电线束三维设计应用分析

吕艳蕊，唐 俊，曹晓蕾，李从刚，赵智慧

（1.湖北航天技术研究院特种车辆技术中心，湖北 武汉 430040；2.中国人民解放军火箭军参谋部，北京 100085）

目前公司车辆的电线束设计主要是基于AutoCAD的二维设计，对于电线束的走向、固定及长度计算没有一个直观的表达方式和有效的监控措施。在电线束的设计与加工制造环节存在脱节问题，限制了设计效率和品质的提高。因此有必要开展电线束全三维设计的应用与分析［1］。

目前3D设计软件主要有Creo、UG和CATIA等软件，都提供了电缆设计模块，这些软件的电缆设计模块为布线设计员提供了用于生成电气布线数据的三维设计工具，生成的电气布线系统增强了构建虚拟样机的能力。

根据特种车辆三维设计背景，电缆设计软件选择PTC公司的Creo软件Cabling模块，以方便导入三维模型进行电线束的三维布置。

1 设计内容

车辆线束的设计流程见图1。

1.1 元件库的创建与维护

元件库的创建是整车电线束三维设计的基础。元件库主要用于定义和管理元件的信息和特性，其中包括连接器、导线等。元件库的建立是否完善影响到后续三维设计的效率和品质。

图1 车辆线束的设计流程

开展车辆电线束三维设计需要对插接件和导线进行初步建库，其中包括三维建模与参数定义。以某载货汽车底盘基本型为例，底盘电气系统大约有100多个插接件，如果对其全部建库，则后期装配及定义时的工作量十分巨大，且不利于定义布线操作。因此采取折中的办法，只对需要连接线缆的插座护套、插头护套和片形接头进行三维建模及参数定义，对于插针、盲堵、防水塞等只在分线束图中通过明细指引的方式来明确。为了保证后期布线的正确性与美观性，插接件三维建模完成后要对插接件的每个端口建立坐标系，并保证坐标系的Z轴正向朝外。

插接件创建完成后，需要在Creo环境中创建线束的线轴并配置相应的电气参数。线轴实际是导线、线缆的规格，主要用于定义导线、线缆、护套的电气参数，决定了线缆的外形与表征的物理特征。线轴建库主要规定了线轴的名称、颜色、最小折弯半径、电线直径。表1是线轴常用的电气参数设置，其中Thickness是导线的直径，而Min_Bend_Radius是导线的最小折弯半径，有时为了方便可以将该值设置得较小。

表1 线轴常用的电气参数设置

1.2 布置整车线束背景

元件库建立完成之后，需要对整车布线环境进行布置。①对整车三维总成进行筛检，保留布线需要的总成，最后进行收缩包络；②装配电气元件及布线所需的插接件；③指定装配插接件，对每个插接件的各个入口端坐标进行选定并定义端口类型；④定义线缆参数，定义各个插接件在布线环境中的位置名称，如水位传感器、电磁阀组、左后组合灯等；⑤读入布线所需要的线轴。

在该过程中，步骤②③④较为繁琐。如果有插接件遗漏装配或者入口端坐标没有指定，则无法完成后续的布线操作。完成以上准备工作后进入布线操作。

1.3 布线操作

布线有手动布线和自动布线两种。由于目前电气原理图采用AutoCAD的二维设计，图中没有负载任何电气属性，无法将二维图中的电气信息传送到三维设计中进行自动布线，所以在此布线采用手动布线。手动布线的步骤是选定布线命令后在新建线缆对话框中定义参数，如图2所示。

图2 新建线缆

图2 中布线类型常用的有简单布线、通过网络和沿缆。简单布线是只需要定义起点端和终点端，线缆自动以最短路径布好，这种方法仅适合对于路径没有要求的线缆；通过网络是选取之前建好的布线网络路径，布线网络的建立是根据主线束的通过路径及线束分支的终点环境，这种方法对于车辆线束的三维布线较为常用；沿缆是参考之前相似路径的线缆进行布线，适用于没有建立布线网络却又对路径有要求的线缆。

以某载货汽车底盘电线束为例，按上述方法进行布线后的效果如图3所示，由于线束较长，仅示意线束局部。

图3 W2D三维布线局部示意图

需要注意的是：由于车辆线束导线众多，且路径分散，必须先规划好线缆路径，建立布线网络之后再进行三维布线，注意建立布线网络路径时应保证网络的完整和连续性。布线过程中线轴类型和布线类型一旦选定不可更改。线缆创建完成后如果需要改变路径，除了插入位置改变线缆路径之外没有其他方法，若插入位置不能满足要求，则需要删除该线缆之后重新创建，且一旦完成，后续较难更改。

1.4 完成分线束图

三维布线完成后，要得到可以指导生产的分线束图还需要3个步骤：线缆展平、投二维图、引入导线表。

1）线缆展平的流程如下：①在Creo/Cabling中对线束进行必要的整理。②新建一个Harness的mfg文件。③选择需要展平的Harness，并选择简化表示。④进行线缆的展平操作：在菜单中选择“平整→布局→设置起始点”命令，选择图中的点。布局命令是在布局窗口内展开布线图，按默认的“自动做扇边”选项，输入折弯半径（默认）。⑤选择“平整→元件→装配全部”，将元件全部装配到展平的线缆中。⑥线束展平后，所有的线缆全部散开，需要手动布置移动段将线缆移到各个相连的插接件附近。如图4所示，仅示意局部展平线束。

图4 W2D展平线束局部示意图

2）线束展平完成后，新建绘图，将其投出二维图并显示模型注解。选择“布局→绘图模型→添加模型”，选择投图的线束，并引入导线表模板。

3）最后，在二维图中对各个插接件定义明细注释，至此电线束三维设计工作已经完成。

2 利弊分析

目前整车基本采用全三维设计，只有电线束设计是AutoCAD的二维设计，而二维设计与三维设计没有形成有效结合，因此采用Cabling对电线束进行三维设计也不是有利无弊，下面就来分析一下利弊。

2.1 电线束三维设计的利

车辆电线束采用三维设计主要有以下优点：①可以生成完整的三维模型，不仅包括结构件和电气元件的布置，也包括线缆的进出线方式、线缆在整车的走向、线缆和插接件的选型等。②创建完整的三维布线模型后，设计人员可以直接根据模型进行交流、评估，对设计中存在的问题及时提出意见并进行修改。③线束设计过程中的明细和导线表在三维布线完成后都是可以自动生成的，同二维设计时需要人工统计相比，大大提高了效率及正确率。

2.2 电线束三维设计的弊

车辆电线束采用三维设计主要有以下缺点：①没有自带元件库，需要手动创建各种元件模型，比如传感器、插接件、线缆等。②车辆电线束较多，路径分支较多，三维布线需要花费大量的时间和精力去规划路径。③三维线束完成后需要展平并整理后才能投二维图。线束展平后，所有的线缆全部散开，需要手动布置移动段将线缆移到各个相连的插接件附近。这个过程比较繁琐，且散开的线缆没有导线号，在手动移动段时容易出错。④三维线束投出的二维图比较直观，但相比AutoCAD的二维线束图，后者更接近指导线束生产的钉板图。⑤在三维装配电气元件时，由于对于插接件采取折中办法，只装配需要连接线缆的插座护套、插头护套和片形接头，因此插针、盲堵、防水塞等只能通过在二维图中通过手动添加注释指引的方式来明确。⑥AutoCAD的二维线束图中可以清楚地表达出插接件出线端的点位图，比较直观；三维线束投出的二维图中为了展现线束的整体，比例缩放比较大，基本无法清晰给出插接件的点位图，给指导线束制作造成不便。⑦采用Cabling进行三维设计比AutoCAD的二维设计要花费大量的时间，参见表2。

表2 二维与三维设计花费的时间比较

由表2可以看出，三维设计一个分线束的时间是二维设计一个分线束总成时间的2倍，如果是三维设计一套电线束总成至少需要1个月。

3 改进措施

上述车辆电气系统设计中，电气原理采用AutoCAD二维设计，电线束采用Creo三维设计，使得设计者无法对电气原理进行仿真分析，不能在设计阶段发现一些设计缺陷问题并对其进行优化设计。因此，若要推进电线束全三维设计，就必须考虑如何实现电气二维设计与三维设计的有效结合。国外汽车行业已经全面开始使用E3、CHS等二维设计软件和Catia、Creo等三维设计软件进行车辆电气系统设计和原理仿真处理。国内汽车行业的发展起步较晚，电气系统二维设计与三维设计进行数据交换还没有推广应用，三维电缆设计软件也没有充分利用。后续应尽快推进车辆电气二维与三维设计如何有效结合的研究，从而进一步提高车辆电气系统的设计水平［2］。

4 结论

通过某载货汽车底盘电线束的三维设计可证明，采用三维布线可以生成完整的数字化模型，方便设计人员根据模型进行交流，及时发现设计中存在的问题。但仍存在电气原理缺乏有效监控、数据缺乏有效传递等弊端，因此需要结合电气二维设计软件来推进电线束的三维设计，从而建立一个设计得到有效监控、数据得到有效传输、流程得到进一步优化的车辆电气系统设计平台［3］。

参考文献：

［1］ 邱伟，吁苗.汽车线束的三维布局设计基本原则［J］.汽车电器，2012 （3）：16-18.

［2］ 杨三军，李楠楠.国内汽车电气设计需加快二维与三维的结合［J］.研究与开发，2009 （9）：81-83.

［3］ 贾文勇，杨阳.基于现代高级软件CHS的整车电气系统设计流程［J］.汽车电器，2014（3）：66-69.