基于CATIA 的重型汽車三維線束模塊化設計

張瑞斌

（甘肅有色冶金職業技術學院機電工程系，甘肅 金昌 737100）

引言

隨著現代電子技術在重型汽車上的應用，各類電氣元件及線束也不斷增多并日趨復雜，傳統的電氣設計、生產工藝已經無法滿足復雜性、可靠性、模塊化、集成化及產品更新換代周期的要求。所以，使用仿真設計是汽車開發過程的必然趨勢，目前國內外絕大多數主機廠在電氣系統開發設計時都采用三維布線，諸如CATIA 等三維設計軟件功能逐步強大，為汽車線束布置提供了極大的便利[1]。

1 傳統線束設計流程及其弊端

目前的線束設計基本流程如圖1 所示。

傳統的線束設計流程、制造工藝[2]必然會產生以下問題：

（1）由于結構設計變化導致線束走向、線束分支長度變化，會產生重復設計；

圖1 傳統電氣線束設計流程

（2）線束設計、制作、驗證時間周期過長；

（3）線束測量、試制、試裝過程中人為因素影響；

（4）線束制作更改頻繁，無法固化。

以上問題直接影響整車電氣系統的可靠性，而且大大增加了設計周期，無法適應產品更新換代的速度和市場的需求。

目前，為了進一步縮短開發周期，普遍采用汽車零部件廠家與主機廠進行聯合研發、設計。在整車及電氣系統結構設計甚至原理設計時即開始使用3D 軟件進行仿真模擬[3]。

2 利用CATIA 電器模塊進行3D 線束模塊化設計

2.1 CATIA 線束設計模塊簡介

CATIA 軟件可創建一個針對整車開發過程的工作環境，在這個環境中可以對產品開發、制造等過程的各個環節進行仿真、模擬和校驗[4]。CATIA 電氣系統模塊可以進行整車電氣原理設計，3D 線束敷設、展平，生成線束拓撲圖、加工圖以及生成電氣部件和線束裝配圖。在線束圖設計過程中，可以綜合考慮電氣線束設計、工藝等方面的要求，并進行校驗，如線束連接、固定、干涉等。設計完成后，能從設計數據中自動生成線束制造、裝配所需的信息，如BOM、線束拓撲圖、線束裝配工藝圖等。如有設計變更，只需修改仿真設計數據即可，無需進行多輪實車試制試裝，大大縮短了開發周期[5]。

CATIA 電氣設計組件中常用的線束設計模塊主要有電器裝配設計（EAD）、電氣零部件設計（EPD）、電氣線束裝配（EHA）、電氣線束安裝（EHI）和電氣線束展平（EHF）[6]。

2.2 線束模塊化設計

雖然利用CATIA 進行3D 線束設計已經大大提升的設計效率和可靠性，但是隨著用途的不斷細分，汽車尤其是商用汽車已經由大批量生產進入個性化定制的階段。車輛大部分配置都需要根據客戶需求進行配置和選擇，便會產生出大量的配置變化，而線束作為汽車獨立存在的零件（有相應的零件號），起到連接整車用電設備的作用，也需要滿足不同的功能配置，具有相當高的變化性和復雜性[7]。

事實上產品在更新換代時，原本的一部分結構、功能是保持不變的，這樣就很容易造成設計內容的重復性。為了避免此類問題，縮短設計周期，我們需要對產品進行分析，根據產品所屬的平臺、車型及具體配置情況，對其進行梳理分類，找出不同產品的共同結構，將此共同的結構做成一個相對固定的模塊，模塊應具有“高內聚”“低耦合”的特點，各模塊之間的結構、功能既相對獨立又相互聯系，在更新設計時就可以只對變化的部分進行修正，而無需重復工作。

2.2.1 梳理產品配置情況，進行模塊分解

例如某公司產品分為M、F、X 平臺，每個平臺下又分為載貨車、牽引車、自卸車等不同車型，每個車型下又有4×2、6×4、8×4 等不同的驅動形式。每種車型每種驅動形式都有一個標準配置，根據客戶需求對整車布置進行調整之后還會衍生出其他不同的配置。

最初設計時，對標準配置車型進行全流程設計。但是當產品配置改變后，標準配置的車型部分線束便不符合要求，但是只改變變化了的那部分線束狀態是比較困難的，有時候甚至會出現不可預知的問題，輕者線束長度不合適、分支結構不合理，重者造成整車線束無法裝配以及不必要的生產線停線事故。

在線束設計之初，根據整車電氣系統架構，就可以定義出整車電氣模塊，然后再將每一個零件劃分至不同模塊之中。梳理過程中，要從宏觀出發，按照更新速率由小到大的順序對整車線束進行分解，具體的分解原則有如下幾點：

（1）應將線束類型根據所通過的電流大小大致分為三類：動力線束、一般線束和弱電流信號線路。

（2）同一類型線束分支應該根據結構而非功能。

（3）根據不同平臺不同車型上的相同配置，可以把整車線束進行分段。

（4）對于功能相同僅長度不同的線束進行系列化分解。

我們將上述公司產品根據功能、結構等特征分為如圖2所示的模塊：

圖2 整車線束模塊化分解

2.2.2 模塊化布置

模塊分解完成后，就需要對各個模塊進行內部結構、功能分析，如應如何合理敷設線束、如何合理分支以及如何將該模塊線束和其他相連模塊的線束進行對接。分析之后就可利用CATIA 電器模塊，分別對各個模塊線束進行布置設計。模塊內線束布置應根據該模塊的結構特點、布置形式等因素設計線束的走向，保證安裝與維修的易操作性以及線束的保護與固定等[8]。

（1）駕駛室線束設計

根據某車型駕駛室的鈑金結構，合理規劃走線路徑和固定點及固定方式。駕駛室內電氣設備配置變化較多，但是安裝位置相對固定，設計時可按最高配置進行冗余設計，后續將未選擇配置的線束分支預留或去掉即可。其各模塊線束如圖3、圖4 所示：

圖3 儀表臺線束模塊

圖4 頂棚線束模塊

（2）底盤線束設計

根據車輛類型、所選發動機型號、變速箱型號、驅動形式、及車橋類型進行設計。

①發動機-變速箱線束布置設計

發動機作為整車核心零部件，其配置的變化對整車電氣系統的影響最大，但是發動機電控系統除去與外部其他系統的一部分信號聯系后，其整體就是一個系統模塊[9]。基于模塊化設計思路，發動機電控系統常被設計成單獨一根線束，如圖5 所示。 同驅動形式對分支點、長度進行分類及系列化，如圖6 所示。在車型配置變更時，只需根據配置參數進行選擇即可，無需重復設計。

圖5 發動機-變速箱模塊

③ABS 電纜線由于其可靠性要求比較高，所以應單獨敷設，避開高溫和強電強磁，一般情況下也可以和車架線束同時敷設。

圖6 車架線束模塊

（3）正、負極電纜線及蓄電池箱體內線束模塊設計

正負極電纜線內部通過電流較大，線徑較粗，對附近電氣設備產生的電磁干擾也比較強，敷設時也需要確定好走線路徑和固定方式，當配置變更需要設計修改時，只需改變電纜線長度、增加固定點即可。蓄電池箱體內部電器件變化較小，線束走向及固定也較為統一，如圖7 所示。

圖7 正-負極電纜模塊設計

2.3 模塊化設計固化

根據模塊分解和各模塊線束數模設計，應用CATIA 軟件EHF 模塊進行線束展開[10]，進行一定的調整后形成各模塊線束拓撲圖，對每個模塊的線束數模、線束拓撲圖、裝配圖等設計數據進行狀態固化，如圖8 所示。在拓撲圖的基礎上，根據電氣原理圖，最終生成線束加工圖。根據各模塊的變化，對線束加工圖進行系列化，做成標準裁線表，以方便線束制作和裝配。

圖8 整車底盤線束布置

2.4 模塊化擴展

當需要根據不同配置進行定制車型線束設計時，再無需進行全流程設計，只需根據配置將相應的固化模塊進行組合即可。如進行各部分電氣系統換型，只需要在涉及到的模塊內部進行變化調整，不會影響到其他未變化的部分。

3 結論

利用CATIA 電氣模塊進行電氣系統設計仿真，使整車各部分線束彼此獨立而相互之間又有必要的聯系。與傳統方法相比已經大大提高了開發設計試驗效率，有效降低了成本。實現整車線束設計模塊化后，為汽車產品的定制化和個性化需求提供了保障，避免了重復開發和重復設計，降低車型更新換代的開發維護成本。

目前有奧迪、寶馬、奔馳及沃爾沃等主機廠部分平臺采用了模塊化的設計制造方式，其中僅大眾和斯柯達的部分車型在中國完成模塊化線束開發，其余均為來圖生產。中國在模塊化生產的方向，還存在著巨大潛力。