汽车线束设计及线束用原材料的选取概述

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汽车线束是汽车电路的网络主体,没有线束也就不存在汽车电路,合理设计汽车线束能够在很大程度上提高汽车的整体性能。本文线束工程师之家网首先介绍了整车电路设计,然后对插接件的选取、导线的选取、全车线束密封件的设计做出了详细的介绍,最后对全车线束包扎和固定设计进行了探讨。

1、整车电路设计

1.1 电源分配设计

汽车的供电系统一般由3个部分组成。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

(1)蓄电池直接供电系统(一般称常电或30电)。这部分的电源所接负载是汽车的安全件或重要件。如:发动机ECU及发动机传感器的工作电源、燃油泵的工作电源、ABS控制器的电源、诊断接口电源等。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

(2)点火开关控制的供电系统(一般称为ON 档、IG档或巧电)。这部分电器件是在发动机工作运转的情况下才使用,取自发电机的电源,避免了为蓄电池充电时争电源的可能性。如:仪表电源、制动灯电源、安全气囊电源等。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

(3)发动机起动时卸掉负载的电源(一般称为ACC电源)。这部分电器件一般所带的负载较大,且在汽车起动时不必工作。一般有点烟器电源、空调电源、收放机电源、刮水器电源等。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

1.2 线路保护设计

线路保护就是对导线加以保护,兼顾对回路电器件的保护。保护装置主要有熔断器、断路器和易熔线。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

1.2.1 熔断器的选取原则

熔断器分快熔式和慢熔式。快熔式熔断器的主要部件是细锡线,其中片式熔断器结构简单、可靠性和耐振好、易检测,所以被广泛采用;慢熔式熔断器实际上是锡合金片,这种结构的熔断器一般串接到感性负载的电路中,如电机电路。易受其他用电设备干扰的电器件必须单设熔断器,如发动机ECU、ABS等。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

对整车性能及安全影响也较大,但该类电负荷对相互间的干扰并不敏感的电器件。如发动机传感器、各类报警信号灯和外部照明灯、喇叭等,可以根据情况相互组合,共同使用一个熔断器。对于为增加舒适性而设置的普通电器件类的电负荷可以根据情况相互组合,共同使用一个熔断器。电阻型的负载与电感型的负载尽量避开使用同一个熔断器。一般根据电器件的最大连续工作电流计算并确定熔断器容量,可按经验公式:熔断器额定容量=电路最大工作电流÷80%(或70%)。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

1.2.2 断路器

断路器最大的特点是可恢复性,但其成本较高,使用较少。新型的断路器,使用PTC固体材料作为过流保护元件,它是一种正温度系数的电阻,根据电流或温度的高低断开或接通。这种保护元件的最大优势是当故障排除后能自动接通,不需人工调节和拆换。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

1.2.3 易熔线

易熔线的特点是当线路通过极大的过载电流时,易熔线能在一定的时间内(一般≤5s)熔断,从而切断电源,防止产生恶性事故。易熔线也是由导体和绝缘层构成,绝缘层一般为氯磺化聚乙烯材料,因为绝缘层较厚,所以看起来比同规格的导线粗。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

易熔线一般接在蓄电池直接引出的电路中。易熔线的常用的公称截面有0.3mm2、0.5mm2、0.75mm2、1.0mm2、1.5mm2,甚至还有8mm2等更大截面的易熔线。易熔线的导线线段长度分为(50±5)mm、(100±10)mm、(150±15)mm3种。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

易熔线应有明显的标志,当其熔断后,其标志仍应存在以便于更换。易熔线的熔断特性如表1所示。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

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1.3 继电器的选取设计

继电器分为电流式和电压式2 种。一般根据用电器的功率和开关的承载能力来决定是否选用继电器。常用继电器的设备一般有刮水器、喇叭、除霜、前照灯、雾灯、风扇、鼓风机、转向灯(闪光器)等。继电器分6V、12V、24V 等3种,常用的继电器额定电压为12V、24V。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

选用继电器要参考的技术要求:①可靠性好;②性能稳定;③质量轻、体积小、寿命长,对周围元器件影响小;④结构简单、工艺性好、成本低。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

1.4 搭铁分配设计原则

发动机ECU、ABS等对整车性能及安全影响大,且易受其他用电设备干扰,所以这些件的搭铁点一定要单设。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

对于安全气囊系统,它的搭铁点不仅应单设,而且为了确保其安全可靠,最好采用复式搭铁。其目的是其中一处搭铁失效,系统可以通过另一搭铁点搭铁,确保系统安全工作。无线电系统为避免干扰,也要单独搭铁。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

弱信号传感器的搭铁最好独立,搭铁点最好是在离传感器较近的位置,以保证信号的真实传递。其他电器件可根据具体布置情况相互组合共用搭铁点。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

原则是就近搭铁,避免搭铁线过长,造成不必要的电压降。蓄电池负极线、发动机搭铁线等因导线截面较大,因此一定要控制好线长和走向,减小电压降;为增加安全性,发动机、车身一般要单独连到蓄电池负极搭铁。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

搭铁方式:一是通过孔式接头搭铁,此法一定要在接头的尾部烤上热缩管绝缘;二是通过内部短接的护套直接搭铁。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

2、插接件的选取设计

2.1 插接件的选取设计原则

插接件选取要保证与电器件的良好接触,使接触电阻降为最低,提高可靠性,优先选用双弹簧式压紧结构的插接件。根据导线的截面积和通过电流的大小合理选择插接件。发动机舱内对接的护套,由于舱内温度、湿度偏大且存在着很多腐蚀性气体和液体,因此一定要选择防水性护套。在同一条线束中若用同一种护套,其颜色一定要有区别。基于汽车外观的整体协调性,在发动机舱中应优先选用黑色或深色的护套。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/overview-of-automobile-harness-design/

为减少线束对接用护套的种类和数量,优先选用混合型件,使装配固定方便。

对于要求性能较高的安全气囊、ABS、ECU等用的端子插接件,应优先选用镀金件以保证安全可靠性。不同规格的插接件可承载的电流见表2。

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2.2 插接件原材料(材质)性能分析

2.2.1 护套材质(塑料件)

常用的材质主要有PA6、PA66、ABS、PBT、PP等,其具体性能差异,见表3。设计插件时可根据不同的需求选择不同的材质,还可根据实际情况在塑料中添加阻燃或增强材料,以达到增强或阻燃的目的,如添加玻璃纤维增强等。

2.2.2 端子材质(铜件)

插接件用的铜主要是黄铜和青铜(黄铜的硬度比青铜的硬度稍低),其中黄铜占的比重较大。另外,可根据不同的需求选择不同的镀层。

3、导线的选取设计

3.1 导线类型的选择

线束设计选用导线类型重点考虑线束所处的环境和功能。例如:发动机周围环境温度高,腐蚀性气体和液体也很多。因此,一定要使用耐高温、耐油、耐振动、耐摩擦导线;行李厢盖上的导线要在低温下保持其弹性,所以要选用冷弹性导线保证其正常工作;自动变速器上的导线一定要耐高温、耐液压油,其温度稳定性要好;弱信号传感器要用屏蔽导线,例如爆震传感器和曲轴位置传感器、ABS轮速传感器等;门内线耐弯曲性要求高等。

汽车线束常用的导线通常使用多股绞合铜导线,绝缘皮为PVC绝缘材料。线束用导线要有耐温、耐油、耐磨、防水、防腐蚀、抗氧化、阻燃等特性。

汽车线束常用的导线种类有日标(AVSS 等)、国标(QVR)、德标(FLRY)、美标等几大系列。AVSS(AVS)导线的特点是薄皮绝缘,柔韧性较好;QVR的特点是绝缘皮厚,比较柔软,延展性好;德标导线绝缘皮更薄,柔韧性好;美标导线绝缘皮一般为热塑性或热固性弹性体,还有经过辐照工艺加工的。可根据用户的需求和不同的工作环境选取适当类型的导线。

3.2 计算选取导线截面积

根据电器件功率的大小计算流通导线的电流;长时间工作的电气设备可选择实际载流量60%的导线;短时间工作的用电设备可选用实际载流量60%-100%之间的导线。

根据不同的工作环境和温度大小适当改变导线的截面积。

根据导线的走向、插接件的数量(即电压降的大小)适当改变导线的截面积。

关于导线截面积的计算:I=P/UsA=IρL/Ud

式中:I—电流;P—功率;Us—系统电压;A—导线截面积;Ud—允许最大电压降损失;ρ—铜电阻率;L—导线长度

一般而言,几个关键允许最大电压降损失(Ud)为充电电缆:从三相发电机B+端到蓄电池,0.8V(额定电压、额定功率时);起动机主电缆:从蓄电池到起动机30 端,1.0V(+20℃时);起动机用控制导线:从启动开关到起动机50 端,2.0V。

其他控制电路:比如从开关到继电器、喇叭等,1.0V(额定电压时)。

或按经验公式:I=A×10+8/2允许流通电流与导线截面积关系经验理论值(比按上面公式计算值偏大)如表4所示。

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4、全车线束密封件(橡胶件)的设计

汽车线束过孔时一般运用橡胶件进行过渡,以起到耐磨、防水、密封等作用。主要分布在以下部位:发动机与驾驶室接口处、前舱与驾驶室接口处、四门(或有后背门)与车厢接口处、油箱进口处。

常用的材质一般为天然橡胶、氯丁胶、硅橡胶、三元乙丙等。

天然橡胶的特性:具有良好的弹性和机械强度,有优异的耐曲挠性,有较高的撕裂强度和良好的耐寒性。缺点:耐老化性不大好,不耐油和臭氧,易燃。

氯丁胶的特性:耐臭氧、耐热老化、耐油等性能较好,具有难燃性和自熄性;但耐低温性不好。

硅橡胶的特性:耐热性、耐寒性和耐侯性较好;缺点是不耐油。

三元乙丙的特性:耐侯性、耐臭氧、耐热、耐腐蚀性、耐酸碱等性能都较好,而且拥有高强度和高伸缩率;缺点:粘接性较差,且弹性没天然橡胶好,耐油性差。

比较而言,三元乙丙的综合性能较好,所以现在汽车线束用橡胶件一般选用三元乙丙材料。

5、全车线束包扎和固定设计

5.1 线束包扎设计

线束外包扎起到耐磨、阻燃、防腐蚀、防止干扰、降低噪声、美化外观的作用,一般根据工作环境和空间大小制定以下包扎设计方案。

(1)发动机线束工作环境恶劣,因此全用高阻燃性、防水、机械强度高的波纹管包扎。

(2)前舱线工作环境也相对较差,大部分枝干也用阻燃性好的波纹管包扎,部分分支用PVC管包扎。

(3)仪表线工作空间较小,环境相对较好,可用胶带全缠或花缠。

(4)门线和顶篷线工作空间较小,可用胶带全缠,部分枝干可用工业塑料布包扎;较细的顶篷线可直接用海绵胶带粘在车身上。

(5)底盘线因与车体接触部位较多,因此用波纹管包扎防止线束磨损。

5.2 包扎用原材料的性能分析

5.2.1 波纹管

波纹管在线束包扎中一般占到60%左右,甚至更多。主要的特点就是耐磨性较好,在高温区耐高温性、阻燃性、耐热性都很好。波纹管的耐温在-40-150℃间。它的材质一般分PP 和PA2 种。PA 材质在阻燃、耐磨方面优于PP 材质;但PP材质在抗弯曲疲劳性方面强于PA材质。

5.2.2 PVC管

PVC管的功用和波纹管差不多。PVC管柔软性和抗弯曲变形性较好,而且PVC 管一般为闭口,所以PVC 管主要用于线束拐弯的分支处,以便使导线圆滑过渡。PVC管的耐热温度不高,一般在80℃以下。

5.2.3 胶带

胶带在线束中起到捆扎、耐磨、绝缘、阻燃、降噪、作标记等作用,在包扎材料中一般占到30%左右。线束用胶带一般分PVC 胶带、气绒布胶带和布基胶带3 种。PVC 胶带耐磨性、阻燃性较好;耐温在80℃左右,降噪性不好,价格较便宜。绒布胶带和布基胶带材料为PET。绒布胶带的包扎性和降噪性最好,耐温在105℃左右;布基胶带的耐磨性最好,耐温最高150℃左右。绒布胶带和布基胶带共有的缺点是阻燃性不好,价格昂贵。

6、结论

总之,汽车线束设计得是否合理在很大程度上影响着汽车的整体性能。设计人员只有在问题中分析,实践中总结,在不同环境下灵活运用所掌握的知识,才能不断完善技能,进而达到能够快速合理的对汽车线束进行设计的目的。

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