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    基于轻量化的汽车线束设计探析

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    发表于 2023-11-7 21:11:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
    01

    引言
    随着汽车技术的不断深化,汽车的电子化特征日益凸显,线束作为信号和电力的传输通道,其的结构和设计变得愈加繁复。如今汽车轻量化技术大道齐行,作为主要成分的汽车线束无疑面临着轻量化的严峻情况。为了保证汽车的功能性和可靠性,进一步实现线束轻量化的需求,有必要进行深刻的探讨。



    众所周知,完整的汽车线束包括如导线、包裹材料、橡胶帽、接插件和扎带等线束附件,而线束轻量化指的就是有效降低这些附件的重量,主要思路如下:

    (1)通过合理布局,更好地实现线束布置的优化,具体包括:线束走向布置、电源点和接地点的布置等,以减少应用回路中的导线长度,极佳地减轻线束的重量。
    (2)从接线原理入手,于根源处发掘生机。通过确定汽车线束的基础,保证其的简洁便捷。
    (3)通过改良线束安装的环境,保障一定的安全性,更好地实现线束包裹材料的减重,体现轻量化的需求。




    02
    汽车线束的重量组成结构



    (1)一般地汽车导线都用的是具有较高绝缘性和耐热性的氯乙烯、聚乙烯包覆导线。但随着汽车技术的发展,目前已经无法适应汽车市场发展的需要,因此很有必要重新选取汽车线束的导线。针对传统导线存在的各种缺陷,相应改造出全新的导线,目前市面上颇受追捧的导线多是铝导线、合金导线和混合芯体导线等,极大程度上减轻传统导线对汽车车体的重量。

    (2)因为汽车线束有着全然不同的功能,所以不同功能的导线也会有多重多样的性能。汽车之所以能够辨别车外事物发生的变化,是跟其自身拥有很多功能的导线有关,这些导线有自己独特的功能,通过协调整合,实现汽车各零件的高效运转,更好地践行汽车的各项功能。电力线的横截面有 2mm2、3mm2、5mm2 三类,这同样说明了不同功能的导线也有着截然不同的横截面积。所以要具体问题具体分析。

    (3)汽车线束属于汽车电路的主体部分,为了更好地保障汽车运行的安全性和可靠性,小型汽车的运行需要依靠这些重要的汽车线束。这些汽车线束呈现出交错纵横的状态,首尾相连下来总长度都有近两千米,更不必说其所包含的体重。以一般汽车的铜合金导线重量为例,汽车总导线重量几乎有 25-30千克。按照这样的体量,很有必要对汽车线束的重量加以减少。




    03
    轻量化汽车线束的现状



    1
    现状
    目前汽车的电子化特征逐渐显现,汽车中更多地安装了较多的电子设备,同时对汽车线束提出相应的要求:安全性能好、不存在任何的风险、可靠性高、方便快捷、有一定的材料节余、空间利用率高和布置美观等。汽车内部空间就那么大,还往里面添加如此之多的功能设施,导致汽车内部空间日益变小,线束的安装和排版变得愈发地困难,不利于体现汽车电器系统的安全性和可靠性。于是就如何布置汽车线束并相应设计技术要领成为目前亟待解决的重要问题。

    汽车所要用到的电线跟平时居家用到的电路不太一致,多用到的是低压电线。一般情况下,家里用到的电线采用的是铜质单芯结构,兼具一定的硬度。然而汽车用到的电线采用的是铜质多芯的结构,很多软线细到就像是人的头发一样,几十根软线联合在一起,并放置于塑料绝缘管(PVP)中,又因为该材质具有良好的柔软度,不容易出现线束断裂的情况。为了防止矿物质油破坏电线外绝缘皮,会在上一层加一层纤维棉布和起到绝缘效果的漆膜。

    在一般情况下,通过利用接插件和线耳,实现线束间或线束与电气设备间的连接。接插件的主要构成要件包括护套和端子,在此之上还有插头和插座。护套通过注入或挤压PPE、PVC 或 PE 等材料制作而成,有的时候还会多出一个孔位,以便实现电线的接头;端子通过铁或铜以特殊的制法制成,在此基础上会带有刺,通过将端子嵌入护套之中,以便实现自主的锁定,提升安全性能。塑料材质的护套会在两边添入能够锁定的装置,相应防止装置在使用过程中存在意外滑落的情况。在安装线束的最后阶段要固定住线头,以此防止应用过程中出现线头互触或掉落的安全问题。为了实现这样的效果,一般用的是专门固定线束的器具,保证导线走线的稳固性,避免导线出现更大的损害。

    要想批量生产出线束,需要提前准备好相应的线束图。线束图跟电路原理图之间存在明显的差别。电路原理图主要表现的是不同电气部分有效连接的部分,但没有很好地显示各电气彼此之间存在的关系,进而忽视不同电气元件的尺寸差异和安装过程中的距离问题。线束图则极佳地处理到该方面的问题,以确定各电气元件间的有效连接。



    2
    实际应用
    近年来,人们逐渐把目光投向汽车轻量化等领域的内容,其中最主要的部分包括了线束。在整个车辆的重量上,线束所占的重量达到整体的 5%。正因为有着汽车内导线的助力,汽车才能够更好地行驶在道路上,这充分头体现出导线的重要作用和价值,属于一个汽车的组成生命和内生灵魂。因而在生产汽车的过程中,需要极佳地保障导线的安全性能。如果选择劣质的汽车导线,会造成极大的安全隐患,所涉及的后果简直难以想象。汽车的运行需要保证驾驶过程中乘坐人员的安全,因此有必要进行导线的合格检验,为用户的生命安全保驾护航。

    通过实现线束的轻量化设计,更好地保障汽车的安全性能。线束保护的形式多种多样,包括了护板、支架和橡胶件等。具体应用如下:
    (1)通过减少金属支架的结构,用高强度的塑料护板取代金属支架,如根据温度,相应选择发动机舱布设温度支架和保险丝盒支架;
    (2)通过利用特殊卡丁和固定替代护板取代塑料护板;
    (3)通过应用耐磨性高的纤维和纤维管取代波纹管,减少波纹管的应用,更好地减少成本,降低噪音的影响;
    (4)在较低密封需求的位置,用发泡取代橡胶管,降低橡胶管的使用率,而在布设线束的过程中,相应减少内部的连接。诸如此类的应用能够很好地减轻接插件的重量,其中包括用以固定的附属重量和汽车本身的结构重量。




    04
    汽车线束的具体设计方法



    1
    线束布置设计轻量化
    线束所具备的作用包括连接电源、接地和用电器间的信号通讯。众所周知,两点之间,线段最短。但碍于对线束布置的美观性和可靠性的考量,且为了防止周边环境的限制,不可能让线束中的回路导线用直线的方式进行连接。因此对于线束布置的设计就是让绝大多数的线束回路少走弯路,更好地减缩回路的长度,降低导线的用量。



    1.1 走向布置方面
    如图 1 所示,A 是电源,通过连接到用电器 B 和用电器 C,成为主要用电器,这三种方法都可以践行充分的连接。但是第一种的回路远远比第二种和第三种短。



    三种不同的走向走向布



    实际应用到日常生活中,如图 2 所示,是某重型卡车的底盘线束集成,通过修改线束走向的布置设计,较大幅度地实现轻量化,呈现极佳的减重效果。



    某重型卡车底盘线束集成优化前后对比



    1.2 电源点和接地点的布置方面
    线束是电流传输的主要载体,关于线束的回路主要分成电源线、底线和信号线三类。通过合理布置电源点和接地点,有效降低线束中地线和电源线的长度,以实现线束重量的降低。如图 3 所示,是一个常见的某重型卡车电源点和接地点的布置示意图,具体内容包括:总电源、电器盒 1、电器盒 2 及各接地点和电器 1、/2、3。电器盒 1 和 2 都能够用来取电,当供电并接地设计用电器 1 时,电器盒 2 当做供电点,接地点 1 进行相应的电源分配,缩短电器 1 中的电源线和地线,更好地实现线束轻量化。



    某车型电源点和接地点布置示意图



    2
    接线原理设计轻量化
    接线原理是汽车线束设计的主要依据。通过对接线原理的应用,极佳地提升整体电气系统的安全可靠性,更好地实现线束减重和轻便的目标。如图 4、图 5 所示,借由接线原理的理念,获取某小灯系统接线原理设计轻量化的成果。



    某小灯系统接线原理



    某小灯系统接线原理



    本文以汽车灯光系统中的小灯系统作为汽车线束轻量化设计的案例,显示出该系统应用到较多的用电器,包括车辆各位置的示廓灯、示高灯、仪表台各面板和开关等的背光,跟雾灯等开关有密切的关系。汽车小灯功能输出的电源下挂的回路多于 30 个,根据保险丝的容量和导线截面在流的匹配关系,发现图 4 中的电源下挂回路的横截面积不低于1.5mm2,图5中的电源下挂回路的横截面积不低于0.5mm2,即可实现汽车线束的安全设计,而且导致汽车线束中的 30余个回路的重量降低,同时减少相应的成本。在接线原理的具体落实过程中,通过应用 CAN 总线传输更多的信号,实现控制器就近采集信号的需求,相应减少传感器的使用数量和信号的回路数量,以期做到信号回路长度的缩短,实现接线原理设计的轻量化。



    3
    线束包裹材料选择轻量化
    汽车线束经常使用的包裹材料主要包括:PCV 胶带、PVC 套管、波纹管、绒布胶带、 耐磨布和耐磨革等。包裹材料的主要方法又包括:全包裹、密包、花包和间隔包等。通过这些包裹材料外形约束相应的汽车线束,相应增加汽车线束的隔热性、耐磨性和降噪性。比如:在发动机线束的应用中,会采用花包的方式,用 PVC 胶带包裹,再外层添加一层波纹管。线束包裹材料是汽车线束集成的重要成分,并且还是汽车线束重量的重要成分。比如发动机线束,其所应用到的包裹材料占到了汽车线束整体重量的五分之一。通过积极有效地改良汽车线束布置位置的周围环境,尽可能地选取一些简洁轻便的线束包裹方法,实现汽车线束包裹材料选择的轻量化,更好地减轻汽车线束的重量。




    05
    结论




    本文通过对汽车线束轻量化设计的探析,得出具体的设计方法,包括:线束布置、接线原理和线束包裹材料选择的设计轻量化。这样一来可以很好地为汽车线束减重,实现更多汽车载物的需求。同时也不能仅仅满足于现状,对于线束轻量化的设计考量还有很多,比如:选用轻量化接插件或轻质材料、提高电气系统电气等级等。通过应用各种积极有效的举措,减少导线、插件和包裹材料的使用或改良材质,更好地保障汽车线束的安全可靠性,促进我国汽车行业的蓬勃发展。

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