汽車線束設計及選材

tags:    時間:2014-03-07 10:58:40
汽車線束設計及選材簡介
汽車線束設計及選材 汽車線束是汽車電路的網路主體,沒有線束也就不存在汽車電路。隨著人們對汽車的安全性、舒適性、經濟性和排放性要求的提高,汽車線束變得越來越複雜,但車身給予線束的空間卻越來……
汽車線束設計及選材正文

汽車線束設計及選材

汽車線束是汽車電路的網路主體,沒有線束也就不存在汽車電路。隨著人們對汽車的安全性、舒適性、經濟性和排放性要求的提高,汽車線束變得越來越複雜,但車身給予線束的空間卻越來越小。因此,如何提高汽車線束的綜合性能設計便成為關注的焦點,而且汽車線束製造廠家不再單純地搞線束後期設計和製造,和汽車主機廠家聯合進行前期開發成為必然的趨勢。筆者根據幾年來從事線束設計和製造的經驗,談談線束的一般設計流程和設計原則。

一、整車電路設計

(一)電源分配設計

汽車的供電系統設計是否合理,直接關係到汽車電器件的正常工作與否和全車的安全性,因此世界各國的汽車線束設計出發點基本都是以安全為主。整車電氣系統基本上由3個部分組成。

蓄電池直接供電系統(一般稱常電或30電)。這部分的電源所接負載一般都是汽車的安全件或重要件,主要目的是在為這些件提供電能時盡量少的加以控制,確保這些件即使汽車發動不起來也能短暫正常工作,以方便到站點維修等。如:發動機ECU及發動機感測器的工作電源、燃油泵的工作電源、ABS控制器的電源、診斷介面電源等。

點火開關控制的供電系統(一般稱為IG檔或巧電)。這部分電器件基本上是在發動機工作運轉的情況下才使用,取自發電機的電源,避免了為蓄電池充電時爭電源的可能性。如:儀錶電源、制動燈電源、安全氣囊電源等。

發動機起動時卸掉負載的電源(一般稱為ACC電源)。這部分電器件一般所帶的負載較大,且在汽車起動時不必工作。一般有點煙器電源、空調電源、收放機電源、刮水器電源等。

(二)線路保護設計

線路保護就是要對導線加以保護,兼顧對迴路電器件的保護。保護裝置主要有熔斷器、斷路順和易熔線。

1.熔斷器的選取原則

發動機ECU、ABS等對整車性能及安全影響大,另外,易受其他用電設備千擾的電器件必須單設熔斷器。

發動機感測器、各類報警信號燈和外部照明燈、喇叭等電器件對整車性能及安全影響也較大,但該類電負荷對相互間的干擾並不敏感。因此,這類電負荷可以根據情況相互組合,共同使用一個熔斷器。

對於為增加舒適性而設置的普通電器件類的電負荷可以根據情況相互組合,共同使用一個熔斷器。

熔斷器分快熔式和慢熔式。快熔式熔斷器的主要部件是細錫線,其中片式熔斷器結構簡單、可靠性和耐振好、易檢測,所以被廣泛採用;慢熔式熔斷器實際上是錫合金片,這種結構的熔斷器一般串接到感性負載的電路中,如電機電路。

電阻型的負載與電感型的負載盡量避開使用同一個熔斷器。

一般根據電器件的最大連續工作電流計算並確定熔斷器容量,可按經驗公式:熔斷器額定容量=電路最大工作電流÷80%(或70%)。

2.斷路器

斷路器最大的特點是可恢復性,但其成本較高,使用較少。斷路器一般都是熱敏機械裝置,它利用兩種金屬的不同熱變形,使觸點開閉或自行接通。新型的斷路器,使用PTC固體材料作為過流保護元件,它是一種正溫度係數的電阻,根據電流或溫度的高低斷開或接通。這種保護元件的最大優勢是當故障排除后能自動接通,不需人工調節和拆換。

3.易熔線

易熔線的特點是當線路通過極大的過載電流時,易熔線能在一定的時間內(一般≤5s)熔斷,從而切斷電源,防止產生惡性事故。易熔線也是由導體和絕緣層構成,絕緣層一般為氯磺化聚乙烯材料,因為絕緣層較厚,所以看。起來比同規格的導線粗。

易熔線一般接在蓄電池直接引出的電路中。易熔線的常用的公稱截面有0.3mm2、0.5mm2、0.75mm2、1.0mm2、1.5mm2,甚至還有8mm2等更大截面的易熔線。易熔線的導線線段長度分為(50±5)mm、(100±10)mm、(150±15)mm3種。

易熔線應有明顯的標誌,當其熔斷後,其標誌仍應存在以便於更換。易熔線的熔斷

 

特性如表1所示。

表1 易熔線的熔斷特性

項目

內容

易熔線規格/mm2

0.3

0.5

0.75

1

1.5

標記(絕緣層顏色)

熔斷電流(經驗值)/A

150

200

250

300

350

熔斷時間/s

≤5

(三)繼電器的選取設計

繼電器分為電流式和電壓式2種。一般根據用電器的功率和開關的承載能力來決定是否選用繼電器。常用繼電器的設備一般有刮水器、喇叭、除霜、前照燈、霧燈、風扇、鼓風機、轉向燈(閃光器)等。繼電器分6V、12V、24V3種,常用的繼電器額定電壓為12V。

選用繼電器要參考的技術要求:①可靠性好;②性能穩定;③質量輕、體積小、壽命長,對周圍元器件影響小;④結構簡單、工藝性好、成本低。

(四)搭鐵分配設計原則

發動機ECU、ABS等對整車性能及安全影響大,且易受其他用電設備干擾,所以這些件的搭鐵點一定要單設。

對於安全氣囊系統,它的搭鐵點不僅應單設,而且為了確保其安全可靠,最好採用複式搭鐵。其目的是其中一處搭鐵失效,系統可以通過另一搭鐵點搭鐵,確保系統安全工作。

無線電系統為避免干擾,也要單獨搭鐵。

弱信號感測器的搭鐵最好獨立,搭鐵點最好是在離感測器較近的位置,以保證信號的真實傳遞。

其他電器件可根據具體布置情況相互組合共用搭鐵點。原則是就近搭鐵,避免搭鐵線過長,造成不必要的電壓降。

蓄電池負極線、發動機搭鐵線等因導線截面較大,因此一定要控制好線長和走向,減小電壓降;為增加安全性,發動機、車身一般要單獨連到蓄電池負極搭鐵;

搭鐵方式:一是通過孔式接頭搭鐵,此法一定要在接頭的尾部烤上熱縮管絕緣;二是通過內部短接的護套直接搭鐵。

二、線束三維布局走向設計

此流程主要是模擬模擬不同區域的線束走向、直徑,考慮線束過孔的密封和保護,模擬線束的固定孔位和固定方式等,如圖1所示。三維布線用的主要軟體有PRO-E、UG和CATIA等。

三、插接件的選取設計

插接件是線束的核心部件,插接件的性能直接決定著線束整體的性能,而且對全車的電器穩定性、安全性起著決定性的作用。

(一)插接件的選取設計原則

插接件選取要保證與電器件的良好接觸,使接觸電阻降為最低,提高可靠性,優先選用雙彈簧式壓緊結構的插接件。

根據導線的截面積和通過電流的大小合理選擇插接件。

發動機艙內對接的護套,由於艙內溫度、濕度偏大且存在著很多腐蝕性氣體和液體,因此一定要選擇防水性護套。

在同一條線束中若用同一種護套,其顏色一定要有區別。

基於汽

 

車外觀的整體協調性,在發動機艙中應優先選用黑色或深色的護套。

為減少線束對接用護套的種類和數量,優先選用混合型件,使裝配固定方便。

對於要求性能較高的安全氣囊、ABS、ECU等用的端子插接件,應優先選用鍍金件以保證安全可靠性。

蓄電池接頭(電瓶夾)內部為錐體,錐度為1:9;電瓶夾的材料為鍍錫銅、鍍鋅銅或鉛銻合金。

不同規格的插接件可承載的電流一般如下:1系列,10A左右;2.2或3系列,20A左右;4.8系列,30A左右;6.3系列,45A左右;7.8或9.5系列,60A左右。

(二)插接件原材料(材質)性能分析

1.護套材質(塑料件)

常用的材質主要有PA6、PA66、ABS、PBT、pp等,筆者總結了它們的具體性能差異,見表2。設計插件時可根據不同的需求選擇不同的材質,還可根據實際情況在塑料中添加阻燃或增強材料,以達到增強或阻燃的目的,如添加玻璃纖維增強等。

表2 插接件護套材質的性能差異

類別

POM

PBT

PC

ABS

PA6

PP

PA66

燃燒難易

容易

不易

容易

容易

緩慢燃燒

容易

緩慢燃燒

突出缺點

密度較大,耐酸,阻燃差

衝擊強度低,耐熱性差,容易翹曲,需熱處理,成型周期長

耐磨性、加工流動性差

耐候性差

抗蠕變性能差,抗氧化性差

負荷變形,低溫易脆裂,收縮太大,熱扭曲溫度較低

抗蠕變性能差,抗氧化性差

突出優點

綜合性能較好,塑料中力學性能最接近金屬

耐磨耗,尺寸穩定性好,電絕緣特性好

綜合性能良好

較高的強度,耐熱,耐化學藥品,具有超強的易加工性,優異的尺寸穩定性,有很高的耐衝擊強度,優良的電性能

有優良的耐摩擦性能和耐磨耗性能,抗衝擊性優於PA66

抗彎曲疲勞性能好

有優良的耐摩擦性能和耐磨耗性能

和其它塑料共混目的

減短成型周期

改善應力開裂對缺口敏感

改善其阻燃性

增加抗氧化性,以避免被氧化

克服低溫衝擊強度差,提高負荷變形溫度和抗紫外線能力,改進染色性能和印刷性

增加抗氧化性,以避免被氧化

 

2.端子材質(銅件)

插接件用的銅主要是黃銅和青銅(黃銅的硬度比青銅的硬度稍低),其中黃銅占的比重較大。另外,可根據不同的需求選擇不同的鍍層。

四、導線的選取設計

(一)導線類型的選擇

線束設計選用導線類型重點考慮線束所處的環境和功能。例如:發動機周圍環境溫度高,腐蝕性氣體和液體也很多。因此,一定要使用耐高溫、耐油、耐振動、耐摩擦導線;行李廂蓋上的導線要在低溫下保持其彈性,所以要選用冷彈性導線保證其正常工作;自動變速器上的導線一定要耐高溫、耐液壓油,其溫度穩定性要好;弱信號感測器要用屏蔽導線,例如爆震感測器和曲軸位置感測器、ABS輪速感測器等;門內線耐彎曲性要求高等。

汽車線束常用的導線通常使用多股絞合銅導線,絕緣皮為PVC絕緣材料。線束用導線要有耐溫、耐油、耐磨、防水、防腐蝕、抗氧化、阻燃等特性。

汽車線束常用的導線種類有日標(AVSS等)、國標(QVR)、德標(FLRY)、美標等幾大系列。AVSS(AVS)導線的特點是薄皮絕緣,柔韌性較好;QVR的特點是絕緣皮厚,比較柔軟,延展性好;德標導線絕緣皮更薄,柔韌性好;美標導線絕緣皮一般為熱塑性或熱固性彈性體,還有經過輻照工藝加工的。可根據用戶的需求和不同的工作環境選取適當類型的導線。

(二)計算選取導線截面積

根據電器件功率的大小計算流通導線的電流;長時間工作的電氣設備可選擇實際載流量60%的導線;短時間工作的用電設備可選用實際載流量60%-100%之間的導線。

根據不同的工作環境和溫度大小適當改變導線的截面積。

根據導線的走向、插接件的數量(即電壓降的大小)適當改變導線的截面積。

關於導線截面積的計算,也有一些專家總結出一些經驗公式:

I=P/UsA=IρL/Ud

式中:I——電流;P——功率;Us——系統電壓;A——導線截面積;Ud——允許最大電壓降損失;ρ——銅電阻率;L——導線長度。

或按下面經驗公式:

I=A×10+8/2

允許流通電流與導線截面積關係經驗理論值(比按上面公式計算值偏大)如表3所示。

表3 允許流通電流與導線截面積關係經驗值

截面積

0.5

0.75

1

1.5

2.5

4

6

10

16

載流量60%

7

9.5

11.5

14.5

19

25

33

45

63

載流量100%

12

16

19

24

32

42

55

75

105

 

五、全車線束密封件(橡膠件)的設計

汽車線束過孔時一般運用橡膠件進行過渡,以起到耐磨、防水、密封等作用。主要分佈在以下部位:發動機與駕駛室介面處、前艙與駕駛室介面處(左右共2處)、四門(或有後背門)與車廂介面處、油箱進口處。

常用的材質一般為天然橡膠、氯丁膠、硅橡膠、三元乙丙等。

天然橡膠的特性:具有良好的彈性和機械強度,有優異的耐曲撓性,有較高的撕裂強度和良好的耐寒性。缺點:耐老化性不大好,不耐油和臭氧,易燃。

氯丁膠的特性:耐臭氧、耐熱老化、耐油等性能較好,具有難燃性和自熄性;但耐低溫性不好。

硅橡膠的特性:耐熱性、耐寒性和耐侯性較好;缺點是不耐油。三元乙丙的特性:耐侯性、耐臭氧、耐熱、耐腐蝕性、耐酸鹼等性能都較好,而且擁有高強度和高伸縮率;缺點:粘接性較差,且彈性沒天然橡膠好,耐油性差。

比較而言,三元乙丙的綜合性能較好,所以現在汽車線束用橡膠件一般選用三元乙丙材料。

六、全車線束包紮和固定設計

(一)線束包紮設計

線束外包紮起到耐磨、阻燃、防腐蝕、防止干擾、降低雜訊、美化外觀的作用,一般根據工作環境和空間大小制定以下包紮設計方案。

發動機線束工作環境惡劣,因此全用高阻燃性、防水、機械強度高的波紋管包紮。

前艙線工作環境也相對較差,大部分枝幹也用阻燃性好的波紋管包紮,部分分支用PVC管包紮。

儀錶線工作空間較小,環境相對較好,可用膠帶全纏或花纏。

門線和頂篷線工作空間較小,可用膠帶全纏,部分枝幹可用工業塑料布包紮;較細的頂篷線可直接用海綿膠帶粘在車身上。

底盤線因與車體接觸部位較多,因此用波紋管包紮防止線束磨損。

(二)包紮用原材料的性能分析

1.波紋管

波紋管在線束包紮中一般佔到60%左右,甚至更多。主要的特點就是耐磨性較好,在高溫區耐高溫性、阻燃性、耐熱性都很好。波紋管的耐溫在-40-150℃間。它的材質一般分PP和PA2種。PA材質在阻燃、耐磨方面優於PP材質;但PP材質在抗彎曲疲勞性方面強於PA材質。

2.PVC管

PVC管的功用和波紋管差不多。PVC管柔軟性和抗彎曲變形性較好,而且PVC管一般為閉口,所以PVC管主要用於線束拐彎的分支處,以便使導線圓滑過渡。PVC管的耐熱溫度不高,一般在80℃以下。

3.膠帶

膠帶在線束中起到捆紮、耐磨、絕緣、阻燃、降噪、作標記等作用,在包紮材料中一般佔到30%左右。線束用膠帶一般分PVC膠帶、氣絨布膠帶和布基膠帶3種。PVC膠帶耐磨性、阻燃性較好;耐溫在80℃左右,降噪性不好,價格較便宜。絨布膠帶和布基膠帶材料為PET。絨布膠帶的包紮性和降噪性最好,耐溫在105℃左右;布基膠帶的耐磨性最好,耐溫最高150℃左右。絨布膠帶和布基膠帶共有的缺點是阻燃性不好,價格昂貴。

6.3線束固定設計

中央電器盒一般用鋼板條、螺栓等固定,或用電器盒本身設計的固定結構直接安裝在車身上。

各條線束一般用塑料扎帶、扣鉤等固定在車身孔內。車身孔大多為圓孔或橢圓孔,一般直徑為5mm、6mm、7mm不等。

各條線束間對接的護套一般用護套支架集體固定起來,並安裝在車身上。

 

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