汽车低压电线束成本优化方案

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汽车电线束是汽车动力和信号传输分配系统的总成,是汽车电路的网络主体,是汽车电路中连接各个电器设备的接线部件和各部件联系的载体。本文线束工程师之家通过简要介绍汽车低压电线束在同步开发设计过程中典型的成本优化方案,分析其可行性及可靠性,分享在设计方面能够对成本贡献的竞争力。

 1 引言

2021年中国汽车产销量分别为2608.2万辆和2627.5万辆,同比增长3.4%和3.8%,结束了自2018年以来连续3年下降的局面,继续蝉联全球第一。较之2010年的产销量1841.89万辆和1850.51万辆,分别提高了41.6和41.99个百分点。2021年受到疫情的影响, 世界汽车市场持续低迷状态,但中国市场销量回升较强,中国人的汽车梦早已不是遥不可及,汽车已逐渐步入普通工薪家庭。在此背景下,整车的性价比成为了决胜汽车市场的关键,成本更是重中之重。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

作为整车电器系统的中枢神经,汽车线束产品是整车成本的重要组成部分,在设计初期便已通过3D数模完成了线束的走向、布置、定位点的分布等设计,在完全模拟实际装车状态的情况下,避免了线束与各电器件或管路的干涉问题,从而降低了后期装车过程中对线束产品的改制或返工工时,无形中降低线束产品的成本。在设计过程中,在对整车电气原理充分剖析后,结合各用电器的负载、整车的装配工步和售后维修的需要,最为合理地计算出每一根电线的线径、走向和长度,在哪里分支、在何处出线等,能够最大限度节约零部件,从而降低线束产品的成本。本文将对线束产品在设计优化方面贡献的成本竞争力进行分享。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

2 电线束产品概述

汽车电线束是汽车动力和信号传输分配系统的总成,是汽车电路的网络主体,是汽车电路中连接各个电器设备的接线部件和各部件联系的载体。如果将汽车比作人体,汽车引擎是心脏、ECU是大脑,那么汽车电线束便是血管、是神经,可见汽车电线束对于汽车整车电路正常稳定工作的重要性。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

为了确保整车电器设备能够在正常使用的条件下保持可靠的连接,将全车各电器设备使用不同规格、颜色、耐温等级的导线及护套、端子,通过合理的布线并充分考虑装配及维修的需要,将整车所需的导线连接整合,再通过定位件、保护管等部件按照合理的工艺捆扎到一起,就形成了线束。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

电线束由导线、护套、端子、熔断丝、继电器以及其他能够起到绝缘、保护、固定、密封等作用的零部件组成。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

与现代自动化生产工艺不同,汽车电线束产品是管理密集、劳动力密集、零部件密集为一身的特殊产品,能够实现自动化工艺的工序有限,对过程管控能力、品质保证能力及操作人员技能具有较高的要求。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

随着汽车电子功能配置的不断提高,消费者对整车的安全性、舒适性、操控性等方面要求亦不断增加。为满足不同消费群体对汽车电器功能的喜好,整车厂一般会针对不同消费阶层设计不同电器功能配置的车型,这样,与之配套的线束产品种类也随之增加。以目前国内市场销量及口碑均不错的某系列车型为例,该车型可搭载GW4G15F、GW4B15A、GW4D15D、GW4C20B、GW4N20这5款汽油发动机,与之匹配的发动机和变速器线束就达到了13种之多,加上不同电器功能配置的车门线束、仪表板及控制台线束、车架线束、前舱线束、座舱线束和消费者可自行选装的功能,该车型的线束产品种类达到80种以上。由此可见,线束产品的种类与整车电器配置息息相关,电器功能配置越丰富,配套的线束产品种类越繁多。除此之外,商用车线束产品的多品种、小批量也是另外一大特点。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

目前世界上的主流汽车生产商主要分为3个车系:以美国为代表的美系 (主要范围在北美)、以德国为代表的欧系(主要范围在欧洲) 和以日本、韩国为代表的日韩系 (主要范围在日韩)。除去上述3个主流车系,英国、法国、意大利等国家的汽车制造业在全球也具备了相当的品牌知名度。各个系别的整车已经形成体系,那么与之配套的零部件自然各成体系,线束产品亦不例外,车系不同,线束产品中使用的零部件亦不相同。构成线束产品实体的零部件种类大约在20类以上,如护套、端子、电线、定位件、雨塞、熔断丝盒、继电器、橡胶件、管材、胶带以及泡沫条等,其中按照使用部位不同,使用的零部件材质亦不相同。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

一般来说,整车线束产品在批量加工过程中的自动化覆盖率不超过50%,这便注定了其劳动力密集的产品特点。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

线束产品的加工工艺主要为下料、压接、焊接、绝缘、分装和组装,其中分装工序和组装工序的自动化覆盖率均不超过10%,在劳动力紧缺的今天,这无疑成为线束行业发展的瓶颈。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/cost-optimization-plan-for-automotive-low-voltage-wire-bundles/

3 电线束产品成本构成

电线束产品的成本由固定成本及变动成本构成,包括材料费、工时费、燃动费、制造费、管理费、财务费用、销售费用、模具分摊费用、开发费用等。相比于工时费、制造费、财务费用、管理费用等固定成本,材料费等变动成本在电线束产品中所占的比值更高。为了满足激烈的终端销售竞争和最终用户对车辆的高性价比要求,整车厂对零部件供应商的成本贡献也不断提出新的要求,直接体现在产品供货单价方面。面对整车厂保质、降价的要求,零部件供应商通过提升工人劳动效率、VAVE、提高自动化率、优化采购资源等一系列成本优化活动实现成本降低目标。以下将从设计方面对成本贡献的竞争力进行分析。

4 典型的设计优化方案

4.1 优化原则

在最优经济性的条件下实现线束产品的可靠性。

4.2 优化方案

4.2.1 进口零部件国产化

对进口零部件进行国产化,是线束供应商降低线束产品成本的一种常见方法。随着汽车零部件采购的全球化,进口零部件与国产零部件的价格已不再是动辄50%以上的差异,但却始终保持着10%~35%的价格差。虽然线束中使用的诸如ABS、SRS、各类ECU、BCM等关键电器零部件仍然是由APTIV、BOSCH、SIEMENS、TE等国际汽车零部件巨头凭借其高端的技术优势垄断,但一些非关键电器部位的零部件供应商却分布极广,这一部分零部件也是进行国产化的重心。一般来讲,整车线束产品中进口零部件的采购成本占据了材料费的20%~40%,而材料费又占据了整车线束成本的65%~85%,那么,通过对非关键部位零部件的国产化,能够降低整车线束产品成本的1.3%~11.9%。从数据上看,成本降低的绝对值是相当可观的,但真正实施起来,在某些方面却存在着不足。

首先,零部件的国产化需要在整车厂、线束供应商和零部件供应商的共同配合下来完成。在完成对国产化零部件的开发后,零部件供应商需进行自检,自检合格后线束生产企业需要按照行业标准或顾客标准对国产化零部件进行充分的数据匹配及试验验证。以上检验及试验完成后,还需整车厂对国产化零部件进行现场装配及道路行车试验,上述所有试验都进行完毕且合格后,经过小批量和批量试装车后方能投入生产使用。整个开发和试验周期下来,少则几个月,多则一年。在此期间,需要三方的紧密沟通和通力配合,缺一不可。

其二,目前国内很多零部件供应商对复合结构、小规格系列零部件的开发能力仍有很大的提升空间。国产化零部件最常见的问题是形似而神非,虽满足了外观和结构要求,但在可靠性方面仍有部分欠缺,这就需要整车厂和线束供应商协助国产化零部件供应商提升其开发能力和设计验证能力。

第三,供货稳定性不足也是国产化零部件的又一常见问题。除去原材料的采购资源、零部件模具的加工精度,零部件供应商的生产过程控制能力和品质保证能力也是造成这一问题出现的重要因素。这也需要整车厂和线束供应商通过对零部件供应商的过程评审来不断提升其过程控制能力和品质保证能力。

4.2.2 线束结构优化

通过整车厂不断进行的生产效率提升活动,“零部件预装”被更多地应用到总装生产线。如发动机、仪表板、前后保险杠、车门等零部件在具备组装条件的前提下,已在总装线下将与之匹配的电线束装配完毕后总成供货至整车厂,这样便提升了整车厂的生产节拍并降低了电线束在总装生产装配过程中因与过多其他零部件干涉带来的损伤风险。

图1、图2以某车型低配整车线束结构优化为例,对比详见图3。将主线束按照装配区域和功能进行拆分,虽然增加了一部分线束间对接插件,但可降低线束生产工时,同时便于整车厂进行预装并降低售后维修工时。

采用拆分主线束的优化方案后,具备如下优势。

1) 从历年售后市场反馈的索赔及故障信息来看,线束产品索赔及故障多发于工作环境较为恶劣的发动机舱内,而驾驶室内线束产品的索赔数量则相对较少。采用优化前结构的主线束,不利于对线路的维修及更换。将主线束拆分为发动机舱线束、仪表板线束和车身线束三部分后,能大大缩短售后维修所使用的工时和最终用户的维修成本。

2) 通过实施“零部件预装”方案,在降低线束供应商生产装配工时的同时,也能够提高整车厂在总装生产线的装车效率。

3) 主线束拆分后,线束产品种类丰富,提高了整车厂的生产组织灵活性、物流管理效率及零件调达率。

4) 拆分主线束后,在线束的成品及半成品周转、运输过程中,能够降低因导线过长导致的刮、拽风险。同时,也面临着如下挑战:①主线束拆分后,线束间的连接点增多,增加了线束产品品质的风险点;②主线束拆分后,将会增加线束间的接插件,导致线束产品的材料成本随之增加。

线束结构的优化,最终取决于整车厂和线束供应商之间的协同成本。

4.2.3 导线种类优化

目前线束中使用的导线种类,依据客户标准要求大体采用4种,分别为符合JASO标准的日系导线、符合VW或DIN标准的德系导线、符合ISO 6722国际标准的导线以及符合国标GB/T 25085的导线,这其中又以使用日系、德系标准的导线居多。通过计算载流量、在满足使用功能的前提下,对部分规格跨度较大的导线规格之间增加部分规格或使用满足其他标准的不同规格导线进行补充,实现降低线束产品零部件成本的同时也能够对整车轻量化做出贡献。

表1以德标FLR型导线为例 (导线规格单位为mm2) ,“︸ ”标注区间内的导线规格跨度较大。若对上述规格跨度之间增加部分规格或使用日标导线,则能够对导线规格区间进行较为有力的补充,见表2。

尽管相近规格的德标导线、日标导线在结构上存在差异,德标导线在截面积和导体电阻两方面具有优势,但差异不是特别明显,而日标导线在成品外径和质量两方面具有一定优势,见表3。

1) 相近规格的德标导线(图4)和日标导线(图5)在温升和电流曲线方面的差异。

从两种类型导线的温升和电流曲线能够看出:在相同的温升条件下,德标导线的电流承载能力略强于对标的日标导线。例如:在温升为20℃时,不同规格导线间的电流承载能力差异在8.33%~9.52%之间,温升越低,承载能力差异越小。

2) 相近规格的德标导线(图6)和日标导线(图7)在发烟时间方面的差异。

 

从两种类型导线的发烟时间曲线能够看出:在相同的过电流条件下,德标导线的发烟时间长于对标的日标导线,不同规格导线间的发烟时间差异在13.79%~17.44%之间,过电流越小,发烟时间差异越小。

综上两种类型导线的各项指标对比 (表4),在进行充分设计验证的前提下,增加部分满足本类型导线要求的导线规格或使用满足其他标准的不同规格导线,在设计时对导线规格的选择会有更大空间且能够满足部分成本和自重方面的要求。

4.2.4 零部件材质的分区域设计

全球能源价格不断攀升,导致原材料价格不断上涨。在此形势下,按照干区、湿区的使用区域不同,充分考虑零件的各项性能,使用最具经济性的原材料从而提高零部件的性价比,避免零部件功能过剩则显得尤为重要。

1) 接插件常用的材质,经过在实际应用条件下的验证,各项性能见表5。

2) 导线绝缘层常用的材质,其长时耐高温性能见表6。不同材质绝缘层的耐温等级不同,其原材料的价格及加工工艺也不相同。

3) 外辅零部件的常用材质,其长时耐高温性能见表7。以上线束产品中常用的零部件,能够依据使用区域的不同而进行区域化设计,降低原材料成本。

4.2.5 零部件的平台化设计

零部件平台化,即提高零部件的延续性和通用性,能够有效地降低零部件的开发成本和模具成本,从而降低零部件的价格,比如大众汽车的PQ34、PQ35和MQB平台、一汽轿车的H平台、长城汽车的K平台、华晨金杯的H2W平台等。很多主机厂在开发新车型时,除了必要的车身、灯具等专车专用的零部件需要重新开发设计外,其他电器件在设计初期更多的是借用现有批量生产车型中使用的已经非常成熟的零部件,即平台化使用。这样,就在很大程度上降低了零部件的开发成本和模具成本,缩短了新项目中零部件的开发和采购周期,又保证了零部件品质的稳定性和可靠性,同时更降低了整车厂的采购成本和对零部件的管理成本。在相同的整车供求关系链中,零部件的种类越少,其采购成本和管理成本就越低。由此可见,零部件平台化的优势不言而喻。

1) 护套按照匹配端子的规格进行整合,结构相似的可从孔位数、颜色、限位等方面加以区分,见表8。

2) 定位件按照与车身的配合方式、空间及结构,除异形定位件及支架外,可对其种类进行整合,见表9。

3) 除特殊电气功能件外,整合端子的规格、厚度、镀层及锁紧机构以配合护套使用,端子与导线间的推荐匹配关系见表10。各种规格端子的电流负荷能力,依赖于被压接导线的横截面积、端子的材质及镀层。

 5 结语

本文通过对汽车低压电线束产品在设计方面进行的常见优化方案入手,分享了部分设计优化方案对成本贡献的竞争力。当然,在设计方面能够进行成本优化的方法还有很多,比如智能电器盒的应用、多管脚熔断丝的使用等,都能在一定程度上对线束的成本起到遏制作用。希望通过本文的分享,为我们的民族汽车事业添砖加瓦,尽一份绵薄之力。

来源:《汽车电器》2023年2期,作者:迟巍巍, 王慧春, 牟海涛, 王 岩, 索海东, 郑洪超

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