汪思泉

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心電子電器部，湖北 武漢 430058）

汽車(chē)線束是汽車(chē)電路的網(wǎng)絡(luò)主體，遍布汽車(chē)全身，作用主要有2個(gè)：一是使汽車(chē)上的電源 （蓄電池和發(fā)電機(jī)）和各種電器設(shè)備實(shí)現(xiàn)電路連接，實(shí)現(xiàn)電源分配和供電的目的，二是負(fù)責(zé)整車(chē)各個(gè)電器設(shè)備之間的信息交互，達(dá)到控制車(chē)輛和實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖的目的。正確、規(guī)范的線束設(shè)計(jì)是保證線束自身、車(chē)輛電器設(shè)備正常工作的前提，不規(guī)范、存在設(shè)計(jì)缺陷的線束設(shè)計(jì)，不僅線束自身的功能和性能達(dá)不到設(shè)計(jì)目的，存在設(shè)計(jì)隱患，而且會(huì)影響車(chē)輛電器設(shè)備的正常工作，出現(xiàn)意想不到的狀況。下文將對(duì)線束設(shè)計(jì)的3種失效模式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明和分析。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)線束毛細(xì)現(xiàn)象

1.1 現(xiàn)象描述

東風(fēng)天龍牽引車(chē)DFL4251A8在上市半年后，陸續(xù)接到服務(wù)站反映，在維護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器Engine Electronic Controller Unit（以下簡(jiǎn)稱EECU）的插接件時(shí)，發(fā)現(xiàn)插接件與EECU對(duì)接處有溶液堆積，后經(jīng)驗(yàn)證，這種溶液是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油，如圖1所示。

1.2 機(jī)油聚集的原因分析

這些機(jī)油通過(guò)什么途徑聚集在插接件對(duì)接處？技術(shù)人員首先懷疑發(fā)動(dòng)機(jī)檢修時(shí)泄露的機(jī)油通過(guò)導(dǎo)線滲透到插接件對(duì)接處，于是檢查了線束端后部的波紋管和導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)部分車(chē)輛線束的確有機(jī)油存在，但另一部分車(chē)輛的線束導(dǎo)線非常潔凈，沒(méi)有機(jī)油滲透的痕跡，于是排除了機(jī)油通過(guò)導(dǎo)線外壁滲透的可能。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，并不是插接件的所有管腳都有機(jī)油聚集，而是其中一部分管腳有機(jī)油聚集，分別是5、 6、 7、 8、 18、 19、 20、 30、 31、 37、 38、39腳。這些管腳對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油電磁閥1、2、3、4、5、6的控制管腳。于是懷疑發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)機(jī)油可能通過(guò)這些導(dǎo)線以毛細(xì)現(xiàn)象的機(jī)理滲透到導(dǎo)線的多股線芯里，繼而滲透到EECU插接件處聚集。

為了證實(shí)這種猜測(cè)，將故障線束中控制噴油電磁閥1、2、3、4、5、6的導(dǎo)線和其他導(dǎo)線的絕緣層剖開(kāi)，檢查導(dǎo)線內(nèi)部和線芯上有無(wú)機(jī)油存在。剖開(kāi)后發(fā)現(xiàn)以上12根導(dǎo)線的內(nèi)壁和線芯均有機(jī)油存在，而其他導(dǎo)線的內(nèi)壁和線芯沒(méi)有機(jī)油的痕跡，這就說(shuō)明了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的確通過(guò)毛細(xì)現(xiàn)象經(jīng)由導(dǎo)線的線芯，滲透到EECU插接件處聚集。同時(shí)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)也驗(yàn)證了上述結(jié)論，即將10根導(dǎo)線一端浸沒(méi)在機(jī)油容器里，另一端置于容器外，并擱置在白紙上。大約經(jīng)過(guò)5h后，白紙上多處有機(jī)油的痕跡，但這10根導(dǎo)線外壁都沒(méi)有機(jī)油的痕跡，說(shuō)明機(jī)油能夠通過(guò)導(dǎo)線線芯和內(nèi)壁以毛細(xì)現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行滲透。

1.3 危害及對(duì)策

短期內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)線束毛細(xì)現(xiàn)象形成的機(jī)油聚集不會(huì)對(duì)線束和EECU產(chǎn)生有害的影響，甚至在一定程度上可以保護(hù)插接件的插針免受雨水的侵蝕。但是長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，聚集的機(jī)油對(duì)EECU和插接件是有危害的。一方面機(jī)油會(huì)老化，老化的機(jī)油會(huì)加速插接件的老化、降低插接件的密封性；另一方面，聚集的機(jī)油會(huì)繼續(xù)滲透到EECU內(nèi)部，侵蝕EECU內(nèi)部的電子元器件，導(dǎo)致EECU工作不正常甚至損壞。

因此，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)線束的毛細(xì)現(xiàn)象采取對(duì)策，防止機(jī)油滲透和聚集。一種可行、經(jīng)濟(jì)的方法是將噴油電磁閥根部附近的導(dǎo)線切斷，剝掉切斷處兩端的絕緣層，絕緣層剝掉的長(zhǎng)度為20～30mm，然后采用超聲波焊接工藝，將兩段多芯導(dǎo)線熔融為一段實(shí)心導(dǎo)線段。為了進(jìn)一步阻斷毛細(xì)滲透的途徑，采用帶膠熱縮管將上述實(shí)心導(dǎo)線緊密包住，阻止機(jī)油通過(guò)實(shí)心導(dǎo)體和絕緣層內(nèi)壁的間隙滲透。

為了驗(yàn)證上述方案的效果，同樣做了一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)。將經(jīng)過(guò)上述處理的10根導(dǎo)線一端浸沒(méi)在機(jī)油容器里，10根導(dǎo)線另一端置于容器外，并擱置在白紙上。經(jīng)過(guò)48h甚至更長(zhǎng)時(shí)間后，白紙上沒(méi)有機(jī)油的痕跡，說(shuō)明上述對(duì)策和方案對(duì)于避免線束毛細(xì)現(xiàn)象有效。

將上述對(duì)策和方案應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)線束上，進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)和驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)1年時(shí)間的跟蹤，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)EECU插接件處有機(jī)油聚集，充分驗(yàn)證了上述對(duì)策的有效性。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制器電源回路阻值不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范

東風(fēng)天龍牽引車(chē)DFL4180A2搭載博世EDC7發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng) （以下簡(jiǎn)稱EDC7系統(tǒng)）。在試驗(yàn)階段，博世技術(shù)人員對(duì)EDC7系統(tǒng)的設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估，指出試驗(yàn)樣車(chē)EDC7系統(tǒng)電源回路實(shí)際測(cè)量阻值為79.4mΩ，遠(yuǎn)高于博世EDC7系統(tǒng)線束設(shè)計(jì)規(guī)范 （線束新?tīng)顟B(tài)要求小于45 mΩ，線束老化后狀態(tài)要求小于90 mΩ）。該問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致EDC7系統(tǒng)的工作電壓降低，尤其是線束老化后，回路阻值會(huì)繼續(xù)增大，導(dǎo)線上的電壓降將顯著增大，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)噴油電磁閥的開(kāi)啟速度，進(jìn)而影響噴油時(shí)刻和噴油量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的性能［1］。

2.1 原因分析

博世對(duì)控制器電源線回路阻值定義為從蓄電池正極到ECU正極管腳的阻值R1與ECU負(fù)極管腳到蓄電池負(fù)極阻值R2之和，如圖2所示。

博世電源回路阻值的測(cè)試方法如圖3所示。首先將一個(gè)虛擬ECU模型 （以下簡(jiǎn)稱DCU）替換樣車(chē)上的EDC7系統(tǒng)ECU，該DCU管腳定義、電氣特性完全等同于EDC7系統(tǒng)，因此測(cè)試車(chē)輛的線束不用做任何更改，從而保證測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)性。DCU內(nèi)部有固定的電阻R4、R5、R6，當(dāng)對(duì)DCU施加固定電壓時(shí)，DCU兩端的電壓U2和DCU消耗的電流Ie就是一個(gè)穩(wěn)定值，方便獲得測(cè)量數(shù)值［1］。

測(cè)試時(shí)，還需要測(cè)量蓄電池兩端的電壓U1，利用歐姆定義，就可以計(jì)算出電源回路阻值R，計(jì)算公式為： R=（U1-U2）／Ie。

表1為改善前控制器電源回路阻值測(cè)試數(shù)據(jù)，5次平均值為79.42mΩ。

表1 改善前控制器電源回路阻值測(cè)試數(shù)據(jù)

在設(shè)計(jì)EDC7系統(tǒng)原理圖和線束時(shí)，設(shè)計(jì)人員沒(méi)有獲得EDC7系統(tǒng)的線束設(shè)計(jì)規(guī)范，原理和線束設(shè)計(jì)是按照常規(guī)電路設(shè)計(jì)的，即按照EDC7系統(tǒng)額定電流15A、峰值電流25A設(shè)計(jì)，選取導(dǎo)線截面積2.5 mm2，熔斷絲容量25 A。EDC7電源線布置的路線如圖4所示，即EDC7電源回路經(jīng)過(guò)蓄電池正極→電源總開(kāi)關(guān)→底盤(pán)熔斷絲盒→底盤(pán)線束→駕駛室線束→駕駛室熔斷絲盒→駕駛室線束→發(fā)動(dòng)機(jī)線束→發(fā)動(dòng)機(jī)控制器→發(fā)動(dòng)機(jī)線束→車(chē)架搭鐵→蓄電池負(fù)極線→蓄電池負(fù)極。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和估算，以上各處接觸電阻、各段導(dǎo)線的電阻值見(jiàn)表2。

表2 改善前估算各處接觸和各段導(dǎo)線的電阻值

通過(guò)表2估算出電源回路的總阻值為80.54mΩ，與博世的測(cè)量數(shù)據(jù)79.4 mΩ幾乎一致?？梢钥闯?，回路中阻值最大的2個(gè)分別為右接線盒到ECU電源線接觸電阻19.9 mΩ和駕駛室電源線阻值9.9 mΩ，這是回路阻值整改的重點(diǎn)部位。

2.2 對(duì)策及驗(yàn)證

既然試驗(yàn)樣車(chē)的電源線阻值超過(guò)了設(shè)計(jì)規(guī)范，存在降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能的風(fēng)險(xiǎn)，就必須對(duì)電源回路的阻值進(jìn)行改善。前面分析已經(jīng)得出回路電源線阻值大的原因有兩個(gè)方面：一是電源線布置走了一個(gè)大迂回，從底盤(pán)進(jìn)駕駛室，再回到發(fā)動(dòng)機(jī)，長(zhǎng)度近9 m，線路過(guò)長(zhǎng)；二是電源線的線徑偏小，僅采用了1根2.5mm2的電源線，博世推薦采用4根2.5mm2的電源線并聯(lián)，可以有效降低阻值，同時(shí)可以與25A的熔斷絲匹配。

因此，對(duì)策可以針對(duì)以上原因進(jìn)行：一是優(yōu)化ECU電源線的走向，ECU電源線直接從底盤(pán)線束接入發(fā)動(dòng)機(jī)線束，不再迂回到駕駛室，導(dǎo)線長(zhǎng)度可以減少3.8 m，如圖5所示；二是采用博世推薦的4根2.5mm2電源線并聯(lián)方式布線，可以降低線路阻值，并且25A的熔斷絲可以與2.5mm2導(dǎo)線匹配，達(dá)到保護(hù)導(dǎo)線的目的。

經(jīng)過(guò)上述改善后，重新對(duì)回路阻值進(jìn)行估算，見(jiàn)表3。估算結(jié)果為36.88 mΩ，達(dá)到了博世的設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明整改方案有效，可以實(shí)施。

表3 改善后回路阻值估算

按照上述改善方案，重新設(shè)計(jì)、試制線束和試裝樣車(chē)，邀請(qǐng)博世技術(shù)人員再次對(duì)回路阻值進(jìn)行測(cè)量和確認(rèn)，確認(rèn)結(jié)果是改善后的線束回路阻值為52mΩ，基本達(dá)到了博世的要求。至于測(cè)試結(jié)果高出估算值16mΩ，是因?yàn)樯鲜龉浪闶窃诰€束全新?tīng)顟B(tài)下估算的，線束裝車(chē)后，經(jīng)歷雨水、空氣，會(huì)有一個(gè)老化過(guò)程，回路的接觸電阻會(huì)增大。一般來(lái)講，導(dǎo)線接觸點(diǎn)經(jīng)歷3～6個(gè)月的老化后，接觸電阻基本穩(wěn)定，此時(shí)接觸電阻相比全新?tīng)顟B(tài)會(huì)增大1倍左右。

3 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不滿足技術(shù)規(guī)范

3.1 改進(jìn)前總線拓樸結(jié)構(gòu)

東風(fēng)天龍牽引車(chē)DFL4251、DFL4240系列車(chē)型在進(jìn)行電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分CAN總線通信分支長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)3.3～8.6m不等，不滿足CAN總線的技術(shù)規(guī)范。上述牽引車(chē)采用單網(wǎng)段的CAN總線結(jié)構(gòu)，網(wǎng)段上設(shè)置有組合儀表、ABS控制器、整車(chē)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、SCR后處理器、NOX傳感器，組合儀表和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器內(nèi)分別設(shè)置有120 Ω的總線終端電阻。其中，組合儀表、ABS控制器、整車(chē)控制器位于駕駛室內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、SCR后處理器、NOX傳感器位于底盤(pán)上，如圖6所示。

在進(jìn)行CAN總線設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員按照普通線束的布置原則進(jìn)行布置，讓CAN總線以最捷徑、最短長(zhǎng)度的方式布置，即CAN總線的干線直接從組合儀表連接到發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，其余的控制器作為節(jié)點(diǎn)連接到干線上。上述總線的干線長(zhǎng)度6.2m，ABS控制器支線長(zhǎng)度0.5m，整車(chē)控制器支線長(zhǎng)度0.4m，SCR后處理器支線長(zhǎng)度3.3m，NOX傳感器支線長(zhǎng)度8.6m。

根據(jù)CAN總線的電氣傳輸特性和技術(shù)規(guī)范，不同傳輸速率下的干線、支線長(zhǎng)度規(guī)定見(jiàn)表4。東風(fēng)天龍牽引車(chē)系列車(chē)型的動(dòng)力總線，傳輸速率設(shè)計(jì)為250k／s，因此干線的長(zhǎng)度不能超過(guò)40m，單個(gè)支線的長(zhǎng)度不能超過(guò)1m［2］。在上述設(shè)計(jì)中，SCR后處理器、NOX傳感器節(jié)點(diǎn)的支線長(zhǎng)度顯然超過(guò)了規(guī)定值，容易造成總線傳輸電氣反射。

表4 不同傳輸速率下的干線、支線最大長(zhǎng)度［2］

3.2 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)策和改進(jìn)

為了改進(jìn)上述車(chē)型總線的設(shè)計(jì)缺陷，需要對(duì)車(chē)型的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，以達(dá)到干線長(zhǎng)度小于40m、支線長(zhǎng)度小于1m的要求。改進(jìn)后的總線走線方式如圖7所示。

組合儀表和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器內(nèi)置的終端電阻保留，仍然作為總線的終端電阻，干線從駕駛室組合儀表開(kāi)始，在駕駛室內(nèi)連接ABS控制器和整車(chē)控制器，然后從車(chē)輛右側(cè)進(jìn)入底盤(pán)，進(jìn)入底盤(pán)后沿著車(chē)架右側(cè)連接SCR控制器，然后從車(chē)架中部橫梁折回到車(chē)架左側(cè)，連接NOX傳感器節(jié)點(diǎn)，最后返回到發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。可以看出，CAN總線的走向經(jīng)歷了一個(gè)大迂回，但這樣的走向方式保證了網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)分支節(jié)點(diǎn)的分支距離最短，不超過(guò)1 m，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且不需要總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做顛覆性的修改，便于改進(jìn)和實(shí)施。改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)的干線長(zhǎng)度13.8 m，ABS控制器支線長(zhǎng)度0.5 m，整車(chē)控制器支線長(zhǎng)度0.4m，SCR后處理器支線長(zhǎng)度0.7 m，NOX傳感器支線長(zhǎng)度0.8m。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上3種線束設(shè)計(jì)失效模式的表現(xiàn)形式各不相同，如發(fā)動(dòng)機(jī)線束毛細(xì)現(xiàn)象和控制器回路阻值偏大，短期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但長(zhǎng)期使用，必將影響甚至損壞發(fā)動(dòng)機(jī)控制器；又如總線分支過(guò)長(zhǎng)，可能不會(huì)造成明顯的總線通信問(wèn)題，但有設(shè)計(jì)隱患。發(fā)現(xiàn)、分析和解決這些問(wèn)題，需要掌握線束的設(shè)計(jì)規(guī)范、DFEAM、經(jīng)驗(yàn)等綜合知識(shí)和技術(shù)，必要時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，減少不必要的試制、試驗(yàn)周期和費(fèi)用。

線束設(shè)計(jì)失效的問(wèn)題不可能避免，只有通過(guò)平時(shí)工作的積累和總結(jié)，按照發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法去處理，并將這些問(wèn)題記錄歸檔，形成失效模式數(shù)據(jù)庫(kù)，供線束新設(shè)計(jì)參考，才能規(guī)避已經(jīng)出現(xiàn)的失效模式，提高線束的設(shè)計(jì)水平和品質(zhì)。

［1］ Y_445_R90_613， 博世EDC7系統(tǒng)線束設(shè)計(jì)規(guī)范［Z］.

［2］ EQC-770-2009，CAN總線網(wǎng)絡(luò)物理層要求 （東風(fēng)汽車(chē)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）［Z］.