基于三維建模的發動機線束設計布置研究

袁艷

（安波福電氣系統有限公司，上海200000）

1發動機線束工況

1.1發動機線束概述

發動機線束主要有導線、連接器、固定支架及卡扣、接地端子和導線外包覆物組成，連接了發動機的電器件和發動機控制器，發動機上的傳感器包括高壓油泵、點火線圈、噴油、進排氣凸輪軸、曲軸轉速、水溫傳感器、機油流量控制閥、氧傳感器等[1]，外圍用電器包括起動機、發電機、輔助水泵及壓縮機等?；诟饔秒娖髟诎l動機上的布置位置。發動機作為整車核心零部件，整體就是一個系統模塊,基于模塊化設計思路，將其設計成一根獨立的線束[2]，圖1為發動機線束三維模型。

圖1發動機線束三維模型

1.2發動機線束影響因素

發動機線束受發動機振動及周圍管路等動態運動的影響，布置緊湊、周邊環境復雜、潮濕、高溫、高頻振動，線束的失效型式多為線束的磨損、端子振動失效、斷線等，這些失效與線束合理布局及固定有很大的關系，線束布置時需考慮到靜態布置間隙、動態間隙、防水密封、振動等級及溫度等級的影響，主要影響因素分為機械、電氣、環境、壽命、生產、經濟性、外觀等。

1.2.1機械方面應優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、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電氣方面應考慮絕緣性能、回路電阻、電磁兼容性的要求，線束回路設計盡量短，能有效減少電壓消耗，保證供電元件正常工作，接受信號強度也會提高，周圍有大電流導線時應使用屏蔽線或雙絞線防止電磁干擾[3]；1.2.3環境方面應考慮防水、防塵、溫度、化學腐蝕、防火等，以免線束遇水短路失效、腐蝕及燒灼等；1.2.4壽命方面應考慮車輛的設計壽命，保證線束在整車生命周期內不會出現因線束零件本身發生的失效；1.2.5生產方面包括線束的工藝性、可制造性及可裝配性，以免因設計問題導致工裝無法實現，裝配時效延長及裝配困難等；1.2.6經濟性方面要根據整車的價格，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，發動機艙不要出現異常的顯眼顏色。

2發動機線束設計布置

2.1主要設計原則

根據發動機區域布置特點，發動機線束工作環境主要包括運動區域、粗糙毛邊區域、潮濕區域、高溫熱源區域、線束外露危險區域等，發動機線束的設計原則針對這些區域做詳細的分析。

2.1.1運動區域

發動機線束涉及的運動區域主要包括冷卻風扇、發動機皮帶輪、傳動裝置、發動機本體及零部件的相對振動，設計原則包括：2.1.1.1線束不能處于運動部件的行程中；2.1.1.2充分考慮線束在長度允許范圍內的擺動；2.1.1.3對有運動的線束段，要充分考慮線束的行程，預留足夠的余量，防止線束在運動過程中被拉斷或承受拉力。

2.1.2粗糙毛邊區域

發動機線束周圍的粗糙毛邊區域包括金屬銳邊、波紋管開口處及末端、螺釘螺母及支架、焊接點等，線束布置時要通過合理的走向和可靠的固定方案來避開這些區域，實在避不開時要根據具體環境采用合理的防護設計，如波紋管、耐磨膠帶等。

2.1.3潮濕區域

發動機線束布置在發動機艙，發動機底部離地面較低且發動機艙蓋四周雨水容易滲入，一般發動機線束都按潮濕區域設計，設計原則包括：2.1.3.1處于潮濕區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，必須開孔的區域，且雨水會從孔流向干區時，必須選用防水卡釘，使用穿孔橡膠件時，干區線束應高于濕區，以防雨水流入干區；2.1.3.3如果有水沿線束走向流向干區的風險，可以采取一定的措施加以防范。

2.1.4高溫熱源區域

發動機高溫熱源區域包括渦輪增壓器、排氣系統，廢氣再循環系統，線束在距離熱源125mm范圍內，必須有隔熱保護，或者采用高溫導線，隔熱保護包括：絕熱層、熱反射膠帶、高溫波紋管、隔熱護套、鋁箔膠帶等。

2.1.5線束外露危險區域

2.1.5.1 線束必須有保護以避免路面環境造成損傷；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 外露環境下Clip 不能用Tapeon 的方式固定在線束上。

2.2 設計要素分析

2.2.1 線束固定方式

由于發動機高頻振動，發動機線束必須設置合理的固定，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；如周邊環境限制機體上無法設置卡扣固定點時，需要設計支架固定線束，支架應滿足發動機各工況下的強度和剛度要求。

2.2.2 線束分支走向設計

2.2.2.1 線束與靜態零件應保持10mm 以上間隙，與運動零部件保持25mm 或者與運動包絡保持10mm 以上間隙，與焊接點應保持15mm 以上間隙；2.2.2.2 線束接插件末端分支長度在自然狀態下應預留一定的余量，跨接車身和發動機的運動分支應根據相對運動極限設置合理的振動余量，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的長度盡量保持100～150mm 之間，便于插件的對接和插拔。

2.2.3 線束各組件設計

2.2.3.1 導線與電纜必須保證在整車生命周期內不會出現短路和斷路失效，且絕緣層不會破裂、斷口或任何其它缺陷；導線及電纜的連接點須用絕緣的覆蓋物將導體裸漏部分完全覆蓋住，且不應布置在線束轉彎或對線徑要求比較高的區域，發動機艙應使用帶防水膠的熱縮管進行密封，以免連接點及導線銹蝕；2.2.3.2連接器須固定可靠且應滿足密封、振動及溫度等級的要求；

2.2.3.3 接地端子應布置在車身縱梁或其他與縱梁焊接相連的車身平面上，對有特殊要求的發動機控制器、點火線圈應單獨使用接地端子，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，必要時設置防轉結構，使用帶防水膠的熱縮管進行密封，以免銹蝕；2.2.3.4發動機線束的各零件須使用黑色或灰色，線束在貼附在車身或進氣管上時，導線及其他零件的選用溫度等級至少為-40～105℃，當環境溫度高于105℃時，選用的溫度等級至少為-40～125℃，或依據熱管理測試溫度等級進行設計選型。

2.2.4 裝配及售后

發動機線束的安裝主要包括卡釘的固定，接插件的對接，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 在固定區域有多孔時，須考慮線束安裝點的防錯設計；2.2.4.2 在固定區域有多線束分支時，為防止錯裝，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 的生產流程和工藝，以及工位和裝配規范等；2.2.4.4 線束要遠離周邊零件的固定點，避免在裝配過程中夾傷線束；2.2.4.5 接插件應接插方便，支架和端子固定螺栓套筒及工具槍體運動路徑與周圍零件應設置合理的間隙；2.2.4.6 線束設計過程中，須考慮裝配順序及售后服務是否可行。

3 建模與布置優化

3.1 線束設計模塊及建模流程

CATIA 是法國達索公司旗下的CAD/CAE/CAM 一體化軟件，大大縮短了產品開發周期，被廣泛應用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子電器、消費品行業，它的集成解決方案覆蓋所有的產品設計與制造領域[4]。CATIA 對線束進行三維布置時，主要 用 到Electrical Part Design、Electrical Harness Assembly、Electrical Harness Installation 和Electrical Harness Flattening 這四個模塊。三維設計前需要完成原理圖的設計與計算，planview圖的生成，接插件及端子的選擇，線束環境的建立，熟悉發動機的結構分布，了解用電設備、模塊、管路及其它與發動機線束相關的周邊物理環境分布及非物理環境限制特點。

然后對CATIA 建模環境參數進行設置，定義線束零件電氣屬性，之后就可以按照線束結構進行模型建立，有問題的數模進行處理，根據發動機艙實際情況，給線束外圍增加適當的保護，以防在線束安裝、車輛行駛中對線束的損傷，最終由三維數模生成二維圖紙、注釋、包括尺寸、回路信息、保護件位置、包扎方式等信息。

3.2 線束布置案例分析

3.2.1 防錯設計

相同的接插件，必須要有防錯措施，不接受色標防錯，發動機需防錯的功能一般有：VVL、雙爆震、點火線圈、凸輪軸、位置傳感器、進排氣OCV、噴油。3.2.1.1 點火線圈通過不同分支出線位置、長度尺寸不能互換來防錯；3.2.1.2 爆震傳感器分支通過不同出線位置防錯。

3.2.2 高溫熱源區域分支設計

高溫熱源區域必須有隔熱保護，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 與排氣系統近的區域線束使用鋁箔膠帶做包覆物。

3.2.3 振動件及存在相對運動的分支設計

3.2.3.1 發動機本體連接車身本體之間運動區域的固定；ECU分支分別在發動機支架和蓄電池托盤上固定，存在高頻運動，需預留運動余量，為減少振動傳遞，ECU 分支在蓄電池托盤上采用兩剛性固定點。3.2.3.2 振動大的部件傳感器分支在振動件本體上設置剛性固定點。TMAP 分支在進氣歧管上采用剛性固定點,空氣流量傳感器分支在進氣管上設置固定點，HFM 分支空濾上設置剛性固定點，發電機與空調壓縮機本身為振動體，為提高線束可靠性，在發電機及空壓機本體上設置剛性固定點。

3.2.4 環境受限區域線束設計

由于發動機周邊環境限制，導向套管設計可以保證線束的走向可靠；發動機缸體上只能提供兩個固定點，為保證缸體上的傳感器合理布線，利用發動機兩個固定點設計金屬支架；為優化接插件端子受力，優化線束走向，使用導向COVER 及線束反扎設計。

3.2.5 接插件插拔空間校核

接插件應有插拔空間，線束分支應有插拔余量，無法留足余量時應調整接插件和卡扣的裝配順序。

4 結論

本文通過車輛不同區域對線束布置要求，根據發動機線束區域特點，對發動機線束區域布置及設計要素進行分析，基于CATIA 線束設計模塊對發動機線束進行三維建模，針對發動機上不同功能傳感器的位置分布和區域特點，對布置走向和固定方案進行改進提升，在設計階段對線束質量進行提升，降低了產品研發成本，縮短了設計周期，對發動機在各運轉工況和車輛運行狀態的可靠性及穩定性起到重要意義。