关于汽车线束系统设计及其可靠性的研究

骆小芳

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)

关于汽车线束系统设计及其可靠性的研究

骆小芳

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)

汽车线束作为整车电气与信息系统的输送枢纽，关系着车辆在行驶过程中的安全性与电子电器工作的可靠性，经常由于汽车线束烧蚀问题导致车辆烧车，造成消费者与生产厂家巨大损失。为此，在进行整车线束系统设计的基础上，对汽车线束系统设计及其可靠性进行分析与论述。

汽车线束；设计；可靠性；方法

1 引言

伴随着信息技术的不断发展，汽车搭载类设备也日趋先进与完善，更多的电子类用品被普遍安装在汽车上，促使汽车整车性能获得了快速式的推进[1]，不管是从安全方面、经济方面还是舒适度方面均有大幅度的提高。

线束系统指的是汽车线路中的所有电路主体，负责整车信号和动力的传输[2]。当前，消费者对汽车经济实用、安全稳定、节能环保等方面有了更多的需求，促使在汽车电气系统的设计以及元部件的选择时，加剧汽车线束设计的困难化、复杂化。

线束系统设计必须符合线路设计安全可靠、零部件装拆便捷、选择材料达标与节省、空间布局的合理美观等要求[3]。但是，越来越多的电子设备被广泛应用在汽车上，占用汽车内的空间越来越大，汽车电路越来越复杂，在致使汽车线束的布置难度越来越大的同时，整个汽车线束可靠性也越来越低。因此，如何提高汽车线束系统设计及其可靠性已成为汽车电气设计人员亟需攻关的重要技术难题。

2 汽车线束设计

线束系统是汽车电路自动化的重要体现，线束系统的开发设计离不开电路的开发设计，熔断器和车用导线的正确选择是保证电路设计和汽车线束设计的关键，鉴于此，汽车线束设计将主要阐述汽车线束设计流程以及怎样正确选择熔断器和车用导线。

2.1 汽车线束设计原则与流程

在汽车电路设计中，必须使用符合要求颜色的导线，选择适宜的横截面积，要求导线最短连接，接插件安装导线两侧均是整车线束设计的基本原则[4]。将导线按照其布置方向和位置捆扎扎成线束，并采取保护与固定措施。根据选用导线颜色、截面以及捆扎的要求，在确保线束安全的基础上，尽可能的节省导线材料，降低生产成本。汽车线束设计的主要目的就是在于材料节省与降低成本、导线装拆与维护简便、空间节约与布局合理美观。汽车线束设计的基本流程，见图1。

图1 汽车线束设计基本流程图

2.2 熔断器与车用导线选择

熔断器[5]和车用导线作为汽车线束系统设计的主体部分，如何选择熔断器和车用导线在汽车线束系统设计中尤显重要。

（1）熔断器选择

熔断器是一种电流保护装置，当流通电流大于允许值一定时间后，自身产生的温度使熔体熔化，使电路断开以起到电流保护作用。熔断器可分为板型熔断器和大电流熔断器，两种熔断器在线束中的使用条件不尽相同。

①板型熔断器

板型熔断器种类及特性在国家标准中有详细的规定，而板型熔断器数量主要在于熔断器箱的尺寸大小，国家标准没有具体规定。板型熔断器熔断特性，见表1。

表1 板型熔断器熔断特性

预先计算出熔断器下游电气设备的负载，使其负载电流小于熔断器70%的额定电流，由此确定板型熔断器额定电流的目标值，可选定板型熔断器有：

板型熔断器额定电流范围为1A～30A，不同外壳颜色的板型熔断器代表不同大小的额定电流。此外，值得注意的是板型熔断器额定电流的温度变化率为0.15%/℃。

②大电流熔断器

大电流熔断器的种类和特性在国家标准中有详细的规定。大电流熔断器的容量范围一般为20A～120A，容量小于60A的容量间隔为10A，大于60A的容量间隔为20A。大电流熔断器熔断特性，见表2。

表2 大电流熔断器熔断特性

预先计算出熔断器下游的电气负载，负载电流小于熔断器50%的额定电流，由此确定大电流熔断器额定电流的目标值，可选定熔断器有：

大电流熔断器主要是保护流过大电流的电线，在设计时应尽可能地布置在蓄电池旁边，同时综合考虑防水和防振问题。此外，大电流熔断器额定电流的温度变化率为0.18%/℃。

③熔断器分配原则

每个熔断器既能只保护一条线路，亦能保护多条线路。一个熔断器保护哪几条线路，分配原则如下：

a.具有相同性质的负载分派给同一个熔断器，即电感型负载与电阻型负载尽可能分派到不同的熔断器上。例如：乘用车的若干雾灯均分派给同一个熔断器来保护；同侧的前停车灯和后尾灯分派给同一个熔断器保护；小功率牌照灯与室内灯分派给同一个熔断器保护。

b.给电控单元供应电能的线路尽可能采用独立的熔断器，以避免其余负载干扰电控单元工作。

c.电控单元管理的传感器和执行器供应电能的线路保护，应竟可能避免与经常使用元件共用同一个熔断器。

（2）车用导线选择

①车用导线

车用导线多数采用车用薄壁低压电线(AVS)或车用乙烯树脂绝缘低压电线(AV)。目前由于电子装置的不断增加，汽车线束直径要求越加粗大，从而致使AVS使用也越来越多[5]。为此，需要考虑耐热性的车身区域，使用车用交链聚乙烯耐热低压电线(AEX)和交链乙烯树脂耐热低压电线(AVX)最佳。为确保车用导线强度，车用导线的最小截面积应≥0.5mm2。主要车用导线截面积推荐值，见表3。

表3 主要车用导线截面积推荐值

截面积＞4mm2的车用低压导线应使用单一颜色，截面积＜4mm2的适用双色，搭铁线采用黑色。汽车电气系统导线的主色，见表4。

表4 汽车电气系统导线主色

②导线允许电流

导线容许电流值取决于导线的截面积和温度。车用导线容许电流与电压降，见表5。

表5 车用导线容许电流与电压降

3 汽车线束系统可靠性分析

根据汽车市场调查显示，汽车线束系统可靠性[6]主要内容包括：①出故障的概率；②汽车的耐用性；③故障后维修费用与难度。汽车线束系统可靠性已作为衡量汽车综合性能的一个关键指标，甚至消费者在对比汽车技术性能时，更倾向于选择安全、可靠的产品。因此，汽车线束系统的可靠性是整车设计中重点考虑部分。

3.1 回路设计的可靠性分析

汽车电气系统是由众多的电气回路构成，回路设计的可靠性作为汽车电气系统可靠性的基础，在回路设计中，必须显示出可靠性的要求。

在汽车线束中，回路是以并联方式连接的，而在检验汽车线束的可靠性方面，可把全部线束当作一条串联线路，也就是只有在全部线束回路均为正常时，整个电气系统才能运行正常。

（1）回路设计可靠性模型

在汽车电气系统中，完成任何一项功能，都必须有多个总成、多条回路参与其中，例如：倒车指示灯，就与倒车灯、继电器、仪表板、控制单元、电源等多个总成相关。而在每一个线束总成中，同样也会有几条或者几十条线束回路，每条回路的可靠性都影响着整个总成甚至整车的可靠性。倘若将整个系统当作总系统，那么其总可靠性为R(t)，每一个总成的可靠性为，则可获得整个系统的可靠性模型：

总成可靠性Ri(t)靠总成中的每一个回路、确定：

由上可得整个电气系统总的可靠性：

根据统计数据显示：缩减回路数量能降低故障率，在旧式汽车上，由于用电器应用少，整车只有几条简单的回路，因此其整个电气系统在车辆的使用寿命内几乎保持完好。

（2）电气设计可靠性设计方法

由式(5)可知，电气回路数量与整个电气系统或总成可靠性呈几何级数对应关系，缩减总成和整车回路数，可大范围提升整个电气系统的可靠性。另外，不能靠降低汽车油耗、排放量、安全性能以及舒适度等指标为代价来缩减电气回路，而应是通过改进线路和元器件、合并和模块化处理，减少线路数量、元器件及连接器，也可实现降低整车质量和制造维护的成本的目的。相同的是，在电气系统中通过缩减搭铁和连接点也能提升整车电气系统的可靠性，对于搭铁而言，可采用多条回路共用搭铁的办法，以达到减少连接点的目的。在整车中，不同的系统与功能对可靠性要求也是存有差异的，例如：转向操控系统、电喷系统、制动系统及与安全性能有关的ABS、ESP等，可靠性要求相对较高；而音响部分、空调电气等部分系统的可靠性要求相对较低，因此，可通过对整车上的系统可靠性要求进行区分，以降低制造成本。在此可靠性模型下，可按照区分可靠性要求来进行不同的设计，从而确定整车系统中不同部分的可靠性配置。

3.2 端子和连接器的可靠性分析

端子和连接器既是决定线束系统可靠性的重要内容，也是整个汽车线束的重要组成部分。根据统计数据表明，在端子和连接器中，汇集了各类容易出现故障的环节，存有焊点、连接点、塑性外壳，部分端子和连接器的作业环境非常恶劣，易于被腐蚀、老化、以及在振动应力下出现松动。在整车电气系统故障中，因端子和连接器的损坏、松动、失效以及脱落产生的故障能占到总故障率的50%左右，由此可见，端子和连接器的可靠性设计也是整车电气系统安全性设计不可忽视的一部分。

（1）端子和连接器的故障模式

分析产品故障模式是提升其可靠性的根本办法就是预先了解和掌握其可能出现的故障种类，才能采取相应的预防工作。端子和连接器故障模式主要有三种，分别为接触不良、绝缘不良和固定脱落。可靠性设计就是以降低故障率为目的，端子和连接器失效模式主要有：接触电阻变大、开路、短路和绝缘电阻下降。插拔力变大。寿命缩短、电压驻波比变大、起火等。三种失效模式产生的原因，见表6。

表6 端子和连接器的故障模式

（2）端子和连接器可靠性检测事项

对于接触不良现象，需要检测的是瞬断检测；静态接触电阻；动态接触电阻；连接点和元器件的耐振性；单孔分离力检测，在选用元器件时对部分关键型号的产品进行100%逐点导通试验。

对于绝缘不良需要检测的项目主要包括：接触件、绝缘体等零件尺寸；绝缘体绝缘电阻检查；不同环境应力（湿度、温度等）状态下绝缘电阻；绝缘体时间退化速度等。

对于固定脱落类的可靠性需要检测的主要包括：耐力矩检查；连接针保持力；端子和连接器的装配公差；连接针插入力；不同环境应力（震动、温度、湿度等）状态下保持力等。

（3）提升端子和连接器的可靠性手段

提升汽车线束应用的可靠性，应在装配和选型过程中注意以下几点：

①选择适宜的接插件。从使用可靠角度而言，接插件的选择不但要利于设备的组成和考虑连接电路的数量和类型，而且还可根据接插件的特征作选择。例如：矩形连接器比圆形连接器受气候和机械因素的影响大，且在相同条件下的机械磨损较大，与导线或电缆的端接也相对不可靠。

②和回路设计相同，在连接器中增加接触件数量将会导致其可靠性降低。所以，在空间和重量允许的前提下，适宜采用若干接触件数量较少的连接器来替代一个连接器。

③连接器的最大工作电流和总负载电流往往是依照在周边环境的最高温度条件下和长期工作时所允许的热量来确定的。所以，在选用连接器时，需充分考虑设备的工作条件。

④为降低连接器的工作温度，需采用离连接器中心稍远的接触件来连接电源电路，从而利于连接器的散热。

⑤对与在腐蚀性气、液体环境中使用插件，为了防腐蚀，在安装过程中，应尽可能垂直侧面水平安装，倘若接插件必须垂直安装时，应提供一个较高的安装底时应向下布线，防止水顺着引线流入接插件中。

3.3 线束保护的可靠性设计

汽车线束的作业环境非常恶劣，常伴有腐蚀性气体和液体，高温、潮湿、振动及与其他部件的碰撞和磨擦，常会发生绝缘体磨损、导线腐蚀以及接头松动等现象，从而致使线束断路和短路。因此，提高线束能安全可靠性，必须做好线路保护设计工作，也就是要做好线束的包扎及固定。

汽车线束应具有防潮湿、防腐蚀的保护措施，尤其是发动机的线束，必须采用耐高温、耐腐蚀且密封性良好的保护材料来密闭线束和插接件；其它部位的线束在包扎后，安装在汽车较为隐蔽的位置，用扎带和线夹将其固定在汽车上，从而降低振动对线束的影响；线孔处有线束经过的需做好保护措施，避免线孔与线束间的磨擦以损伤线束绝缘层。

提升线束保护设计可靠性的措施包括：

（1）在设计选型时，将包装材料在不同应力环境作用下进行加速寿命试验，选择其中综合性能最优的一种；

（2）在线束装配之前，应进行环境筛选试验，避免不合格产品流入下一个环节中。

4 结语

提高线束可靠性是一份复杂而繁琐的工作，要切实提高可靠性必须在线束设计、制作、装配、运输和使用等各个环节中贯彻可靠性要求。设计是提高线束可靠性的第一个环节，因此，在设计中必须严格体现可靠性的要求，以为后面的制作和生产等环节做好基础，从而真正地、有效地提高线束可靠性。

[1] 李光耀,李慎国.我国汽车用电线束现状及发展趋势[J].汽车与配件,2006, (4):28-30.

[2] 孙海鸥,伟东,李英春.基于LabVIEW的汽车线束检测系统[J].长春工业大学学报(自然科学版),2006,27(2):124-126.

[3] 邓鹏.汽车线束设计及测试系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[4] 罗文发.商用车气压ABS线束的匹配设计[J].汽车与配件,2008,(17)46-49.

[5] 毛柳明,文远芳,周挺.高压限流熔断器熔断过程及过电压研究[J].高电压技术,2008,34(4):820-823.

[6] 张碧波.汽车线束的设计和可靠性研究[D].上海交通大学,2009.

Research on the automotive wiring harness system design and reliability

The automotive wiring harness is the path to transmit vehicle electrical and information system, it was closely related to the safety of the vehicle driving process and reliability of the electrical and electronic, the vehicle wiring harness ablation which might bring on the vehicle burned, and caused a great losses both on consumers and manufacturers. Therefore, based on the design of the vehicle wiring system, discussed how to improve the automotive wiring harness system design and reliability.

Automotive wiring harness; design; reliability; methods

U461.7

A

1008-1151(2015)01-0075-04

2014-12-10

骆小芳（1988－），女，广西桂林人，上汽通用五菱汽车股份有限公司工程师，从事汽车线束研发与设计工作。