用于牽引車和掛車之間的多芯連接電纜研究

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能裝置為掛車提供電能，同時可以通過電壓信號或者CAN網絡完成牽引車與掛車間的信號交互。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。同時由于車輛轉彎時，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長度的變化。中國公路網絡的趨于完善，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對保障運行安全尤為重要。本文主要從多芯連接電纜的結構、電纜的尺寸和螺旋電纜規格的選用進行論述。

1 電纜的結構

多芯連接電纜由芯線和護套組成，需要時可采用填充材料和屏蔽層。

1.1 芯線

芯線一般指用于系統標稱電壓不大于60V（或交流25V）的道路車輛用電線或用于系統標稱電壓大于60V（或交流25V）且小于直流600V（或交流600V）的道路車輛用電線。電線由導體和絕緣層兩部分組成，導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境下的耐電壓、力學性能和耐液體性能所需。

導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用在較高耐溫等級的電線中；絕緣材料一般有聚氯乙烯（PVC）、交聯聚乙烯 （XLPE）、氟塑料、硅橡膠等［1］。根據厚度，絕緣材料可分為厚壁、薄壁、超薄壁。

耐溫等級是電纜電線的重要指標，國際上進行了一系列研究并制定了相關標準。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、試驗方法和要求）［2］對電線的耐溫等級進行了規定。ISO 14572（道路車輛圓形、屏蔽和非屏蔽的60V和600V多芯護套電纜）對電纜護套和電線耐溫等級也按照ISO 6722-1做了要求。為了應對整車溫度提升對電纜電線的影響，保證電線的壽命和抗老化性（3000h），歐洲各車輛生產企業多年前已普遍采用耐溫等級B級電線，其中以大眾、奔馳等知名企業為代表。ISO 4141系列標準作為螺旋電纜的基本性能、產品特性和驗證要求的主要標準，于2015年申請修訂并于2019年完成發布。在ISO 4141-1：2019、ISO 4141-2：2019和ISO 4141-3：2019新版中都對電纜的耐溫增加了B等級 （-40～100℃）的要求。當前中國國家標準正在更新當中，計劃增加耐溫等級B等級的要求。

1.2 護套

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

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，填充時先將多股棉紗按要求擰成一股，隨后與其它導線一起絞合，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，使用時直接將聚脂繩與其它導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，強度高、韌性好，主要用于增強電纜的抗拉強度。

根據生產工藝需求決定是否采用填充材料以及填充哪種材料。有時為了保證芯線與護套不粘，也會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 護套的厚度

汽車電纜趨向采用簿壁，隨著材料性能的提升，護套材料基本上能夠達到電纜需要的機械性能，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，對于多芯屏蔽線，推薦在里面制作一層墊層。護套或墊層的需求厚度取決于護套或墊層下面的絞合線芯外徑這個因素，如圖1和圖2所示，需求的厚度從縱坐標上讀取。

圖1 薄壁結構的護套厚度

圖2 厚壁結構的護套厚度

護套電纜是在芯線的外層擠塑形成，理想狀態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套。但是受結構、材料、擠壓速度等因素影響，護套厚度會有不均勻的現象，圖3是一個厚度不均勻電纜的截面圖。

用于多芯連接電纜的電纜護套厚度最小為1mm，護套或墊層的最小厚度的計算和標稱厚度有關，公式如下：

圖3 電纜截面圖

式中：Wmin—— 護套或墊層的最小厚度；Wnom——護套或墊層的標稱厚度。

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，一般為最大單芯線外徑和絞合系數的乘積。電纜根據使用需求的區別，芯線數量和芯線的橫截面面積存在差異，不同電纜在標準中定義了接點順序和芯線橫截面面積，表1為不同標準的電纜最大、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

橢圓度應不超過10%，橢圓度計算公式如下：

2.3 螺旋電纜的長度

螺旋電纜的尺寸應符合表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，當車輛以前回轉半徑轉彎時，多芯連接電纜會隨著車輛轉角的變化而拉伸。如圖5所示：點A和點B的距離即前回轉半徑Rf，以點C為圓心，Rf為半徑形成的圓弧為牽引車插座安裝點的運動軌跡。在任意轉角α時形成牽引車插座掛車前回轉半徑，牽引車插座安裝點在運動軌跡上所在位置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，設為LBC。邊BD為螺旋電纜當前拉伸長度LE，根據余弦定理，LE與回轉半徑Rf和LBC關系如下：

表2 電纜的長度

圖4 螺旋電纜尺寸圖

圖5 螺旋電纜結構

理論上當α達到180°時LE達到最大值：

一般牽引車與掛車夾角不大于90°，因此實際上LE最大值為：

3 螺旋電纜規格的選用

螺旋電纜使用時根據牽引車插座安裝點與掛車插座安裝點間的長度選取合適的規格。如果選取規格偏小，電纜在車輛最大轉角時拉伸超過最大允許拉伸長度LEmax，會造成螺旋電纜發生塑性變形不能恢復到原有長度。在車輛回正后，螺旋電纜長度下垂量過大，與螺旋電纜下方金屬存在干涉風險。

相反如果選取規格過大，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險。在市場上經常會看到圖6中情況，就是由于螺旋電纜規格選取不當或螺旋電纜品質不達標造成。駕駛員為了規避螺旋電纜與金屬干涉的風險，采用拉帶將螺旋電纜拉起。

圖6 拉帶拉起的螺旋電纜

4 結語

本文主要從電纜結構、電纜尺寸、螺旋電纜規格的選用等方面對多芯連接電纜進行了研究。其中對電纜結構從芯線、護套、填充材料進行了分析，對電纜尺寸從護套的厚度、電纜的外徑、電纜的長度等進行了分析，對螺旋電纜規格從使用上進行了分析。研究結果對多芯連接電纜的發展具有一定的借鑒意義。