汽車EPB線束導(dǎo)線斷裂分析和對(duì)策

摘要：針對(duì)汽車EPB線束在實(shí)車模擬彎折試驗(yàn)中出現(xiàn)的斷裂問題，全面分析導(dǎo)線斷裂的相關(guān)因素，并結(jié)合試驗(yàn)分析手段對(duì)汽車EPB線束導(dǎo)線抗彎折疲勞斷裂的可靠性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)， 提出了幾種解決方案并研究其實(shí)施效果。結(jié)果表明， 優(yōu)化銅導(dǎo)體晶粒度和導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，增加芯線數(shù)目， 降低導(dǎo)線外層保護(hù)套內(nèi)的容積率的工程實(shí)用性比較強(qiáng)， 能夠有效降低汽車EPB線束導(dǎo)線斷裂問題發(fā)生的概率。

Abstract： Aiming at the wire conductor broken problem of vehicle EPB harness in the vehicle wire bending test， the relevant factors of conductor broken generation are comprehensively analyzed， and the broken evaluation of the conductor broken is carried out by means of the experimental analysis， and several countermeasures are investigated with each implementation effect. The result shows that the measures recommended in this paper for optimizing the grain size， increasing the number of strands， reducing the diameter of copper strands and increasing the space of protection sleeve for wire are practical in engineering and can effectively reduce the conductor broken probability of vehicle EPB harness.

關(guān)鍵詞：汽車EPB系統(tǒng);汽車線束;彎折;疲勞斷裂

0 ?引言

隨著汽車工業(yè)迅速發(fā)展，汽車的安全性是汽車設(shè)計(jì)和制造的第一指標(biāo)，通過使用現(xiàn)代技術(shù)和先進(jìn)手段，進(jìn)一步提高安全性的各種可能途徑和方案，使作為交通工具的汽車更加安全[1]。

作為制動(dòng)系的PEB系統(tǒng)屬于重大的安全系統(tǒng)，是衡量汽車安全標(biāo)準(zhǔn)的重要因素[1]。 EPB 電子駐車系統(tǒng)在汽車上的大量的應(yīng)用，對(duì)汽車的安全性及乘坐舒適性的提高起到重要作用。其中EPB線束是該系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，它的可靠性直接影響整個(gè)汽車EPB系統(tǒng)的可靠性。本文主要針對(duì)汽車EPB線束抗彎折斷裂的可靠性問題展開研究。汽車EPB線束作為汽車線束的一部分，集成了EPB線和ABS 線安裝在車身底盤懸掛區(qū)域，該部位既有車身外部的沖擊和腐蝕，又有縱向擺臂大量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而PEB對(duì)線束的耐彎折性提出了很高的要求。汽車行駛過程由于路況凹凸不平，車身底盤懸掛系統(tǒng)中縱向擺臂的擺動(dòng)牽引EPB線束連續(xù)高頻彎曲導(dǎo)致此區(qū)段導(dǎo)線彎折斷裂，這種失效模式是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象。

1 ?汽車EPB系統(tǒng)

汽車EPB （Electrical Park Brake）系統(tǒng)是電子駐車系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它取代傳統(tǒng)拉桿手剎但更安全，不會(huì)因駕駛者力度而改變制動(dòng)效果，把傳統(tǒng)的拉桿手剎變成了一個(gè)觸手可及的按鈕。它是由電子控制方式實(shí)現(xiàn)停車制動(dòng)的技術(shù)。

該系統(tǒng)包含EPB 按鈕開關(guān)，電子控制單元ECU，汽車EPB 線束以及ABS線束，ABS 速度傳感器，制動(dòng)電機(jī)，減速齒輪機(jī)構(gòu)和剎車卡鉗等部件。ABS 速度傳感器將汽車行駛過程中檢測(cè)到車速信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過EPB 線束將電信號(hào)傳遞到ECU，再由ECU發(fā)出指令而控制剎車卡鉗制動(dòng)車輪。EPB線束承擔(dān)著傳輸電信號(hào)的橋梁作用。

2 ?EPB導(dǎo)線彎折斷裂現(xiàn)象與相關(guān)因素

2.1 導(dǎo)線斷裂現(xiàn)象

EPB線束通過線束橡膠護(hù)套和塑料卡扣，支架等零件被固定到車身底盤的支撐臂和縱向擺臂上，汽車在行駛過程由于路面凹凸不平導(dǎo)致車輪上下顛簸，從而引起底盤上的縱向擺臂繞著車身支撐梁的固定點(diǎn)做近似于鐘擺的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

EPB線束彎折試驗(yàn)?zāi)M線束在實(shí)車環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，在-30℃到常溫范圍內(nèi)按照2.5Hz的頻率做彎折擺動(dòng)，試驗(yàn)要求線束彎折的次數(shù)在要求的壽命內(nèi)保證線束外觀無(wú)損傷，信號(hào)無(wú)中斷。彎折試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，線束斷裂位置處于運(yùn)動(dòng)區(qū)段的固定點(diǎn)附近。

試驗(yàn)中導(dǎo)線斷裂位置和斷面的照片顯示，芯線斷裂面既有平整斷面，也有近似于子彈頭的圓潤(rùn)斷面。說(shuō)明該銅導(dǎo)線受外力既有剪切力，也有拉伸力。

2.2 導(dǎo)線受力分析

車輛行駛中，EPB線束受到車身底盤縱向擺臂的牽引形成高頻率對(duì)稱彎曲，造成導(dǎo)線局部彎折變形損傷。局部循環(huán)塑性變形累計(jì)是造成金屬疲勞損傷的根本原因[2]。其彎折形式和受力分析如下。

在弧度外側(cè)區(qū)域銅絲嚴(yán)重拉伸變形，在弧度內(nèi)側(cè)區(qū)域形成相互擠壓變形。

①軸向拉伸力F1：車輛顛簸引起縱向擺臂上下擺動(dòng)， 線束受到一定方向的牽引產(chǎn)生彎折，此過程中形成角度∠a，牽引力F在∠a方向產(chǎn)生軸向拉力F1;F1=F*Cos a， ?a角度減小會(huì)造成軸向拉力F1增大。

②徑向剪切力F2：線束受到一定方向的牽引產(chǎn)生彎折，形成角度∠a，牽引力F在∠a方向上產(chǎn)生分力即剪切力F2;F2=F*sin a，a角度增加會(huì)造成剪切力F2增大。拉力和剪切力反復(fù)交變?cè)斐尚揪€微小變形，數(shù)十萬(wàn)次微小形變疊加最終導(dǎo)致了疲勞斷裂這種失效模式的發(fā)生。

2.3 EPB線束導(dǎo)體材料

2.3.1 EPB 線束屬于汽車線束，其導(dǎo)線選用多芯銅導(dǎo)線[3]，芯線中銅材的物理性能決定了EPB線束導(dǎo)體基本的力學(xué)性能。銅屬于金屬晶體，其晶粒的大小與金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系表明，晶粒越小，金屬的力學(xué)性能如強(qiáng)度，韌性，塑性越好。晶粒細(xì)化是提高金屬力學(xué)性能的重要手段之一[4]。由Hall-Petch 關(guān)系得出：

σy代表了材料的屈服極限;

σ0表示移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生的晶格摩擦阻力;

Ky一個(gè)常數(shù)與材料的種類性質(zhì)以及晶粒尺寸有關(guān);

d平均晶粒直徑。

晶粒細(xì)化對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度的影響就是通過H-P關(guān)系進(jìn)行描述的[5]。金相組織試驗(yàn)表明，斷裂銅導(dǎo)線的金相組織中晶體粒尺寸偏大，平均晶粒度，晶粒的均勻性影響了銅芯線的韌性和強(qiáng)度，見圖4。

2.3.2 EPB 線束芯線中銅材的比率影響芯線的斷裂伸長(zhǎng)率。本案導(dǎo)線選用了鍍錫芯線，降低了芯線中銅材的比率。

圖5顯示，鍍錫銅芯線斷裂伸長(zhǎng)率小于裸銅芯線的斷裂伸長(zhǎng)率。斷裂伸長(zhǎng)率下降的鍍鋅銅芯導(dǎo)線降低了EPB線束的抗彎折性能，增加了斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)影響導(dǎo)線的韌性，從而影響EPB線束的抗彎折性能。芯線數(shù)目越多，導(dǎo)線整體的韌性越高，越有利于EPB線束抵抗彎曲造成的疲勞斷裂。本案中EPB 線束的導(dǎo)線包含2根2.5mm2銅導(dǎo)線和2根0.5mm2銅導(dǎo)線。其中0.5mm2導(dǎo)線的芯線直徑為0.15mm，數(shù)目為28根，芯線數(shù)目太少，直徑偏大，從整體上影響了導(dǎo)線的力學(xué)性能。

2.4 EPB線束外保護(hù)層分析

發(fā)生斷裂的EPB線束的集成線纜包含了四根導(dǎo)線和PVC材料的外保護(hù)層，其保護(hù)層與四根導(dǎo)線緊密貼合在一起，近似于剛體。分析表明，外保護(hù)層內(nèi)部四根導(dǎo)線在彎折過程中缺乏緩沖空間，難以擴(kuò)展或伸縮，造成嚴(yán)重應(yīng)力集中而斷裂。

2.5 EPB線束安裝點(diǎn)分析

EPB線束通過機(jī)械過盈的配合方式固定在車身底盤上，安裝點(diǎn)采用聚氨酯彈性體PUR，材料硬度達(dá)到95A，棱邊缺少圓角，受力時(shí)缺乏彈性和緩沖作用是導(dǎo)致EPB線束斷裂的另外一種因素。這種情況下，缺少?gòu)椥跃彌_以及對(duì)彎曲應(yīng)力的吸能作用導(dǎo)致線束固定點(diǎn)受剪切應(yīng)力集中而疲勞斷裂。

2.6 EPB線束長(zhǎng)度分析

經(jīng)試驗(yàn)分析，EPB線束導(dǎo)線的長(zhǎng)度在動(dòng)態(tài)區(qū)域的尺寸余量有限，兩個(gè)固定點(diǎn)之間線束繃緊情況明顯，在彎折過程中線束運(yùn)動(dòng)區(qū)域受到拉力的同時(shí)，由于彎折角度增大強(qiáng)化了剪切應(yīng)力集中，導(dǎo)致了線束斷裂。

3 ?優(yōu)化方案與試驗(yàn)

汽車線束導(dǎo)線設(shè)計(jì)選型需要重點(diǎn)考慮線束所在功能和環(huán)境[6]。EPB 線束安裝在車身底盤動(dòng)態(tài)彎折區(qū)域，以及汽車駐車系統(tǒng)決定了EPB 線束是一種特殊的汽車線束，屬于安全性零件。建議如下：

3.1 基于耐彎折要求定義導(dǎo)線的線種，選擇晶粒度高的裸銅和芯線數(shù)目多的超柔軟性導(dǎo)線，從而滿足彎折的壽命要求。為保證導(dǎo)線的強(qiáng)度，汽車用導(dǎo)線的最小截面積不應(yīng)小于0.5mm2[7]。按照德標(biāo)LV112-1，選擇超柔軟性裸銅導(dǎo)線：

3.2 基于受力要求定義導(dǎo)線外部保護(hù)層和截面結(jié)構(gòu)，有效傳遞和疏導(dǎo)彎曲應(yīng)力;選用導(dǎo)線外加套管的結(jié)構(gòu)，定義材料的耐磨等級(jí)和溫度等級(jí);合理設(shè)置套管內(nèi)導(dǎo)線容積率，使導(dǎo)線能夠在微小范圍內(nèi)伸縮擴(kuò)展，減少應(yīng)力集中。

3.3 基于受力要求確定線路長(zhǎng)度和公差，一般來(lái)說(shuō)，汽車線束各部分的長(zhǎng)度是根據(jù)用電器在車身上的實(shí)際布置位置來(lái)確定的[8]，其實(shí)際公差應(yīng)考慮線束裝配要求和它們?cè)趧?dòng)靜狀態(tài)下的干涉問題。由于彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切力的影響，其長(zhǎng)度要根據(jù)線路的實(shí)際長(zhǎng)度稍有富余，一般來(lái)說(shuō)， 冗余量在3%-5%之間為宜[8]。

3.4 基于受力要求定義安裝點(diǎn)的材料。將EPB線束固定點(diǎn)材料PUR的硬度降為75A，消除固定點(diǎn)的直角棱邊，增加倒圓角，降低應(yīng)力集中，提高抗彎折壽命。

3.5 按上述優(yōu)化EPB線束后進(jìn)行彎折試驗(yàn)，線束在臺(tái)架上彎折的角度下降，受力集中情況明顯下降，全程線束彎折試驗(yàn)達(dá)到100萬(wàn)次壽命后，導(dǎo)線外觀無(wú)缺陷，沒有發(fā)生斷裂，電信號(hào)傳遞正常。

4 ?結(jié)語(yǔ)

①根據(jù)汽車EPB線束斷裂發(fā)生的位置，斷裂的截面以及導(dǎo)線的材料，安裝方式深入分析了EPB線束斷裂問題的潛在原因。

②利用試驗(yàn)方法深入分析了EPB線束斷裂受力作用， 確認(rèn)了EPB線束斷裂產(chǎn)生的原因。

③制定汽車EPB線束多芯銅導(dǎo)線的材料選擇方案， 定義導(dǎo)線外保護(hù)層以及運(yùn)動(dòng)區(qū)線束長(zhǎng)度和安裝點(diǎn)材料硬度的原則，通過改進(jìn)方案實(shí)施前后對(duì)比分析，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性，為同類問題的分析與解決提供了參考。

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作者簡(jiǎn)介：權(quán)文?。?980-），男，陜西人，上海李爾實(shí)業(yè)交通汽車部件有限公司工程師，從事汽車線束研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。