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］.