袁艷

（安波福電氣系統(tǒng)有限公司，上海200000）

1發(fā)動(dòng)機(jī)線束工況

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)線束概述

發(fā)動(dòng)機(jī)線束主要有導(dǎo)線、連接器、固定支架及卡扣、接地端子和導(dǎo)線外包覆物組成，連接了發(fā)動(dòng)機(jī)的電器件和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器包括高壓油泵、點(diǎn)火線圈、噴油、進(jìn)排氣凸輪軸、曲軸轉(zhuǎn)速、水溫傳感器、機(jī)油流量控制閥、氧傳感器等[1]，外圍用電器包括起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、輔助水泵及壓縮機(jī)等。基于各用電器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的布置位置。發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車核心零部件，整體就是一個(gè)系統(tǒng)模塊,基于模塊化設(shè)計(jì)思路，將其設(shè)計(jì)成一根獨(dú)立的線束[2]，圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)線束三維模型。

圖1發(fā)動(dòng)機(jī)線束三維模型

1.2發(fā)動(dòng)機(jī)線束影響因素

發(fā)動(dòng)機(jī)線束受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及周圍管路等動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的影響，布置緊湊、周邊環(huán)境復(fù)雜、潮濕、高溫、高頻振動(dòng)，線束的失效型式多為線束的磨損、端子振動(dòng)失效、斷線等，這些失效與線束合理布局及固定有很大的關(guān)系，線束布置時(shí)需考慮到靜態(tài)布置間隙、動(dòng)態(tài)間隙、防水密封、振動(dòng)等級(jí)及溫度等級(jí)的影響，主要影響因素分為機(jī)械、電氣、環(huán)境、壽命、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)性、外觀等。

1.2.1機(jī)械方面應(yīng)優(yōu)先考慮線束是否承受拉力，線束與周邊零件之間是否存在摩擦、振動(dòng)、防水、溫度等方面的要求，線束周圍是否有金屬銳邊、螺栓等；1.2.2電氣方面應(yīng)考慮絕緣性能、回路電阻、電磁兼容性的要求，線束回路設(shè)計(jì)盡量短，能有效減少電壓消耗，保證供電元件正常工作，接受信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)提高，周圍有大電流導(dǎo)線時(shí)應(yīng)使用屏蔽線或雙絞線防止電磁干擾[3]；1.2.3環(huán)境方面應(yīng)考慮防水、防塵、溫度、化學(xué)腐蝕、防火等，以免線束遇水短路失效、腐蝕及燒灼等；1.2.4壽命方面應(yīng)考慮車輛的設(shè)計(jì)壽命，保證線束在整車生命周期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)因線束零件本身發(fā)生的失效；1.2.5生產(chǎn)方面包括線束的工藝性、可制造性及可裝配性，以免因設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致工裝無法實(shí)現(xiàn)，裝配時(shí)效延長(zhǎng)及裝配困難等；1.2.6經(jīng)濟(jì)性方面要根據(jù)整車的價(jià)格，來考慮合理的降低零部件的成本；1.2.7外觀方面，基于可視化的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)艙不要出現(xiàn)異常的顯眼顏色。

2發(fā)動(dòng)機(jī)線束設(shè)計(jì)布置

2.1主要設(shè)計(jì)原則

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域布置特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)線束工作環(huán)境主要包括運(yùn)動(dòng)區(qū)域、粗糙毛邊區(qū)域、潮濕區(qū)域、高溫?zé)嵩磪^(qū)域、線束外露危險(xiǎn)區(qū)域等，發(fā)動(dòng)機(jī)線束的設(shè)計(jì)原則針對(duì)這些區(qū)域做詳細(xì)的分析。

2.1.1運(yùn)動(dòng)區(qū)域

發(fā)動(dòng)機(jī)線束涉及的運(yùn)動(dòng)區(qū)域主要包括冷卻風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪、傳動(dòng)裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)本體及零部件的相對(duì)振動(dòng)，設(shè)計(jì)原則包括：2.1.1.1線束不能處于運(yùn)動(dòng)部件的行程中；2.1.1.2充分考慮線束在長(zhǎng)度允許范圍內(nèi)的擺動(dòng)；2.1.1.3對(duì)有運(yùn)動(dòng)的線束段，要充分考慮線束的行程，預(yù)留足夠的余量，防止線束在運(yùn)動(dòng)過程中被拉斷或承受拉力。

2.1.2粗糙毛邊區(qū)域

發(fā)動(dòng)機(jī)線束周圍的粗糙毛邊區(qū)域包括金屬銳邊、波紋管開口處及末端、螺釘螺母及支架、焊接點(diǎn)等，線束布置時(shí)要通過合理的走向和可靠的固定方案來避開這些區(qū)域，實(shí)在避不開時(shí)要根據(jù)具體環(huán)境采用合理的防護(hù)設(shè)計(jì)，如波紋管、耐磨膠帶等。

2.1.3潮濕區(qū)域

發(fā)動(dòng)機(jī)線束布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，發(fā)動(dòng)機(jī)底部離地面較低且發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋四周雨水容易滲入，一般發(fā)動(dòng)機(jī)線束都按潮濕區(qū)域設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則包括：2.1.3.1處于潮濕區(qū)域的插件必須選用防水插件；2.1.3.2由于線束固定的需要，必須開孔的區(qū)域，且雨水會(huì)從孔流向干區(qū)時(shí)，必須選用防水卡釘，使用穿孔橡膠件時(shí)，干區(qū)線束應(yīng)高于濕區(qū)，以防雨水流入干區(qū)；2.1.3.3如果有水沿線束走向流向干區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)，可以采取一定的措施加以防范。

2.1.4高溫?zé)嵩磪^(qū)域

發(fā)動(dòng)機(jī)高溫?zé)嵩磪^(qū)域包括渦輪增壓器、排氣系統(tǒng)，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，線束在距離熱源125mm范圍內(nèi)，必須有隔熱保護(hù)，或者采用高溫導(dǎo)線，隔熱保護(hù)包括：絕熱層、熱反射膠帶、高溫波紋管、隔熱護(hù)套、鋁箔膠帶等。

2.1.5線束外露危險(xiǎn)區(qū)域

2.1.5.1 線束必須有保護(hù)以避免路面環(huán)境造成損傷；2.1.5.2線束不能僅僅用膠帶纏繞，易老化脫落，常用波紋管、套管等；2.1.5.3 外露環(huán)境下Clip 不能用Tapeon 的方式固定在線束上。

2.2 設(shè)計(jì)要素分析

2.2.1 線束固定方式

由于發(fā)動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)線束必須設(shè)置合理的固定，比如卡扣及支架等?？坌枧c所固定零件的厚度、孔或螺栓的尺寸相匹配；如周邊環(huán)境限制機(jī)體上無法設(shè)置卡扣固定點(diǎn)時(shí)，需要設(shè)計(jì)支架固定線束，支架應(yīng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下的強(qiáng)度和剛度要求。

2.2.2 線束分支走向設(shè)計(jì)

2.2.2.1 線束與靜態(tài)零件應(yīng)保持10mm 以上間隙，與運(yùn)動(dòng)零部件保持25mm 或者與運(yùn)動(dòng)包絡(luò)保持10mm 以上間隙，與焊接點(diǎn)應(yīng)保持15mm 以上間隙；2.2.2.2 線束接插件末端分支長(zhǎng)度在自然狀態(tài)下應(yīng)預(yù)留一定的余量，跨接車身和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)分支應(yīng)根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)極限設(shè)置合理的振動(dòng)余量，避免端子受力失效或則線束被拉斷；2.2.2.3 兩固定點(diǎn)間的距離不要超出200mm，如果超出必須分析線束的安全性；2.2.2.4 接插件到最近的固定點(diǎn)的長(zhǎng)度盡量保持100～150mm 之間，便于插件的對(duì)接和插拔。

2.2.3 線束各組件設(shè)計(jì)

2.2.3.1 導(dǎo)線與電纜必須保證在整車生命周期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)短路和斷路失效，且絕緣層不會(huì)破裂、斷口或任何其它缺陷；導(dǎo)線及電纜的連接點(diǎn)須用絕緣的覆蓋物將導(dǎo)體裸漏部分完全覆蓋住，且不應(yīng)布置在線束轉(zhuǎn)彎或?qū)€徑要求比較高的區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)艙應(yīng)使用帶防水膠的熱縮管進(jìn)行密封，以免連接點(diǎn)及導(dǎo)線銹蝕；2.2.3.2連接器須固定可靠且應(yīng)滿足密封、振動(dòng)及溫度等級(jí)的要求；

2.2.3.3 接地端子應(yīng)布置在車身縱梁或其他與縱梁焊接相連的車身平面上，對(duì)有特殊要求的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、點(diǎn)火線圈應(yīng)單獨(dú)使用接地端子，以降低其他用電器的干擾影響；另外接地端子應(yīng)避免與周邊零件干涉，以及在車輛行駛過程中的脫落，必要時(shí)設(shè)置防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使用帶防水膠的熱縮管進(jìn)行密封，以免銹蝕；2.2.3.4發(fā)動(dòng)機(jī)線束的各零件須使用黑色或灰色，線束在貼附在車身或進(jìn)氣管上時(shí)，導(dǎo)線及其他零件的選用溫度等級(jí)至少為-40～105℃，當(dāng)環(huán)境溫度高于105℃時(shí)，選用的溫度等級(jí)至少為-40～125℃，或依據(jù)熱管理測(cè)試溫度等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

2.2.4 裝配及售后

發(fā)動(dòng)機(jī)線束的安裝主要包括卡釘?shù)墓潭?，接插件的?duì)接，支架及端子的固定等，所有的線束安裝必須方便可靠。2.2.4.1 在固定區(qū)域有多孔時(shí)，須考慮線束安裝點(diǎn)的防錯(cuò)設(shè)計(jì)；2.2.4.2 在固定區(qū)域有多線束分支時(shí)，為防止錯(cuò)裝，可采用同一位置用不同的卡釘，開不同形狀的孔；2.2.4.3 考慮OEM 的生產(chǎn)流程和工藝，以及工位和裝配規(guī)范等；2.2.4.4 線束要遠(yuǎn)離周邊零件的固定點(diǎn)，避免在裝配過程中夾傷線束；2.2.4.5 接插件應(yīng)接插方便，支架和端子固定螺栓套筒及工具槍體運(yùn)動(dòng)路徑與周圍零件應(yīng)設(shè)置合理的間隙；2.2.4.6 線束設(shè)計(jì)過程中，須考慮裝配順序及售后服務(wù)是否可行。

3 建模與布置優(yōu)化

3.1 線束設(shè)計(jì)模塊及建模流程

CATIA 是法國(guó)達(dá)索公司旗下的CAD/CAE/CAM 一體化軟件，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子電器、消費(fèi)品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域[4]。CATIA 對(duì)線束進(jìn)行三維布置時(shí)，主要 用 到Electrical Part Design、Electrical Harness Assembly、Electrical Harness Installation 和Electrical Harness Flattening 這四個(gè)模塊。三維設(shè)計(jì)前需要完成原理圖的設(shè)計(jì)與計(jì)算，planview圖的生成，接插件及端子的選擇，線束環(huán)境的建立，熟悉發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分布，了解用電設(shè)備、模塊、管路及其它與發(fā)動(dòng)機(jī)線束相關(guān)的周邊物理環(huán)境分布及非物理環(huán)境限制特點(diǎn)。

然后對(duì)CATIA 建模環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，定義線束零件電氣屬性，之后就可以按照線束結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立，有問題的數(shù)模進(jìn)行處理，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙實(shí)際情況，給線束外圍增加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，以防在線束安裝、車輛行駛中對(duì)線束的損傷，最終由三維數(shù)模生成二維圖紙、注釋、包括尺寸、回路信息、保護(hù)件位置、包扎方式等信息。

3.2 線束布置案例分析

3.2.1 防錯(cuò)設(shè)計(jì)

相同的接插件，必須要有防錯(cuò)措施，不接受色標(biāo)防錯(cuò)，發(fā)動(dòng)機(jī)需防錯(cuò)的功能一般有：VVL、雙爆震、點(diǎn)火線圈、凸輪軸、位置傳感器、進(jìn)排氣OCV、噴油。3.2.1.1 點(diǎn)火線圈通過不同分支出線位置、長(zhǎng)度尺寸不能互換來防錯(cuò)；3.2.1.2 爆震傳感器分支通過不同出線位置防錯(cuò)。

3.2.2 高溫?zé)嵩磪^(qū)域分支設(shè)計(jì)

高溫?zé)嵩磪^(qū)域必須有隔熱保護(hù)，如絕熱層、熱反射膠帶、高溫波紋管。3.2.2.1 水溫傳感器分支使用隔熱套管；3.2.2.2 與排氣系統(tǒng)近的區(qū)域線束使用鋁箔膠帶做包覆物。

3.2.3 振動(dòng)件及存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的分支設(shè)計(jì)

3.2.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)本體連接車身本體之間運(yùn)動(dòng)區(qū)域的固定；ECU分支分別在發(fā)動(dòng)機(jī)支架和蓄電池托盤上固定，存在高頻運(yùn)動(dòng)，需預(yù)留運(yùn)動(dòng)余量，為減少振動(dòng)傳遞，ECU 分支在蓄電池托盤上采用兩剛性固定點(diǎn)。3.2.3.2 振動(dòng)大的部件傳感器分支在振動(dòng)件本體上設(shè)置剛性固定點(diǎn)。TMAP 分支在進(jìn)氣歧管上采用剛性固定點(diǎn),空氣流量傳感器分支在進(jìn)氣管上設(shè)置固定點(diǎn)，HFM 分支空濾上設(shè)置剛性固定點(diǎn)，發(fā)電機(jī)與空調(diào)壓縮機(jī)本身為振動(dòng)體，為提高線束可靠性，在發(fā)電機(jī)及空壓機(jī)本體上設(shè)置剛性固定點(diǎn)。

3.2.4 環(huán)境受限區(qū)域線束設(shè)計(jì)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)周邊環(huán)境限制，導(dǎo)向套管設(shè)計(jì)可以保證線束的走向可靠；發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上只能提供兩個(gè)固定點(diǎn)，為保證缸體上的傳感器合理布線，利用發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)固定點(diǎn)設(shè)計(jì)金屬支架；為優(yōu)化接插件端子受力，優(yōu)化線束走向，使用導(dǎo)向COVER 及線束反扎設(shè)計(jì)。

3.2.5 接插件插拔空間校核

接插件應(yīng)有插拔空間，線束分支應(yīng)有插拔余量，無法留足余量時(shí)應(yīng)調(diào)整接插件和卡扣的裝配順序。

4 結(jié)論

本文通過車輛不同區(qū)域?qū)€束布置要求，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)線束區(qū)域特點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)線束區(qū)域布置及設(shè)計(jì)要素進(jìn)行分析，基于CATIA 線束設(shè)計(jì)模塊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)線束進(jìn)行三維建模，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上不同功能傳感器的位置分布和區(qū)域特點(diǎn)，對(duì)布置走向和固定方案進(jìn)行改進(jìn)提升，在設(shè)計(jì)階段對(duì)線束質(zhì)量進(jìn)行提升，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本，縮短了設(shè)計(jì)周期，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在各運(yùn)轉(zhuǎn)工況和車輛運(yùn)行狀態(tài)的可靠性及穩(wěn)定性起到重要意義。