汽車線束設計策略及原材料選用方法

摘 要：汽車線束是汽車電路及網絡的主體，通過線路實現各控制模塊、執行原件、傳感器連接，實現整車電器功能正常工作，線束的設計主要通過三維布置走線、各控制系統原理電路連接、產品設計三部分組成，其中電路系統原理，主要包括電源分配和接地合并策略組成；產品設計主要包括原材料設計選用，主要牽涉接插件、端子、導線、繼電器、保險絲、外部包裝附料選型，同時本文系統的介紹了汽車（轎車）的線束、原理的設計思路和設計方法，系統性描述線束系統整個設計流程。

關鍵詞：線束設計 原理 二級子零件 原材料選型

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0132-03

線束是汽車電路的網絡載體，如無線束也就沒有汽車電路。隨著客戶對汽車的排放性、經濟性、舒適性和安全性的要求越來越高，汽車線束逐漸變得越復雜，隨著車身提供有限的空間給線束。所以汽車線束的綜合性能設計如何提高，便成為電路設計關注的焦點，近幾年從事線束開發和設計的經驗，簡單談一下線束的設計流程和一般設計原則。

1 整車線束電路設計

1.1 電路供電分配設計

汽車的電路分配設計的合理性，直接影響到汽車安全性和用電器是否能正常工作，所以各主機廠線路的安全設計作為基本出發點，主要由4個部分組成整車電路分配設計。

電池常電（Batt或KL30）：與電瓶常接，接的用電器主要是汽車的重要件或安全件，其目的是確保這些用電器即使發動機不運行時，在較少的信號控制下，也能為這些件供電，保證用電器能工作正常等。例：AIRBAG控制器、ABS控制器、發動機控制器及傳感器、燃油泵等常電。

上電檔（ACC或KLR）：所接的用電器正常情況下，沒有電。只有當點火開關上1，2，ST檔時，才有電，一般作為電源信號控制。所接的用電器一般都是BATT供電，ACC控制。且在汽車不起動時可以工作。一般有BCM，ICE，SUNROOF，ELE MIRROR，ATC，ETC等。

點火檔（IGN或KL15）：所接的用電器正常情況下，沒有電。只有當點火開關上2，ST檔時，才有電，一般作為電源信號控制。所接的用電器一般都是BATT供電，IGN控制。這部分電器件電源主要來自發電機，只有在發動機工作、發電機運轉的情況下使用。

啟動檔（ST或KL50）：當點火開關上ST檔時，才有電，主要控制啟動機，帶動發動機。

1.2 電路設計保護

線路保護是兼顧對回路用電器件前提下，主要對導線加以保護。電路保護件主要有保險絲，通俗說就是在非正常電路工作狀態下（短路），在燒蝕開關、電線、線束對接件前，先熔斷保險絲，以保護整車電路。

1.2.1 線路保護設計基本原則

一般電路的保護設計原則如下：保險絲額定容量=電路最大工作電流×1.25，電線額定電流=保險絲額定容量×1.25。

1.2.2 保險絲的選取原則

保險絲一般分為慢熔和速熔兩種，一般設計中，30A以上選用慢熔，30A及以下選用速熔。

速熔保險絲優缺點：體積小，電流穩定性相對差點。

慢熔保險絲優缺點：體積小，電流穩定性相對好。一般ABS PUMP，ABS VALVE，COOLING FAN等都選用慢熔保險絲。

1.2.3 保險絲的合并原則

為保證整車電路安全，理論上每根電源線（BATT，ACC，IGN，ST）都要有保險絲保護，若每根電源線用一個保險絲保護，整車電路將不下200個保險絲，若這樣，保險絲盒除了費用昂貴，體積過大將無法布置于車內，因此保險絲在滿足電器件性能前提下，盡多合并使用。

單功能保險絲：發動機控制器、氣囊控制器、ABS控制器等重要的安全件，對整車安全及性能影響大，需使用單獨保險絲，避免被其他用電器干擾。

單或多功能保險絲（主要依托保險絲盒體積和成本決定）：如外部照明燈、報警信號燈、喇叭等類用電器，較大影響整車安全及性能的，但相互間干擾不是敏感的此類用電器，可以共用一個保險絲，具體按實際情況定。

多功能保險絲：普通電器件即相互之間無干擾的功能，如部分舒適性用電器，根據布置和成本因素，可以合并共用一個保險絲。

感型負載和電阻性負載，盡量不要合用保險絲。

1.3 繼電器的選取設計

繼電器一般可以認為小電流控制大電流原則，按形式可分為4 PIN式、5 PIN式、特殊式（例閃光繼電器）等幾種。繼電器的選用主要是根據用開關的承載能力和電器的功率來決定。一般常用繼電器的功能有前照燈、轉向燈、風扇、鼓風機、雨刮器、油泵、喇叭、后風窗加熱等。

繼電器選用的主要參考技術要求如下：良好的可靠性；穩定的性能；對周圍元器件干擾小，較輕質量、較小體積、較長壽命；簡單的結構、良好的工藝性、低廉的成本。

1.4 搭鐵接地設計原則

重要的ECU控制器（如發動機控制器、ABS ECU等）接地點必須單獨接地，因容易受其他用電器干擾，一旦失效對整車安全影響較大。

對于氣囊系統，為了確保安全可靠性，往往要求雙接地，一旦一處失效，另一接地確保系統正常。

娛樂等無線系統，容易受干擾，而且客戶容易感知，故一般也要求單獨搭鐵。

部分弱信號傳感器，為保證信號傳遞真實，接地需就近傳感器裝配位置，同時最好單獨接地。

剩余電器件為避免線過長引起過大線壓降，原則是就近接地，并根據具體布置情況，可以接地點共用合并。

發動機搭鐵線、電瓶負極線一般也單獨接地，由于線徑截面較大，為減小電壓降，需控制好線長和布置走向。

接地方式：一是通過孔式接地片接地，機艙內接地，需套上熱縮管避免壓接處氧化；二是通過導線內部連接釘接地。

2 線束三維布局走向設計

三維布線用的主要軟件有PRO-E、UG和CATIA等。軟件主要仿真模擬各區域的線束布置走向、線束直徑徑，以及線束過孔處的保護和密封，還有線束固定孔位等。

一般設計理念有以下幾方面。

（1）按照FEATURE LIST確認電器功能和安裝位置。

（2）根據裝配順序，確認線數劃分。（車身線束，發動機線束，儀表線束等）

（3）按照各系統要求進行原理分析，最后歸納總結每一段線束有多少個回路。

（4）根據線束安裝環境，確認該段線束是否需要保護。（膠布，PVC管，波紋管）

（5）再確認此段線束直徑。

（6）線束固定：優先考慮卡扣固定，在卡扣無法滿足安裝條件下，考慮選用支架，每200～300 mm應有卡扣固定點。

（7）線束乘客艙到發動機艙，或從發動機艙到乘客艙，都要求有橡膠件防水。

（8）線束應貼著車身走，遇到板徑快口，必須繞過或加以保護，在發動機艙等震動區域，充分評估周邊零件，線束應與周邊零件保證10 mm間隙。

（9）走線時，必須考慮零件裝配和維修順序。

3 線束產品設計

3.1 插接件的設計選用

線束的核心部件是插接件，插接件性能決定著整車線束的性能，線束又決定整車電器件的安全性及穩定性。

3.1.1 插接件設計選用原則

插接件選取應優先選用雙彈簧式壓緊結構形式，該結構穩定可靠，有良好接觸性，保證公母端子接觸電壓降為最低。根據用電器電流大小及導線截面積選擇合理插接件。發動機艙內接插件，要選擇防水性，由于艙內存在較多腐蝕性液體和氣體，及溫濕度大。同一區域使用同一類型接插件要有顏色防錯，同時可視區域機艙優先選用深色或黑色的護套。優于同一區域存在大小電流用電器，故接插件優先選用混合，可以減少接插件種類和數量。部分安全帶預警、氣囊及控制器，要考慮端子為鍍金的接插件，保證不易氧化及接觸可靠。

插接件按公端子尺寸，可通電的電流一般分類如下：0.64型（5A以下 ），1.0型（10A以下）；1.5型（15A以下）；2.3或2.8型（20A以下）；4.8型（30 A以下）；6.3型，（45A以下）；7.8或9.5型（60A以下）。當然各家供應商（KET，TYCO，DELPHI等）接頭具體參數都不同。

3.1.2 插接件配件按材質性能分析主要有

（1）插接件。（塑料件）

常用的原材料主要有PA6、PA66、ABS、PBT、PP等，其主要具體性能差異。（見表1）

接插件設計時，根據所使用環境，可以選用不同材質。如增加強度，可以添加玻璃纖維；可以通過增加阻燃劑達到阻燃目的。

（2）端子基材。（銅合金）

端子使用的銅基本是青銅和黃銅（青銅的硬度相對較高），其中黃銅使用的比重較多。另外，可根據不同接觸可靠性，可以選用鍍層不同。

對于安全氣囊及控制器要求接觸性能較高，防止氧化保證接觸可靠，應優先選用鍍金端子。

3.2 導線的設計選用

3.2.1 導線的類型選擇

線束導線設計選型重點要考慮線束所在功能和環境。如：機艙要使用耐油、高溫、振動導線；行李廂蓋及車門要使用低溫耐折彎的柔軟細導線；弱信號電器件及傳感器要用防干擾的屏蔽線等。

汽車線束常使用導線種類有QVR（國標）、AVSS等（日標）、FLRY（德標）、TXL（美標）等四大系列。

3.2.2 導線截面積（線徑）計算選取

導線線徑根據用電器功率大小、長時間或短時間通電來計算選?。欢虝r可選用60%～100%之間導線的實際載流量；長時工作用電器可選擇60%導線的實際載流量。

導線所能承受的載流量，隨著溫度上升而減小，選用時需要關注。

關于導線線徑與能通電電流換算，計算公式如下：

I=I×ρ×L/U×d=P/Us×A

公式中：I（電流）；P（功率）；Us（系統電壓）；A（導線截面積）；Ud（允許最大電壓降損失）；ρ（銅電阻率）；L（導線長度）。

或按下面速算（經驗）公式：

I=8/2+A×10

按上述電流與導線面積關系公式，算出的經驗理論值可能偏大，具體可以參考各電線標準（美標，日標，德標，國標）。

3.3 整車線束橡膠件（密封）的選型設計

汽車線束過車身孔時，一般通過使用橡膠件來達到固定、密封等左右。整車上橡膠件主要使用在防火墻左右A柱處、四門、行李箱、郵箱蓋等位置。

橡膠件主要材質有三元乙丙、氯丁膠、天然橡膠等。

3.4 整車線束外部包扎和固定

3.4.1 線束外部包扎設計

線束外部包扎主要根據捆扎、耐磨、防噪、防腐蝕、外觀美化等作用進行設計。

發動機線束：主要采用波紋管包扎保護，主要是起到耐熱、耐磨、防腐蝕、外觀美化等作用。

前艙線束：采用耐磨的波紋管包扎，未與車身干涉處用PVC管進行包扎。

儀表線束：采用PVC花纏，與鈑金干涉處用布基膠布，與內飾干涉處用海綿膠布防噪。

門線束和車頂線束：同儀表線束。

底盤線束：用波紋管包扎保護，避免與車身磨，及路面上的石頭撞擊。

3.4.2 外部包裹物的性能分析

（1）波紋管：在線束外部包裹物中占30%左右。主要材質有PP＼PA 二種，其特點是耐高溫、耐磨性很好。適用溫度在-40℃～150℃。PA阻燃、耐磨好；但PP抗彎曲疲勞性較強。

（2）PVC管：柔軟性、折彎性比波紋管好，一般采用閉口，使導線外部比較柔滑，使用溫度一般在-40℃～80℃。

（3）膠帶：在外部包裹物中占到60%～70%左右，主要作用捆扎、絕緣、耐磨、降噪、標記等作用，主要有PVC、絨布、布基和海綿膠帶4種。PVC膠帶主要捆扎，有一定防水防油性，價格較便宜；絨布和布基膠帶材質為PET，耐磨性好，有一定降噪功能，價格較昂貴；海綿膠布主要抗噪性好，成本貴。

（4）線束固定：保險絲盒一般用螺栓、支架等固定，直接安裝在車身上。線束一般采用卡口、扎帶固定，通過車身上的裝配孔進行固定，一般孔徑在6.5～7.0 mm不等，也有部分特殊位置固定在焊接螺柱上。

線束IN-LINE接插件一般采用塑料支架固定，并裝配在車身上。部分低成本車，也有靠卡扣直接固定于車身鈑金上。

4 線束設計流程

4.1 線束設計概述

開發整車線束前，要盡量收集以下資料：feture list，整車的三維數模（若已有白車身最好）、電器元件分布圖、電器元件功率表、功能引腳定義及功能件接插件型號（如果模塊端無法提供，線束端可以提供）、各ECU大致的系統原理。（若沒有，可以參考其他車型）

在收集以上信息，完成線束設計時，最好有3-D工程師與系統工程師同步開發。（圖1）

4.2 設計流程的基本步驟如下

（1）核對feature list，將與線束相關的電器件功能，逐一列出。

（2）與各電器件工程師，逐一核對電器元件功能，確認各電器分布圖。

（3）按照已知的安裝工藝和順序，完成線束分布圖，確認保險絲盒大致安裝位置和尺寸空間，同時勾畫線束3-D大致走向。此時3-D工程師必須參與進來。

（4）按照線束分布圖，將各用電器歸類到相應的線束中。（例：組合儀表插接件，一定在儀表線束中，將其列入儀表表格中）

（5）分析各ECU系統原理圖，將各系統整和成一份線束原理圖，將供電系統合并，接地系統合并，并完成PDS系統圖和電流分配表。已校對各用線束保險絲，開關，用電器能否滿足整個電路需求。

（6）根據合并的系統原理圖，確認各線束在各位置的回路數，以估算線束直徑。同時校對各IN-LINE件的回路數，以便IN-LINE件選型。

（7）線束3-D工程師進行再一次細化布線。充分考慮在動靜態下干涉問題。

（8）此時PDS圖，線束圖，原理圖，3-D package，已經初步完成。

（9）由于線束受各電器件信息（接頭，參數）和整車安裝尺寸影響，因此線束設計始終延續、不中斷的。因此從初稿完成直至S0P，直到此車停止生產，需按照以上步驟需不斷進行設計更新。

5 結語

汽車線束是汽車電路的網絡主體，在設計過程中主要體現在：零部件的原材料設計選型，供電電源的合理電流分配，及電線承載電流與用電器的合理匹配，和用電器接地合并的有效策略，最后再加上整車線束正向的三維布置＼系統原理同步結合設計，才能保證整車線束電路的設計可靠性。

參考文獻

[1]伏軍鋒.汽車電氣系統設計[J].汽車電器，2010（1）：1-5.

[2]趙勝利，王小戰.長安悅翔轎車電源/電器接線盒/搭鐵點[J].汽車電器，2010（1）：19-22.

[3]董利偉.乘用車整車電量平衡計算方法的研究與應用[J].汽車電器，2010（2）：9-15.

[4]王巍，秦貴和，范瑋.基于CAN總線的汽車車身線束設計[J].制造業自動化，2005（7）：71-74.