汽车线束拓扑研究及分析

2020年8月23日 评论 117 4400字
散漫说,线束拓扑设计简单的说就是线束分段,线束布置设计。整车线束拓扑设计是架构设计中一项重要内容,它受整车装配工艺影响很大。而一般的,主机厂除非大的生产线调整,车型的线束拓扑设计很少有大变化。受惯性思维和人的惰性的影响,对于线束拓扑设计的研究分析很少。基于此,分享一篇文章一起学习下。
 随着汽车技术的迅猛发展以及新型车载功能的与日俱增,整车线束形成了一个复杂而又庞大的电网结构。本文主要围绕整车线束的分段形式,结合成本和装配特性对其结构、拓扑进行研究,并分析各个拓扑结构的优劣点。

1 线束拓扑结构

汽车线束在整车的电气网络架构中,扮演着重要的角色,整车各类功能的实现,离不开线束的连接。

线束的拓扑结构为线束在整车内的布置情况。线束拓扑结构的体现形式为在整车区域内的连接形式及分段数量。在确定整车的电气架构和电源分配之后,需要对线束的结构及分段拓扑方式进行设计。合理的线束分段拓扑将有利于线束的总装可制造性,也能够降低线束的生产制造成本。

2 线束拓扑设计的意义

基于线束的原材料成本,采用一根整体式线束连接整车所有的电气器件是最优的,然而在线束实际生产制造、装配过程中会受到其他因素的制约。线束的分段拓扑设计不能一概而论,遵循单一的形式,而是要从整车层面,在满足预设功能的前提下,以最少的原材料使用和最高的生产、装配效率为目标导向来进行全方位的考量。

遵循易于生产装配的原则,并且考虑到成捆线束穿线时的最大投影面,四门线束、尾盖线束、前后保险杠线束一般作为除车身主线束以外的小线束单独安装。贯穿发动机舱和乘客舱的车身主线束总成可以分为3个分段:外舱线束、仪表线束以及内舱线束,如图1所示。

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图1  车身主线束总成的分段

3 典型的线束分段拓扑方式

根据车身主线束总成的分段,目前汽车市场上各大品牌的汽车线束分段拓扑方式主要可以分为3类,分别是1段式、2段式和3段式车身主线束。

3.1  1段式车身主线束

该拓扑结构将外舱线束、仪表线束和内舱线束合为一个整体,从车头至车尾贯穿整个白车身,如图2所示。

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图2  1段式车身主线束

由于具有较少的接插对接,不必要的连接器和端子等线束散件可以省去,因此,1段式拓扑具有较低的线束原材料成本。但是对于总装车间流水线而言,整车线束需先通过仪表合装,再将线束穿至外舱、敷设至内舱进行安装。

目前德系大众一些平台的车型应用1段式拓扑,同样是1段式线束拓扑,外舱应用不同类型的熔断丝盒对应了不同的装配情况。

1) 外舱采用固定在蓄电池正极且体积相对较小的主熔断丝盒或作为一次件(总装车间负责装配) 的发动机舱熔断丝盒。这种情况下,在装配时,先将外舱线束装入保护套中,随后从内舱穿过前围板的钣金孔抵达外舱。在这过程中,外舱线束的最大投影面积受开孔尺寸的限制,即线束最大投影面积需要小于钣金孔,如图3所示,其中红圈处为线束在前围板的固定位置。

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图3  1段式线束装配方式(情况1)

2) 外舱采用体积相对较大且作为二次件(线束供应商负责装配) 的发动机舱熔断丝盒,相比于情况1,外舱线束具有更大的投影面积。这种情况下,前围板需采用分体式的结构。在装配时,外舱线束先放置在前围板的外舱侧,接着将其固定在前围板分体上,随后通过螺母将前围板分体固定在前围板主体上,如图4所示,其中红圈处为线束在前围板的固定位置。

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图4  1段式线束装配方式(情况2)

3.2  2段式车身主线束

该拓扑结构有两种结合形式,一种是以外舱和内舱交界处的前围板为界,把仪表线束和内舱线束合为整体,两者的线束总成和外舱线束通过接插对接,2段式车身主线束(独立外舱线束) 如图5所示。

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图5  2段式车身主线束(独立外舱线束)

目前德系大众一些平台的车型应用该线束拓扑分段方式。独立外舱线束的2段式拓扑相比于1段式拓扑,将车身主线束在前围板两侧打断,因此增加了接插对接的数量,导致线束的原材料成本、生产物流成本有所上升。然而,受益于独立外舱线束的设计,前围板钣金结构可以从分体式优化为整体式,如图6所示。这样一来,钣金的成本得以降低,方案的总体经济性优于情况2的1段式拓扑。

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图6  2段式线束拓扑对应的整体式前围板

另一种是将仪表线束作为独立总成,把外舱线束和内舱线束合为整体,两者的总成和仪表线束之间通过接插对接。这种情况下,可以在仪表供应商处预先完成仪表线束的装配,对于总装车间而言,可以减少流水线工位的操作工时,但需要进行外舱穿线。目前德系大众、奥迪某平台的车型应用该线束拓扑分段方式,如图7所示。

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图7  2段式车身主线束(独立仪表线束)

3.3  3段式车身主线束

该拓扑结构不合并任何一个分段的线束,外舱线束、仪表线束、内舱线束分别为独立的线束总成,总成之间使用接插对接,3段式车身主线束如图8所示。

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图8  3段式车身主线束

3段式拓扑相比于1段式拓扑,将车身主线束打断为3部分,接插对接多了数组,更进一步引起线束原材料成本、生产物流成本的上升。但是对于总装车间流水线而言,可以避免仪表合装、前舱穿线的安装方法。装配时,先进行内舱线束和外舱线束的安装,完成接插对接,再将仪表线束随仪表总成装入车内,随后完成和内、外舱线束的接插对接,总装可制造性得到进一步提升。目前市场上日系车SUV、美系车如别克GL8,以及国内自主品牌如长城、比亚迪等一系列车型应用该线束拓扑分段方式。

1) 自主品牌长城H6、某日系SUV为3段式拓扑。整车接插对接的数量约为30。布置形状为左右对称的H型,内舱线束通过中央通道左右相连。

2) 自主品牌比亚迪-唐为3段式拓扑。整车接插对接的数量约为36。外舱和内舱线束为环型结构,首尾对接相连,避免绕线,走线更灵活,有利于减少导线长度。

3) 美系别克GL8为3段式拓扑。整车接插对接的数量约为32。但与常规的3段式不同,由于外舱体积较小,内舱线束直接经过前围板连接到发动机舱熔断丝盒,因此内舱线束整体偏大。整车线束是一大多小的结构。

4 线束拓扑设计的原则

整车内并不只有汽车线束一个总成零件,还包括动力总成、车身钣金、内饰等周边零件。从整车层面来看,车身主线束总成的拓扑设计原则,主要和工厂总装车间的人机工程可制造性、原材料成本、整车结构性能等方面有关。

此外,线束的拓扑设计需要在项目前期的总布置阶段介入。总布置阶段的时间节点一般在项目批量生产前的两年半,如果线束的拓扑设计介入较晚,周边其他环境零件的技术状态则会锁定,也就不会留有考虑线束拓扑的余地,这一点对主机厂开发全新平台,或者中方的平台尤其重要。

在项目的总布置阶段进行整车线束拓扑的设计时,需要对下述几个点进行分析,从而综合考量线束的拓扑方式。

4.1 总装车间可制造性

线束拓扑的分段越多,流水线工位的操作工时越少,更易于总装车间的装配,从而提升车辆制造的节拍及产线效率。

对于具有较大投影面积的1段式线束拓扑,为便于车间进行装配,会将前围板钣金分为两个部分。通过前围板分体式结构和整体式的各参数差异对比,得出如表1结果。

表1 前围板分体式和整体式结构的各参数对比

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可见,从总装可制造性的角度,相比于分体式结构,前围板采用整体式结构的设计,将会减少车间的装配时间,并省去了额外的设备投资费用,因为不需要再将分体钣金固定在主体钣金上,从而提升了现场安装的可制造性和效率。

对于需要进行外舱穿线的线束拓扑方式而言,前围板钣金孔的大小,主要是由外舱线束的最大投影面积决定,即发动机舱熔断丝盒的体积投影。在保持整体式前围板钣金不变的条件下,可以考虑将发动机舱熔断丝盒从二次件改为一次件,这样可以缩小线束最大投影面积,使线束回归到情况一的1段式线束拓扑设计,从而提升整车的经济性,但需要对发动机舱熔断丝盒进行设计,降低其和线束总成的集成度。

4.2 线束原材料成本

和1段式线束拓扑相比,2段式和3段式线束拓扑拥有更多用于接插对接的连接器。通过3段式和一段式线束拓扑接插对接的各参数差异对比,得出如表2结果。

表2 多接插对接和无接插对接的各参数对比

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可见,由于接插对接数量的增加,3段式线束拓扑不论是在线束原材料成本方面,还是在物流成本方面,都要高于1段式线束拓扑。

现以市场上某一车型为例,评估其接插对接带来的成本。某车型线束的分段数量产生了20组接插对接连接器,一组连接器的价格约为2元,那么就产生了每车40元的线束原材料成本。除此之外,再加上物流排序、包装及运输的费用,会产生每车约20至30元的管理成本。这样一来,单车成本增加的估算值约为60元,该成本增加值对于使用车辆的客户群体而言,是不具有任何价值的。若该车型一年的产量为一百万辆,则会产生多达6000多万的对客户没有额外价值的冗余成本。

4.3 整车结构及性能效益

对于应用体积较大的发动机舱熔断丝盒且需要进行外舱穿线的线束分段拓扑而言,如果应用整体式前围板的结构,则需要开一个大于线束最大投影面积的孔。从车身结构的角度而言,过大的前围板钣金孔,会降低整车结构的刚度,对于发生碰撞的车辆而言,所承受的强度将会变低。另外,从汽车NVH (噪声、震动、声振粗糙度) 的角度而言,过大的前围板钣金孔,会将汽车行驶过程中在外舱产生的各种噪声更多地传至内舱,从而影响驾乘人员的驾驶体验及整车品质的性能指标。

此外,对于这种情况,采用分体式前围板钣金结构不会影响整车结构的刚度以及NVH性能。但是,从钣金零件的角度,相比于分体式前围板,整体式前围板将会降低钣金零件的成本,可以为整车带来良好的经济效益,将会减轻整车的质量,提升车辆的排放及燃油经济性能,从而为整车带来良好的环境效益。

4.4 线束供应商的生产能力

多段式车身主线束,相比于合为1段式,每一段线束具有更小的体积,对于线束供应商而言,更易于生产。这是因为线束的生产模具为工装板,如果是1段式的车身主线束,则需要使用更大、更长的工装板进行生产制造,对线束供应商生产工厂的流水线、设备、工艺、人员等各方面的实力水平和管控提出了更高的要求。

5 总结

本文先是介绍了线束拓扑的概念,接着阐述了线束进行分段拓扑设计的意义,再以市场上的不同车型为例,分析了不同拓扑方式在总装可制造性、原材料成本等方面的优劣点,并且分解了在进行线束拓扑设计时需要考量的点,为前期线束的设计起到了指导作用。

本文通过对汽车线束拓扑的研究和分析,得出如下结论。

1) 对于紧凑型、材料成本导向的车型,可以应用1段式的线束拓扑方式,但对生产工厂的流水线具有较高的要求。

2) 对于已经拥有成熟运作体系的生产工厂,应用2段式、3段式的线束拓扑方式可以提升总装装配效率,但会引起线束原材料成本的上升。

线束的结构拓扑方式并不能一味地以单一的视角对其进行评价,每一种拓扑分段方式都有其优势,针对不同的车型,需要在实现预设功能的前提下,结合总装可制造性、原材料成本、车身结构及性能等因素对其进行综合考量,最终设计出适合该车型的最佳线束拓扑结构。

(本文作者:陈淳 吴欣宇 单黎婷,上海大众汽车有限公司)

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