基于CATIA 的重型汽車(chē)三維線束模塊化設(shè)計(jì)

張瑞斌

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，甘肅 金昌 737100）

引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)在重型汽車(chē)上的應(yīng)用，各類電氣元件及線束也不斷增多并日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝已經(jīng)無(wú)法滿足復(fù)雜性、可靠性、模塊化、集成化及產(chǎn)品更新?lián)Q代周期的要求。所以，使用仿真設(shè)計(jì)是汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程的必然趨勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)主機(jī)廠在電氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)都采用三維布線，諸如CATIA 等三維設(shè)計(jì)軟件功能逐步強(qiáng)大，為汽車(chē)線束布置提供了極大的便利[1]。

1 傳統(tǒng)線束設(shè)計(jì)流程及其弊端

目前的線束設(shè)計(jì)基本流程如圖1 所示。

傳統(tǒng)的線束設(shè)計(jì)流程、制造工藝[2]必然會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：

（1）由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化導(dǎo)致線束走向、線束分支長(zhǎng)度變化，會(huì)產(chǎn)生重復(fù)設(shè)計(jì)；

圖1 傳統(tǒng)電氣線束設(shè)計(jì)流程

（2）線束設(shè)計(jì)、制作、驗(yàn)證時(shí)間周期過(guò)長(zhǎng)；

（3）線束測(cè)量、試制、試裝過(guò)程中人為因素影響；

（4）線束制作更改頻繁，無(wú)法固化。

以上問(wèn)題直接影響整車(chē)電氣系統(tǒng)的可靠性，而且大大增加了設(shè)計(jì)周期，無(wú)法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度和市場(chǎng)的需求。

目前，為了進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期，普遍采用汽車(chē)零部件廠家與主機(jī)廠進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)、設(shè)計(jì)。在整車(chē)及電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)甚至原理設(shè)計(jì)時(shí)即開(kāi)始使用3D 軟件進(jìn)行仿真模擬[3]。

2 利用CATIA 電器模塊進(jìn)行3D 線束模塊化設(shè)計(jì)

2.1 CATIA 線束設(shè)計(jì)模塊簡(jiǎn)介

CATIA 軟件可創(chuàng)建一個(gè)針對(duì)整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程的工作環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中可以對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、制造等過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真、模擬和校驗(yàn)[4]。CATIA 電氣系統(tǒng)模塊可以進(jìn)行整車(chē)電氣原理設(shè)計(jì)，3D 線束敷設(shè)、展平，生成線束拓?fù)鋱D、加工圖以及生成電氣部件和線束裝配圖。在線束圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以綜合考慮電氣線束設(shè)計(jì)、工藝等方面的要求，并進(jìn)行校驗(yàn)，如線束連接、固定、干涉等。設(shè)計(jì)完成后，能從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中自動(dòng)生成線束制造、裝配所需的信息，如BOM、線束拓?fù)鋱D、線束裝配工藝圖等。如有設(shè)計(jì)變更，只需修改仿真設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)即可，無(wú)需進(jìn)行多輪實(shí)車(chē)試制試裝，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期[5]。

CATIA 電氣設(shè)計(jì)組件中常用的線束設(shè)計(jì)模塊主要有電器裝配設(shè)計(jì)（EAD）、電氣零部件設(shè)計(jì)（EPD）、電氣線束裝配（EHA）、電氣線束安裝（EHI）和電氣線束展平（EHF）[6]。

2.2 線束模塊化設(shè)計(jì)

雖然利用CATIA 進(jìn)行3D 線束設(shè)計(jì)已經(jīng)大大提升的設(shè)計(jì)效率和可靠性，但是隨著用途的不斷細(xì)分，汽車(chē)尤其是商用汽車(chē)已經(jīng)由大批量生產(chǎn)進(jìn)入個(gè)性化定制的階段。車(chē)輛大部分配置都需要根據(jù)客戶需求進(jìn)行配置和選擇，便會(huì)產(chǎn)生出大量的配置變化，而線束作為汽車(chē)獨(dú)立存在的零件（有相應(yīng)的零件號(hào)），起到連接整車(chē)用電設(shè)備的作用，也需要滿足不同的功能配置，具有相當(dāng)高的變化性和復(fù)雜性[7]。

事實(shí)上產(chǎn)品在更新?lián)Q代時(shí)，原本的一部分結(jié)構(gòu)、功能是保持不變的，這樣就很容易造成設(shè)計(jì)內(nèi)容的重復(fù)性。為了避免此類問(wèn)題，縮短設(shè)計(jì)周期，我們需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，根據(jù)產(chǎn)品所屬的平臺(tái)、車(chē)型及具體配置情況，對(duì)其進(jìn)行梳理分類，找出不同產(chǎn)品的共同結(jié)構(gòu)，將此共同的結(jié)構(gòu)做成一個(gè)相對(duì)固定的模塊，模塊應(yīng)具有“高內(nèi)聚”“低耦合”的特點(diǎn)，各模塊之間的結(jié)構(gòu)、功能既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系，在更新設(shè)計(jì)時(shí)就可以只對(duì)變化的部分進(jìn)行修正，而無(wú)需重復(fù)工作。

2.2.1 梳理產(chǎn)品配置情況，進(jìn)行模塊分解

例如某公司產(chǎn)品分為M、F、X 平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)下又分為載貨車(chē)、牽引車(chē)、自卸車(chē)等不同車(chē)型，每個(gè)車(chē)型下又有4×2、6×4、8×4 等不同的驅(qū)動(dòng)形式。每種車(chē)型每種驅(qū)動(dòng)形式都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置，根據(jù)客戶需求對(duì)整車(chē)布置進(jìn)行調(diào)整之后還會(huì)衍生出其他不同的配置。

最初設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)配置車(chē)型進(jìn)行全流程設(shè)計(jì)。但是當(dāng)產(chǎn)品配置改變后，標(biāo)準(zhǔn)配置的車(chē)型部分線束便不符合要求，但是只改變變化了的那部分線束狀態(tài)是比較困難的，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)不可預(yù)知的問(wèn)題，輕者線束長(zhǎng)度不合適、分支結(jié)構(gòu)不合理，重者造成整車(chē)線束無(wú)法裝配以及不必要的生產(chǎn)線停線事故。

在線束設(shè)計(jì)之初，根據(jù)整車(chē)電氣系統(tǒng)架構(gòu)，就可以定義出整車(chē)電氣模塊，然后再將每一個(gè)零件劃分至不同模塊之中。梳理過(guò)程中，要從宏觀出發(fā)，按照更新速率由小到大的順序?qū)φ?chē)線束進(jìn)行分解，具體的分解原則有如下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)將線束類型根據(jù)所通過(guò)的電流大小大致分為三類：動(dòng)力線束、一般線束和弱電流信號(hào)線路。

（2）同一類型線束分支應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)而非功能。

（3）根據(jù)不同平臺(tái)不同車(chē)型上的相同配置，可以把整車(chē)線束進(jìn)行分段。

（4）對(duì)于功能相同僅長(zhǎng)度不同的線束進(jìn)行系列化分解。

我們將上述公司產(chǎn)品根據(jù)功能、結(jié)構(gòu)等特征分為如圖2所示的模塊：

圖2 整車(chē)線束模塊化分解

2.2.2 模塊化布置

模塊分解完成后，就需要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能分析，如應(yīng)如何合理敷設(shè)線束、如何合理分支以及如何將該模塊線束和其他相連模塊的線束進(jìn)行對(duì)接。分析之后就可利用CATIA 電器模塊，分別對(duì)各個(gè)模塊線束進(jìn)行布置設(shè)計(jì)。模塊內(nèi)線束布置應(yīng)根據(jù)該模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、布置形式等因素設(shè)計(jì)線束的走向，保證安裝與維修的易操作性以及線束的保護(hù)與固定等[8]。

（1）駕駛室線束設(shè)計(jì)

根據(jù)某車(chē)型駕駛室的鈑金結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃走線路徑和固定點(diǎn)及固定方式。駕駛室內(nèi)電氣設(shè)備配置變化較多，但是安裝位置相對(duì)固定，設(shè)計(jì)時(shí)可按最高配置進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，后續(xù)將未選擇配置的線束分支預(yù)留或去掉即可。其各模塊線束如圖3、圖4 所示：

圖3 儀表臺(tái)線束模塊

圖4 頂棚線束模塊

（2）底盤(pán)線束設(shè)計(jì)

根據(jù)車(chē)輛類型、所選發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、變速箱型號(hào)、驅(qū)動(dòng)形式、及車(chē)橋類型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

①發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱線束布置設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車(chē)核心零部件，其配置的變化對(duì)整車(chē)電氣系統(tǒng)的影響最大，但是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)除去與外部其他系統(tǒng)的一部分信號(hào)聯(lián)系后，其整體就是一個(gè)系統(tǒng)模塊[9]?；谀K化設(shè)計(jì)思路，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)常被設(shè)計(jì)成單獨(dú)一根線束，如圖5 所示。 同驅(qū)動(dòng)形式對(duì)分支點(diǎn)、長(zhǎng)度進(jìn)行分類及系列化，如圖6 所示。在車(chē)型配置變更時(shí)，只需根據(jù)配置參數(shù)進(jìn)行選擇即可，無(wú)需重復(fù)設(shè)計(jì)。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱模塊

③ABS 電纜線由于其可靠性要求比較高，所以應(yīng)單獨(dú)敷設(shè)，避開(kāi)高溫和強(qiáng)電強(qiáng)磁，一般情況下也可以和車(chē)架線束同時(shí)敷設(shè)。

圖6 車(chē)架線束模塊

（3）正、負(fù)極電纜線及蓄電池箱體內(nèi)線束模塊設(shè)計(jì)

正負(fù)極電纜線內(nèi)部通過(guò)電流較大，線徑較粗，對(duì)附近電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾也比較強(qiáng)，敷設(shè)時(shí)也需要確定好走線路徑和固定方式，當(dāng)配置變更需要設(shè)計(jì)修改時(shí)，只需改變電纜線長(zhǎng)度、增加固定點(diǎn)即可。蓄電池箱體內(nèi)部電器件變化較小，線束走向及固定也較為統(tǒng)一，如圖7 所示。

圖7 正-負(fù)極電纜模塊設(shè)計(jì)

2.3 模塊化設(shè)計(jì)固化

根據(jù)模塊分解和各模塊線束數(shù)模設(shè)計(jì)，應(yīng)用CATIA 軟件EHF 模塊進(jìn)行線束展開(kāi)[10]，進(jìn)行一定的調(diào)整后形成各模塊線束拓?fù)鋱D，對(duì)每個(gè)模塊的線束數(shù)模、線束拓?fù)鋱D、裝配圖等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)固化，如圖8 所示。在拓?fù)鋱D的基礎(chǔ)上，根據(jù)電氣原理圖，最終生成線束加工圖。根據(jù)各模塊的變化，對(duì)線束加工圖進(jìn)行系列化，做成標(biāo)準(zhǔn)裁線表，以方便線束制作和裝配。

圖8 整車(chē)底盤(pán)線束布置

2.4 模塊化擴(kuò)展

當(dāng)需要根據(jù)不同配置進(jìn)行定制車(chē)型線束設(shè)計(jì)時(shí)，再無(wú)需進(jìn)行全流程設(shè)計(jì)，只需根據(jù)配置將相應(yīng)的固化模塊進(jìn)行組合即可。如進(jìn)行各部分電氣系統(tǒng)換型，只需要在涉及到的模塊內(nèi)部進(jìn)行變化調(diào)整，不會(huì)影響到其他未變化的部分。

3 結(jié)論

利用CATIA 電氣模塊進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真，使整車(chē)各部分線束彼此獨(dú)立而相互之間又有必要的聯(lián)系。與傳統(tǒng)方法相比已經(jīng)大大提高了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)試驗(yàn)效率，有效降低了成本。實(shí)現(xiàn)整車(chē)線束設(shè)計(jì)模塊化后，為汽車(chē)產(chǎn)品的定制化和個(gè)性化需求提供了保障，避免了重復(fù)開(kāi)發(fā)和重復(fù)設(shè)計(jì)，降低車(chē)型更新?lián)Q代的開(kāi)發(fā)維護(hù)成本。

目前有奧迪、寶馬、奔馳及沃爾沃等主機(jī)廠部分平臺(tái)采用了模塊化的設(shè)計(jì)制造方式，其中僅大眾和斯柯達(dá)的部分車(chē)型在中國(guó)完成模塊化線束開(kāi)發(fā)，其余均為來(lái)圖生產(chǎn)。中國(guó)在模塊化生產(chǎn)的方向，還存在著巨大潛力。