楊雷剛，王 濤

（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101499）

多芯連接電纜作為牽引車與掛車之間用于傳遞電能和信號(hào)的裝置，屬于道路車輛用電纜的一種。多芯連接電纜可以通過牽引車上的能源或儲(chǔ)能裝置為掛車提供電能，同時(shí)可以通過電壓信號(hào)或者CAN網(wǎng)絡(luò)完成牽引車與掛車間的信號(hào)交互。多芯連接電纜通常為螺旋狀電纜，兩端采用插頭與布置在牽引車和掛車上的插座連接，可以方便快捷、安全可靠地將牽引車與掛車電氣連接或斷開。同時(shí)由于車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輛間距離變化的特性，多芯連接電纜一般為螺旋狀，如彈簧一般伸縮以適應(yīng)長(zhǎng)度的變化。中國(guó)公路網(wǎng)絡(luò)的趨于完善，越來越多的汽車、列車行駛在干線公路上，因此，多芯連接電纜的品質(zhì)對(duì)保障運(yùn)行安全尤為重要。本文主要從多芯連接電纜的結(jié)構(gòu)、電纜的尺寸和螺旋電纜規(guī)格的選用進(jìn)行論述。

1 電纜的結(jié)構(gòu)

多芯連接電纜由芯線和護(hù)套組成，需要時(shí)可采用填充材料和屏蔽層。

1.1 芯線

芯線一般指用于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓不大于60V（或交流25V）的道路車輛用電線或用于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓大于60V（或交流25V）且小于直流600V（或交流600V）的道路車輛用電線。電線由導(dǎo)體和絕緣層兩部分組成，導(dǎo)體的主要特性在于滿足不同橫截面下的電阻要求，而絕緣層主要特性在于滿足不同環(huán)境下的耐電壓、力學(xué)性能和耐液體性能所需。

導(dǎo)體由裸銅或帶鍍層的銅絲絞合而成，如硬拉銅絲、軟或退火銅絲、鍍錫軟或退火銅絲、鍍銀軟或退火銅線、鍍鎳軟或退火銅絲。其中鍍銀軟或退火銅線、鍍鎳軟或退火銅絲應(yīng)用在較高耐溫等級(jí)的電線中；絕緣材料一般有聚氯乙烯（PVC）、交聯(lián)聚乙烯 （XLPE）、氟塑料、硅橡膠等［1］。根據(jù)厚度，絕緣材料可分為厚壁、薄壁、超薄壁。

耐溫等級(jí)是電纜電線的重要指標(biāo)，國(guó)際上進(jìn)行了一系列研究并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。ISO 6722-1（道路車輛-60V和600V單芯線纜-第1部分：銅芯電線的尺寸、試驗(yàn)方法和要求）［2］對(duì)電線的耐溫等級(jí)進(jìn)行了規(guī)定。ISO 14572（道路車輛圓形、屏蔽和非屏蔽的60V和600V多芯護(hù)套電纜）對(duì)電纜護(hù)套和電線耐溫等級(jí)也按照ISO 6722-1做了要求。為了應(yīng)對(duì)整車溫度提升對(duì)電纜電線的影響，保證電線的壽命和抗老化性（3000h），歐洲各車輛生產(chǎn)企業(yè)多年前已普遍采用耐溫等級(jí)B級(jí)電線，其中以大眾、奔馳等知名企業(yè)為代表。ISO 4141系列標(biāo)準(zhǔn)作為螺旋電纜的基本性能、產(chǎn)品特性和驗(yàn)證要求的主要標(biāo)準(zhǔn)，于2015年申請(qǐng)修訂并于2019年完成發(fā)布。在ISO 4141-1：2019、ISO 4141-2：2019和ISO 4141-3：2019新版中都對(duì)電纜的耐溫增加了B等級(jí) （-40～100℃）的要求。當(dāng)前中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正在更新當(dāng)中，計(jì)劃增加耐溫等級(jí)B等級(jí)的要求。

1.2 護(hù)套

護(hù)套電纜的護(hù)套主要作用在于保護(hù)芯線和滿足電纜其它機(jī)械性能的要求，其常用材料為聚酰胺 （PA12）、熱塑性材料 （TPE）、聚氨酯 （PUR）。護(hù)套推薦兩種不同的護(hù)套芯線組合：①厚壁護(hù)套采用厚壁芯線；②薄壁護(hù)套采用薄壁芯線。

1.3 填充材料

填充材料是為了保證電纜的橢圓度、護(hù)套厚度、抗拉性和剝離力即開皮性，一般在絞合或成型工序中加入，填充材料主要有以下幾種。

1）棉紗 （棉線）：棉紗是最常用的一種填充材料，填充時(shí)先將多股棉紗按要求擰成一股，隨后與其它導(dǎo)線一起絞合，使得電纜更圓整。

2）聚脂繩：在填充量較大和柔軟性要求不高的電線電纜中填充，使用時(shí)直接將聚脂繩與其它導(dǎo)線一起絞合使得電纜更圓整。

3）紙帶：主要作用是保證電線電纜在成型后外皮容易剝離，即保證開皮性。

4）卡夫拉：也譯作凱芙拉，是一種芳綸特種纖維，強(qiáng)度高、韌性好，主要用于增強(qiáng)電纜的抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)生產(chǎn)工藝需求決定是否采用填充材料以及填充哪種材料。有時(shí)為了保證芯線與護(hù)套不粘，也會(huì)在電纜中填充填充型滑石粉或者電線電纜專用氧化鎂。

2 電纜的尺寸

2.1 護(hù)套的厚度

汽車電纜趨向采用簿壁，隨著材料性能的提升，護(hù)套材料基本上能夠達(dá)到電纜需要的機(jī)械性能，一般不需要再通過提高材料厚度來加以改善。多芯電纜有屏蔽和非屏蔽兩種，對(duì)于多芯屏蔽線，推薦在里面制作一層墊層。護(hù)套或墊層的需求厚度取決于護(hù)套或墊層下面的絞合線芯外徑這個(gè)因素，如圖1和圖2所示，需求的厚度從縱坐標(biāo)上讀取。

圖1 薄壁結(jié)構(gòu)的護(hù)套厚度

圖2 厚壁結(jié)構(gòu)的護(hù)套厚度

護(hù)套電纜是在芯線的外層擠塑形成，理想狀態(tài)下芯線假想圓與電纜圓是同心的，即芯線外層形成均勻的護(hù)套。但是受結(jié)構(gòu)、材料、擠壓速度等因素影響，護(hù)套厚度會(huì)有不均勻的現(xiàn)象，圖3是一個(gè)厚度不均勻電纜的截面圖。

用于多芯連接電纜的電纜護(hù)套厚度最小為1mm，護(hù)套或墊層的最小厚度的計(jì)算和標(biāo)稱厚度有關(guān)，公式如下：

圖3 電纜截面圖

式中：Wmin—— 護(hù)套或墊層的最小厚度；Wnom——護(hù)套或墊層的標(biāo)稱厚度。

2.2 電纜外徑

電纜外徑與單芯線最大外徑和多芯線最大絞合外徑有關(guān)，一般為最大單芯線外徑和絞合系數(shù)的乘積。電纜根據(jù)使用需求的區(qū)別，芯線數(shù)量和芯線的橫截面面積存在差異，不同電纜在標(biāo)準(zhǔn)中定義了接點(diǎn)順序和芯線橫截面面積，表1為不同標(biāo)準(zhǔn)的電纜最大、最小外徑。例如：GB／T 5053.1和GB／T 5053.2采用的電纜由1根橫截面面積為2.5mm2和6根橫截面面積為1.5mm2的芯線組成。

表1 多芯電纜的外徑mm

橢圓度應(yīng)不超過10%，橢圓度計(jì)算公式如下：

2.3 螺旋電纜的長(zhǎng)度

螺旋電纜的尺寸應(yīng)符合表2和圖4中的要求。

多芯連接電纜用于連接牽引車和掛車之間，當(dāng)車輛以前回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)，多芯連接電纜會(huì)隨著車輛轉(zhuǎn)角的變化而拉伸。如圖5所示：點(diǎn)A和點(diǎn)B的距離即前回轉(zhuǎn)半徑Rf，以點(diǎn)C為圓心，Rf為半徑形成的圓弧為牽引車插座安裝點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。在任意轉(zhuǎn)角α?xí)r形成牽引車插座掛車前回轉(zhuǎn)半徑，牽引車插座安裝點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)軌跡上所在位置D與掛車電纜插座位置B、掛車牽引銷位置C形成ΔBCD。邊BC為掛車電纜插座位置B與掛車牽引銷的距離，設(shè)為L(zhǎng)BC。邊BD為螺旋電纜當(dāng)前拉伸長(zhǎng)度LE，根據(jù)余弦定理，LE與回轉(zhuǎn)半徑Rf和LBC關(guān)系如下：

表2 電纜的長(zhǎng)度

圖4 螺旋電纜尺寸圖

圖5 螺旋電纜結(jié)構(gòu)

理論上當(dāng)α達(dá)到180°時(shí)LE達(dá)到最大值：

一般牽引車與掛車夾角不大于90°，因此實(shí)際上LE最大值為：

3 螺旋電纜規(guī)格的選用

螺旋電纜使用時(shí)根據(jù)牽引車插座安裝點(diǎn)與掛車插座安裝點(diǎn)間的長(zhǎng)度選取合適的規(guī)格。如果選取規(guī)格偏小，電纜在車輛最大轉(zhuǎn)角時(shí)拉伸超過最大允許拉伸長(zhǎng)度LEmax，會(huì)造成螺旋電纜發(fā)生塑性變形不能恢復(fù)到原有長(zhǎng)度。在車輛回正后，螺旋電纜長(zhǎng)度下垂量過大，與螺旋電纜下方金屬存在干涉風(fēng)險(xiǎn)。

相反如果選取規(guī)格過大，螺旋電纜由于拉伸力不足而下垂，同樣存在螺旋電纜下方金屬存在干涉風(fēng)險(xiǎn)。在市場(chǎng)上經(jīng)常會(huì)看到圖6中情況，就是由于螺旋電纜規(guī)格選取不當(dāng)或螺旋電纜品質(zhì)不達(dá)標(biāo)造成。駕駛員為了規(guī)避螺旋電纜與金屬干涉的風(fēng)險(xiǎn)，采用拉帶將螺旋電纜拉起。

圖6 拉帶拉起的螺旋電纜

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從電纜結(jié)構(gòu)、電纜尺寸、螺旋電纜規(guī)格的選用等方面對(duì)多芯連接電纜進(jìn)行了研究。其中對(duì)電纜結(jié)構(gòu)從芯線、護(hù)套、填充材料進(jìn)行了分析，對(duì)電纜尺寸從護(hù)套的厚度、電纜的外徑、電纜的長(zhǎng)度等進(jìn)行了分析，對(duì)螺旋電纜規(guī)格從使用上進(jìn)行了分析。研究結(jié)果對(duì)多芯連接電纜的發(fā)展具有一定的借鑒意義。