵，避免搭鐵線過(guò)長(zhǎng)，造成不必要的電壓降。必須注意的是信號(hào)搭鐵和功率搭鐵不能鉚接，必須分開(kāi)對(duì)待，以避免信號(hào)間的相互干擾，因?yàn)樗鼈儗?duì)搭鐵的沖擊是不同的，而這種沖擊會(huì)影響較敏感的電子電器元件的正常工作。

再次，帶有絕緣漆層的搭鐵位置一定要加以去漆處理，若選用螺栓搭鐵，一定要選用搭鐵螺栓。

3　汽車(chē)線束未來(lái)展望

傳統(tǒng)的汽車(chē)線束線路繁雜、粗大，不但占用了寶貴的空間資源，增加了汽車(chē)質(zhì)量，而且降低了可靠性，增加了維修難度，特別是提高了汽車(chē)成本。隨著近些年來(lái)汽車(chē)輕量化口號(hào)的提出，整車(chē)減重勢(shì)在必行，更加簡(jiǎn)潔、輕便、高效、可靠的線束正是市場(chǎng)發(fā)展的大趨勢(shì)。

3.1　數(shù)據(jù)總線技術(shù)[4]

數(shù)據(jù)總線是指在一條數(shù)據(jù)線上傳輸多重信號(hào)，傳遞的信號(hào)可以被多個(gè)系統(tǒng)共享，以最大限度地提高系統(tǒng)整體效率，充分利用有限資源。數(shù)據(jù)總線采用CAN協(xié)議，CAN是Controller Area Network（控制單元區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）的縮寫(xiě)，意思是控制單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。該項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用使線束的接線簡(jiǎn)化、結(jié)構(gòu)緊湊，既可減輕質(zhì)量又能降低成本。目前，在汽車(chē)上己經(jīng)開(kāi)始越來(lái)越多地使用CAN數(shù)據(jù)總線，隨著技術(shù)的發(fā)展，CAN總線的集成化程度會(huì)越來(lái)越高。

3.2　中央繼電器盒集成化[5]

中央繼電器盒是熔斷器、繼電器等附件安裝的載體，傳統(tǒng)中央繼電器盒有多少只管腳就必須有多少根電線與它相連，往往使繼電器盒附近堆積大量的電線，既占用空間又妨礙安裝。目前，越來(lái)越多的車(chē)型已經(jīng)開(kāi)始使用電路板式繼電器盒，盒子的一面是電器接口，需要的繼電器、保險(xiǎn)片插接在此，另一面的接口則與電線束相連，不僅節(jié)省了空間，還增強(qiáng)了可維修性和可靠性，可謂一舉多得。另外，一些新開(kāi)發(fā)的車(chē)型把部分控制器也集成到繼電器盒中，更大限度地開(kāi)拓繼電器盒的功能。可以預(yù)見(jiàn)，隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)型繼電器盒將逐步退出歷史舞臺(tái)。

3.3　電源電壓提高

隨著汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)上的電氣設(shè)備會(huì)越來(lái)越多，也就導(dǎo)致電能的消耗越來(lái)越大，需要的功率也就越大，如果不將電壓提升，將導(dǎo)致電流的增大，電流增大必然要加大導(dǎo)線的截面積，換句話說(shuō)就是要加粗導(dǎo)線，這樣發(fā)展下去車(chē)上的主線束將粗如手臂。

如何提高汽車(chē)供電系統(tǒng)的電壓，改進(jìn)汽車(chē)效率已成為各國(guó)研究的焦點(diǎn)。有人建議將目前汽車(chē)上采用的12 V電源改為42 V（發(fā)電機(jī)輸出電壓14 V的3倍），因?yàn)閺睦碚撋现v，電壓提高至3倍，電流會(huì)減少65%。如此一來(lái)，單根電線的標(biāo)稱(chēng)截面將減少到原來(lái)的1/3，電線束整體質(zhì)量日益增加的問(wèn)題也會(huì)隨之迎刃而解。由于涉及產(chǎn)品技術(shù)改造的范圍太廣，該方案實(shí)施起來(lái)難度不小。

3.4　光纜的使用

由于導(dǎo)線傳輸信號(hào)的局限性，在車(chē)內(nèi)使用光纜網(wǎng)絡(luò)的計(jì)劃引起了廣泛關(guān)注。光纜具有傳輸速度快、容量大、體積小、保密性強(qiáng)及抗干擾性好等優(yōu)勢(shì)，將很快成為未來(lái)汽車(chē)數(shù)據(jù)處理和交換的優(yōu)選材料，從而最終替代傳統(tǒng)的電線束，使動(dòng)力和信號(hào)分配系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)新的歷史發(fā)展階段。電線束的光纜化已經(jīng)成為一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著汽車(chē)電子的飛速發(fā)展，汽車(chē)線束行業(yè)也在發(fā)生日新月異的變化。在不斷完善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)新技術(shù)的不斷探索與學(xué)習(xí)顯得尤為重要?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，在國(guó)家大力倡導(dǎo)新能源汽車(chē)以及汽車(chē)輕量化的背景下，整個(gè)汽車(chē)線束行業(yè)將迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇。