【摘" 要】現(xiàn)在CATIA布置線束是國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)普遍應(yīng)用的方法，本文結(jié)合CATIA三維線束建模應(yīng)用在中國(guó)大學(xué)生無(wú)人駕駛方程式大賽（Formula Student Autonomous China，F(xiàn)SAC）賽車上，大大減少后期線束布局周期反復(fù)的局面，使得布線更加規(guī)范、合理、簡(jiǎn)潔，避免材料和時(shí)間成本的浪費(fèi)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算線徑長(zhǎng)度，以便于靜態(tài)賽事中成本報(bào)告的分析。

【關(guān)鍵詞】FSAC賽車；汽車線束；CATIA布線；電氣線束展平設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2022 ）12-0056-03

FSAC Racing Harness Design Based on CATIA

LI Hao-wen，ZHOU Peng，LONG Jun

（Xihua University，Chengdu 610039，China）

【Abstract】Now CATIA harness layout is a widely used method in the domestic automotive industry. This paper combines CATIA three-dimensional harness modeling application with Formula Student Autonomous China（FSAC）racing car，which greatly reduces the situation of repeated harness layout cycle in the later period，making the wiring more standard，reasonable and concise，avoiding waste of material and time costs，and accurately calculating the length of the route. To facilitate the analysis of cost reports in static events.

【Key words】FSAC racing；automotive wiring harness；CATIA wiring；electrical harness flattening design

1" 引言

線束是汽車電氣的基礎(chǔ)，主體包括連接各個(gè)電器組件之間的接線部分、接線端子、絕緣的包絡(luò)物、熔斷絲、接插件及扎帶等固定物。線束就是FSAC的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，連接傳感器與VCU之間的信號(hào)傳輸，VCU與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的信號(hào)輸出與反饋。

在傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)中，線束前期準(zhǔn)備工作有線徑選型、繪制原理圖、列出原料清單、進(jìn)行路徑規(guī)劃，最后在實(shí)體車架上進(jìn)行布置，確定長(zhǎng)度，制造第1根線束，然后進(jìn)行不斷地試錯(cuò)和完善。

傳統(tǒng)線束制造一般存在以下問(wèn)題：①周期長(zhǎng)，易出錯(cuò)，反復(fù)修改實(shí)體；②浪費(fèi)人力物力資源；③實(shí)際操作與最初預(yù)想期望偏差較大；④FSAC成本報(bào)告分析數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；⑤忽略高壓屏蔽線彎曲半徑較大，導(dǎo)致布局困難。

為了較好解決以上問(wèn)題，使賽車更具簡(jiǎn)潔性、電氣可靠性、安全性，整車線束布局更具合理性，本文采用CATIA的線束3D建模，有效地結(jié)合FSAC賽車三維機(jī)械設(shè)計(jì)模型布置線束的空間走向和尺寸。

2" CATIA建模

賽車的線束就是賽車的神經(jīng)，賽車內(nèi)在美不美觀就在于線束布置是否簡(jiǎn)潔直觀。在汽車行業(yè)的召回車的事件中就有不少是因?yàn)榫€束布置不合理造成的損失[1]。因此進(jìn)行3D建模，提前進(jìn)行電氣屬性檢查、碰撞干涉，以及檢測(cè)高壓屏蔽線的彎曲是否在曲率允許范圍內(nèi)就顯得非常有必要。

三維布線在設(shè)計(jì)初期和準(zhǔn)備階段，更改操作簡(jiǎn)單、不易出錯(cuò)，可以反復(fù)調(diào)整最佳位置和空間布局，可以直觀地發(fā)現(xiàn)線束與線束之間或線束與零件之間是否存在干涉，若存在干涉只需調(diào)整點(diǎn)位即可消除干涉，能夠快速方便地優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大降低了實(shí)體操作中的反復(fù)修改所帶來(lái)的成本浪費(fèi)，問(wèn)題在開發(fā)初級(jí)階段就能得到解決，提高線束布線的品質(zhì)[2-3]。

CATIA（Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application）是20世紀(jì)70年代法國(guó)達(dá)索宇航公司開發(fā)的，并應(yīng)用于航空工業(yè)。CATIA在線束3D設(shè)計(jì)中操作便捷，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹簡(jiǎn)潔明了，線束路徑清晰易調(diào)整，故CATIA在線束仿真領(lǐng)域甚至整個(gè)汽車行業(yè)內(nèi)都得到了廣泛采納并應(yīng)用[4]。在FSAC 線束布置中常采用CATIA電氣布線模塊以下幾個(gè)設(shè)計(jì)功能區(qū)域：目錄編輯器（Catalog Editor）、電氣零件設(shè)計(jì)（Electric Part Design）、電氣線束段安裝設(shè)計(jì)（Electrical Harness Installation）、電氣線束裝配設(shè)計(jì)（Electrical Harness Assembly）、電氣線束展平設(shè)計(jì)（Electrical Harness Flattening）。如圖1所示，常用電氣布線模塊均可以在開始-設(shè)備與系統(tǒng)-電氣線束規(guī)則中調(diào)用。

2.1" 基于CATIA布線原理

利用CATIA對(duì)FSAC進(jìn)行整車線束布置，主要是確定線束走向關(guān)鍵點(diǎn)的具體位置，即節(jié)點(diǎn)的位置。線束的節(jié)點(diǎn)通常是采用卡扣、連接器、扎帶等定義了電氣屬性的零部件，也可以是沿著FSAC車架管壁分段自行設(shè)置節(jié)點(diǎn)[3]。而對(duì)于各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接和線束段的創(chuàng)建，則有CATIA系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)事先設(shè)置的線束直徑、松弛度、彎曲半徑、與邊界的距離關(guān)系，自動(dòng)生成多分支。因此，只需要對(duì)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行定義和對(duì)卡扣、扎帶、連接器等零部件屬性進(jìn)行設(shè)置，就可以確定線束的走向。同時(shí)，在FSAC整車布局的前期，如三維模型布局由于干涉或者其它原因有所改變，就可以通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的位置，自動(dòng)更新線束段新的路徑和模型。

2.2" 基于CATIA線束設(shè)計(jì)流程

FSAC是在中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車大賽（Formula Student Electric China，F(xiàn)SEC）的基礎(chǔ)上加配無(wú)人系統(tǒng)，主要是控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)，以及配合雷達(dá)、GPS、慣性導(dǎo)航、工控機(jī)、各種傳感器、攝像頭、EBS系統(tǒng)等而成。所以FSAC賽車的線束就顯得格外繁雜，因此管理、制作起來(lái)也就相對(duì)麻煩，本文大致分為以下幾步。

第1步：根據(jù)FSAC大賽規(guī)則選擇合適的線纜，高壓屏蔽線和非屏蔽線選擇橙色，在滿足要求的電壓電流下選擇線徑最小的導(dǎo)線。電池箱體外的高壓線選擇屏蔽線，同時(shí)為了提高整車信號(hào)的抗干擾能力，關(guān)鍵信號(hào)線采用屏蔽線。

第2步：確定車上所有電器元器件和連接器，將這些零部件進(jìn)行3D建模并使用電氣零件設(shè)計(jì)（Electric Part Design）對(duì)其進(jìn)行電器屬性的定義。

第3步：將上步驟中的零件分類，根據(jù)實(shí)際尺寸規(guī)格以及安裝特性，在CATIA里使用目錄編輯器（Catalog Editor）建立標(biāo)準(zhǔn)的電氣元件庫(kù)。

第4步：將繪制的二維原理圖，在FSAC整車模型環(huán)境下，調(diào)用電氣元件庫(kù)中的零件，利用CATIA的電氣線束裝配設(shè)計(jì)（Electrical Harness Assembly）模塊進(jìn)行線束三維路徑的設(shè)計(jì)。

第5步：檢驗(yàn)布線是否合理，對(duì)線束是否與周圍環(huán)境間存在干涉情況進(jìn)行檢查以及對(duì)線束的電氣連通性進(jìn)行測(cè)試?？墒褂秒姎饩€束展平設(shè)計(jì)（Electrical Harness Flattening）模塊，將線路進(jìn)行展平，導(dǎo)出線束段分支的各段長(zhǎng)度，以便于實(shí)體線束段的制作。

2.3" 定義電氣元器件

在FSAC賽車電氣零件的建模中，通過(guò)零件設(shè)計(jì)建模得到Part是沒有電氣屬性的，在進(jìn)行電氣線束裝配設(shè)計(jì)（Electrical Harness Assembly）時(shí)就只能人工手動(dòng)裝配。依靠電氣零件設(shè)計(jì)（Electric Part Design）將Part附帶上電氣屬性，只需要點(diǎn)擊相應(yīng)的裝配命令就可以安裝事先定義好的屬性進(jìn)行自動(dòng)裝配，減少人工手動(dòng)主觀判斷潛在的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

基于FSAC在CATIA的電氣模塊定義Part設(shè)計(jì)中，通常定義連接器（Define Connector）、定義線束支撐物（Define Support Part）、定義線束的連接點(diǎn)（Define Bundle Connection Point）。在定義連接器時(shí)，先定義類別、連接器孔數(shù)，然后定義連接點(diǎn)和面。如圖2所示，先使用Define Connector命令定義天線零件，然后定義為單插式連接器，設(shè)置連接器孔數(shù)，最后使用Define Bundle Connection Point命令定義線束的連接點(diǎn)，就會(huì)生成對(duì)應(yīng)電氣屬性。

2.4" 最小彎曲半徑

在FSAC賽事文件中指明，若電壓高于60VDC或25VAC則視為高壓，所有處于電氣外殼防護(hù)外的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電線必須用單獨(dú)的橙色絕緣套管包裹或使用橙色的屏蔽電纜[4]。高壓線纜分為屏蔽線和非屏蔽線，處于電氣外殼防護(hù)內(nèi)采用非屏蔽線，此處可采用霍爾進(jìn)行電流采集，而電氣外殼防護(hù)外的則采用屏蔽線，同時(shí)必須將屏蔽線的屏蔽層進(jìn)行有效搭鐵，這樣才能起到較好屏蔽的效果。高壓線由于承載能量大，所以線徑大、彎曲半徑大，因此是考慮最小彎曲半徑的重點(diǎn)對(duì)象。

在設(shè)計(jì)線束鋪設(shè)路徑時(shí)，需要考慮線束彎曲是產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，在賽車運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中的松弛度需要控制在一定范圍內(nèi)，這樣可以保證賽車在整個(gè)賽季中的安全性。線束段的彎曲能力受到導(dǎo)線線芯材料、外部線束保護(hù)材料（如波紋管）、賽車工作狀態(tài)等影響。由于動(dòng)載荷過(guò)大、彎曲部分安裝時(shí)半徑過(guò)小、線束內(nèi)部導(dǎo)線擠壓摩擦，線束極易開裂破損與賽車管壁接觸。FSAC賽車采用單線制，負(fù)極搭鐵，所以線束段的破損容易造成短路，燒毀電氣元器件。如圖3所示，在創(chuàng)建線束分支的Multi-Branchable Document命令中，設(shè)置線束直徑、線束的轉(zhuǎn)彎半徑或者曲率、線束的松弛度，可以有效地提高整車線束安全性和合理性。根據(jù)線束工藝技術(shù)，最小彎曲半徑可以介于5～10倍的線束總外徑，其可以是在此捆線束里最粗電線直徑的10倍[5]。

2.5" 整車線束固定及H-E模式

根據(jù)FSAC賽事規(guī)則中要求，整車線束固定主要有兩點(diǎn)要求：①賽車的線束穿過(guò)防火墻時(shí)，穿孔處必須使用護(hù)套密封；②驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)線束無(wú)論在哪里斷開都不能觸及到駕駛艙或駕駛員處。其余位置線束在固定時(shí)需扎帶將線束固定于附近車架上，固定點(diǎn)間距離不超過(guò)8cm。根據(jù)線束在整車上的鋪設(shè)狀態(tài)來(lái)看，各參賽高校FSAC賽車線束布局中最常使用的線束布局方式為\"H\"型和“E”型線束布局設(shè)計(jì)。其中H型布置是較好的一種布置方式，因?yàn)镠型的線束能最大范圍照顧到整車的用電器，降低線束的長(zhǎng)度[6]。線束的布置主要應(yīng)注意考慮線束的走向、安裝與檢修的易操作性、線束保護(hù)與固定的注意事項(xiàng)。線束根據(jù)其車身的邊、槽、梁等部位進(jìn)行走線，以避免線束在行駛中脫落，造成短路[7]。如圖4所示，整車采用H型線束布局設(shè)置，左右兩側(cè)線束呈現(xiàn)對(duì)稱式分布，橫線線束走向沿著防火墻。圖中1、5、12、22均為輪速傳感器，2是驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器以及工控機(jī)連接點(diǎn)，3是左側(cè)面板連接點(diǎn)，4是電池箱連接點(diǎn)，6是駕駛艙面板連接點(diǎn)，7是轉(zhuǎn)角傳感器連接點(diǎn)，8和20是GPS天線，9是制動(dòng)超程開關(guān)，10是雷達(dá)，11是制動(dòng)電機(jī)控制器連接點(diǎn)，13是慣性開關(guān)，14和15是搭鐵端子，16是低壓電源連接點(diǎn)，17是攝像頭連接點(diǎn)，18是熔斷絲盒，19是VCU接口以及右側(cè)板連接點(diǎn)，21是制動(dòng)燈連接點(diǎn)。

2.6" 基于CATIA的干涉檢查

對(duì)于FSAC線束的線路鋪設(shè)，最低要求就是在賽車靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下不會(huì)與賽車的任何零件產(chǎn)生干涉，而運(yùn)動(dòng)件的線束鋪設(shè)則應(yīng)考慮到圍繞動(dòng)件鋪設(shè)，例如賽車上的4個(gè)輪速傳感器，結(jié)合賽車運(yùn)動(dòng)時(shí)懸架上下臂會(huì)有縱向的位移，所以此處的線束路徑鋪設(shè)在懸架上臂，留有一定的余量松弛度，以保證在通過(guò)障礙時(shí)線束不會(huì)被崩斷，也不會(huì)被障礙物剮蹭導(dǎo)致脫落。

檢查方法則是可以運(yùn)用CATIA軟件自帶的干涉檢查命令Clash來(lái)實(shí)現(xiàn)。Clash則能夠選擇條件輸入，進(jìn)行更加詳細(xì)的干涉情況分析。鑒于FSAC賽車的復(fù)雜性，通常采用選用所有部件進(jìn)行干涉碰撞檢測(cè)，線纜的干涉主要涉及接插件之間的碰撞干涉以及高壓大直徑線纜的干涉檢測(cè)。如圖5所示，干涉對(duì)話框中Type包括兩種類型的檢查分析，一是干涉類型，二是計(jì)算類型。在FSAC賽車中通常選擇接觸+干涉的干涉類型以及在所有部件之間的計(jì)算類型。

2.7" 線束展開

在進(jìn)行線束展開之前，需要使用Related Objects命令對(duì)幾何線束的相關(guān)對(duì)象進(jìn)行檢查，保證幾何線束的所有相關(guān)對(duì)象都連接正常，這樣才能使用電氣線束展平設(shè)計(jì)（Electrical Harness Flattening）模塊而不會(huì)報(bào)錯(cuò)。新建一個(gè)Product文件，對(duì)其進(jìn)行線束壓扁參數(shù)（Harness Flattening Parameters）設(shè)置，然后使用Extract命令提取幾何線束，最后使用展平（Flatten）命令，將三維的幾何線束展在二維平面，通?；赬Y平面進(jìn)行展平。線束展平后，如圖6列舉的FSAC賽車低壓線束中的一部分，使得幾何線束、端子、接插件都能在XY平面簡(jiǎn)潔明了地直觀感受。

為了更加方便得到幾何線束的長(zhǎng)度信息，省去多次測(cè)量多分支的繁瑣，同時(shí)更加精準(zhǔn)地計(jì)算線束價(jià)格在FSAC靜態(tài)賽事中的成本報(bào)告，我們調(diào)用Report命令生成我們所需要的報(bào)告。首先使用Report Define命令選定所需要提取的報(bào)告參數(shù)，可以提取長(zhǎng)度、直徑、彎曲半徑等信息，選定之后就會(huì)生成一個(gè)XML文件，然后使用Report Generate 命令，調(diào)用XML文件就可以得到長(zhǎng)度報(bào)告。圖6中8條分支的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)導(dǎo)出在wire-line的報(bào)表中，長(zhǎng)度的精確度可以在設(shè)置中進(jìn)行取整，也可以將其展開圖導(dǎo)入工程制圖中，生成二維工圖進(jìn)行標(biāo)注。結(jié)合展開圖和報(bào)告，在FSAC賽車實(shí)體上的線束制作就會(huì)事半功倍，實(shí)體操作更加有條理、方便，減少材料的浪費(fèi)，避免后期大量反復(fù)修改的問(wèn)題。

3" 結(jié)論

與汽車行業(yè)傳統(tǒng)線束制造方式相比，使用CATIA的線束三維建模進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效地結(jié)合FSAC賽車三維機(jī)械設(shè)計(jì)模型布置線束的空間走向和尺寸，能有效地降低線束冗雜的局面，規(guī)避不合理的線束路徑。線束展開生成報(bào)表，能減少物料浪費(fèi)，節(jié)省后期線束制作的時(shí)間，降低周期，提高成本報(bào)告準(zhǔn)確性，對(duì)高壓線束的建模減少實(shí)際與預(yù)期的偏差，解決高壓線實(shí)際布局困難的問(wèn)題。

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（編輯" 凌" 波）