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        淺析載貨汽車線束設(shè)計的3種失效模式及對策

        2015-12-02 03:49:44汪思泉
        汽車電器 2015年3期
        關(guān)鍵詞:電源線阻值線束

        汪思泉

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

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

        1 發(fā)動機(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)動機(jī)控制器Engine Electronic Controller Unit(以下簡稱EECU)的插接件時,發(fā)現(xiàn)插接件與EECU對接處有溶液堆積,后經(jīng)驗證,這種溶液是發(fā)動機(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)油通過什么途徑聚集在插接件對接處?技術(shù)人員首先懷疑發(fā)動機(jī)檢修時泄露的機(jī)油通過導(dǎo)線滲透到插接件對接處,于是檢查了線束端后部的波紋管和導(dǎo)線,發(fā)現(xiàn)部分車輛線束的確有機(jī)油存在,但另一部分車輛的線束導(dǎo)線非常潔凈,沒有機(jī)油滲透的痕跡,于是排除了機(jī)油通過導(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。這些管腳對應(yīng)發(fā)動機(jī)噴油電磁閥1、2、3、4、5、6的控制管腳。于是懷疑發(fā)動機(jī)缸內(nèi)機(jī)油可能通過這些導(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。

        為了證實這種猜測,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,檢查導(dǎo)線內(nèi)部和線芯上有無機(jī)油存在。剖開后發(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)壁和線芯沒有機(jī)油的痕跡,這就說明了發(fā)動機(jī)機(jī)油的確通過毛細(xì)現(xiàn)象經(jīng)由導(dǎo)線的線芯,滲透到EECU插接件處聚集。同時通過一個簡單的試驗也驗證了上述結(jié)論,即將10根導(dǎo)線一端浸沒在機(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)線外壁都沒有機(jī)油的痕跡,說明機(jī)油能夠通過導(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 危害及對策

        短期內(nèi),發(fā)動機(jī)線束毛細(xì)現(xiàn)象形成的機(jī)油聚集不會對線束和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。但是長時間來看,聚集的機(jī)油對EECU和插接件是有危害的。一方面機(jī)油會老化,老化的機(jī)油會加速插接件的老化、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,必須對發(fā)動機(jī)線束的毛細(xì)現(xiàn)象采取對策,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心導(dǎo)線緊密包住,阻止機(jī)油通過實心導(dǎo)體和絕緣層內(nèi)壁的間隙滲透。

        為了驗證上述方案的效果,同樣做了一個簡單的試驗。將經(jīng)過上述處理的10根導(dǎo)線一端浸沒在機(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48h甚至更長時間后,白紙上沒有機(jī)油的痕跡,說明上述對策和方案對于避免線束毛細(xì)現(xiàn)象有效。

        將上述對策和方案應(yīng)用在發(fā)動機(jī)線束上,進(jìn)行實車試驗和驗證。經(jīng)過長達(dá)1年時間的跟蹤,沒有發(fā)現(xiàn)EECU插接件處有機(jī)油聚集,充分驗證了上述對策的有效性。

        2 發(fā)動機(jī)控制器電源回路阻值不滿足設(shè)計規(guī)范

        東風(fēng)天龍牽引車DFL4180A2搭載博世EDC7發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng) (以下簡稱EDC7系統(tǒng))。在試驗階段,博世技術(shù)人員對EDC7系統(tǒng)的設(shè)計狀態(tài)進(jìn)行了測試和評估,指出試驗樣車EDC7系統(tǒng)電源回路實際測量阻值為79.4mΩ,遠(yuǎn)高于博世EDC7系統(tǒng)線束設(shè)計規(guī)范 (線束新狀態(tài)要求小于45 mΩ,線束老化后狀態(tài)要求小于90 mΩ)。該問題將會導(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)動機(jī)噴油電磁閥的開啟速度,進(jìn)而影響噴油時刻和噴油量,降低發(fā)動機(jī)的性能[1]。

        2.1 原因分析

        博世對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試方法如圖3所示。首先將一個虛擬ECU模型 (以下簡稱DCU)替換樣車上的EDC7系統(tǒng)ECU,該DCU管腳定義、電氣特性完全等同于EDC7系統(tǒng),因此測試車輛的線束不用做任何更改,從而保證測試數(shù)據(jù)真實性。DCU內(nèi)部有固定的電阻R4、R5、R6,當(dāng)對DCU施加固定電壓時,DCU兩端的電壓U2和DCU消耗的電流Ie就是一個穩(wěn)定值,方便獲得測量數(shù)值[1]。

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

        表1為改善前控制器電源回路阻值測試數(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試數(shù)據(jù)

        在設(shè)計EDC7系統(tǒng)原理圖和線束時,設(shè)計人員沒有獲得EDC7系統(tǒng)的線束設(shè)計規(guī)范,原理和線束設(shè)計是按照常規(guī)電路設(shè)計的,即按照EDC7系統(tǒng)額定電流15A、峰值電流25A設(shè)計,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)過蓄電池正極→電源總開關(guān)→底盤熔斷絲盒→底盤線束→駕駛室線束→駕駛室熔斷絲盒→駕駛室線束→發(fā)動機(jī)線束→發(fā)動機(jī)控制器→發(fā)動機(jī)線束→車架搭鐵→蓄電池負(fù)極線→蓄電池負(fù)極。

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

        表2 改善前估算各處接觸和各段導(dǎo)線的電阻值

        通過表2估算出電源回路的總阻值為80.54mΩ,與博世的測量數(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部位。

        2.2 對策及驗證

        既然試驗樣車的電源線阻值超過了設(shè)計規(guī)范,存在降低發(fā)動機(jī)性能的風(fēng)險,就必須對電源回路的阻值進(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方面:一是電源線布置走了一個大迂回,從底盤進(jìn)駕駛室,再回到發(fā)動機(jī),長度近9 m,線路過長;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,同時可以與25A的熔斷絲匹配。

        因此,對策可以針對以上原因進(jìn)行:一是優(yōu)化ECU電源線的走向,ECU電源線直接從底盤線束接入發(fā)動機(jī)線束,不再迂回到駕駛室,導(dǎo)線長度可以減少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)過上述改善后,重新對回路阻值進(jìn)行估算,見表3。估算結(jié)果為36.88 mΩ,達(dá)到了博世的設(shè)計要求,說明整改方案有效,可以實施。

        表3 改善后回路阻值估算

        按照上述改善方案,重新設(shè)計、試制線束和試裝樣車,邀請博世技術(shù)人員再次對回路阻值進(jìn)行測量和確認(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。至于測試結(jié)果高出估算值16mΩ,是因為上述估算是在線束全新狀態(tài)下估算的,線束裝車后,經(jīng)歷雨水、空氣,會有一個老化過程,回路的接觸電阻會增大。一般來講,導(dǎo)線接觸點經(jīng)歷3~6個月的老化后,接觸電阻基本穩(wěn)定,此時接觸電阻相比全新狀態(tài)會增大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DFL4251、DFL4240系列車型在進(jìn)行電器系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)時,發(fā)現(xiàn)部分CAN總線通信分支長度長達(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、整車控制器、發(fā)動機(jī)控制器、SCR后處理器、NOX傳感器,組合儀表和發(fā)動機(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、整車控制器位于駕駛室內(nèi),發(fā)動機(jī)控制器、SCR后處理器、NOX傳感器位于底盤上,如圖6所示。

        在進(jìn)行CAN總線設(shè)計時,設(shè)計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)動機(jī)控制器,其余的控制器作為節(jié)點連接到干線上。上述總線的干線長度6.2m,ABS控制器支線長度0.5m,整車控制器支線長度0.4m,SCR后處理器支線長度3.3m,NOX傳感器支線長度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、支線長度規(guī)定見表4。東風(fēng)天龍牽引車系列車型的動力總線,傳輸速率設(shè)計為250k/s,因此干線的長度不能超過40m,單個支線的長度不能超過1m[2]。在上述設(shè)計中,SCR后處理器、NOX傳感器節(jié)點的支線長度顯然超過了規(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、支線最大長度[2]

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

        為了改進(jìn)上述車型總線的設(shè)計缺陷,需要對車型的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新設(shè)計,以達(dá)到干線長度小于40m、支線長度小于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始,在駕駛室內(nèi)連接ABS控制器和整車控制器,然后從車輛右側(cè)進(jìn)入底盤,進(jìn)入底盤后沿著車架右側(cè)連接SCR控制器,然后從車架中部橫梁折回到車架左側(cè),連接NOX傳感器節(jié)點,最后返回到發(fā)動機(jī)控制器??梢钥闯?,CAN總線的走向經(jīng)歷了一個大迂回,但這樣的走向方式保證了網(wǎng)絡(luò)上各個分支節(jié)點的分支距離最短,不超過1 m,達(dá)到了設(shè)計要求,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)和實施。改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)的干線長度13.8 m,ABS控制器支線長度0.5 m,整車控制器支線長度0.4m,SCR后處理器支線長度0.7 m,NOX傳感器支線長度0.8m。

        4 結(jié)束語

        以上3種線束設(shè)計失效模式的表現(xiàn)形式各不相同,如發(fā)動機(jī)線束毛細(xì)現(xiàn)象和控制器回路阻值偏大,短期內(nèi)不會出現(xiàn)問題,但長期使用,必將影響甚至損壞發(fā)動機(jī)控制器;又如總線分支過長,可能不會造成明顯的總線通信問題,但有設(shè)計隱患。發(fā)現(xiàn)、分析和解決這些問題,需要掌握線束的設(shè)計規(guī)范、DFEAM、經(jīng)驗等綜合知識和技術(shù),必要時進(jìn)行設(shè)計驗證,減少不必要的試制、試驗周期和費用。

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

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

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

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