汽車線束輕量化的發(fā)展趨勢(shì)研究

劉英莉，張旭，程斌

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

設(shè)計(jì)研究

汽車線束輕量化的發(fā)展趨勢(shì)研究

劉英莉，張旭，程斌

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

當(dāng)前，節(jié)能減排是汽車行業(yè)的重要工作，而輕量化是各汽車生產(chǎn)廠家的重要課題，從線束的總量組成上分析，導(dǎo)線的重量占最大的比例，其次是接插件、線束保護(hù)等?，F(xiàn)當(dāng)今，鋁合金導(dǎo)線、銅合金導(dǎo)線、混合芯導(dǎo)線等越來(lái)越占主導(dǎo)地位，隨之而來(lái)的是小型的接插件及端子，線束保護(hù)的輕量化材質(zhì)替代等。線束的輕量化正與材料科學(xué)接軌，多元化的時(shí)代即將來(lái)臨。

輕量化鋁合金導(dǎo)線；銅合金導(dǎo)線；小型化插件；發(fā)泡技術(shù)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.001

前言

當(dāng)前環(huán)境污染是關(guān)系民生的重大問(wèn)題。對(duì)此國(guó)家在汽車行業(yè)提出了節(jié)能減排的措施及油耗要求。各汽車廠家都致力于降低整車制造成本的同時(shí)降低客戶的使用成本（油耗），輕量化已經(jīng)成為各汽車生產(chǎn)廠家的重要課題，也是各車型能否進(jìn)一步占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵。線束作為整車的重要零部件，占整車總重量的2%，而且隨著汽車電子設(shè)備的逐漸增加而繼續(xù)擴(kuò)大。線束輕量化任務(wù)越來(lái)越被重視，本文從線束的各組成部件分析入手，對(duì)汽車線束的輕量化發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)要闡述。

1、線束的重量組成結(jié)構(gòu)

汽車線束的重量的組成75～80%是導(dǎo)線、15%是端子及接插件、10%是外包材料及其它。

1.1 導(dǎo)線

傳統(tǒng)汽車的導(dǎo)線都是銅合金導(dǎo)線，線徑的使用由0.35～25mm，每輛汽車的導(dǎo)線使用如果首尾相連約2KM。以一輛B級(jí)轎車的重量來(lái)估算，導(dǎo)線的重量約25～30KG，汽車每行駛100KM，車輛將消耗近0.1kg的汽油。

導(dǎo)線做為線束重要的組成者，研究如果選用更輕，更可靠的替代產(chǎn)品成為線束輕量化領(lǐng)域的熱門話題。近幾年來(lái)，鋁導(dǎo)線、特細(xì)導(dǎo)線、合金導(dǎo)線以及混合芯體導(dǎo)線層出不窮，越來(lái)越被線束廠家和主機(jī)廠所重視。

1.1.1 電源線的輕量化方案

電源線因其承載電流大，線徑粗，端子和導(dǎo)線的拉拔力強(qiáng)，所以利用鋁導(dǎo)線代替銅導(dǎo)線的方案被越來(lái)越被線束生產(chǎn)廠家所接受。因?yàn)殇X導(dǎo)線其導(dǎo)線特性和銅比較相近，重量比銅更輕。所以鋁導(dǎo)線的使用前些年已經(jīng)普遍應(yīng)用于2.5mm～50mm的銅合金導(dǎo)線的替代上。此方案比較成熟，輕量化方面取得顯著效果。

1.1.2 信號(hào)線的輕量化方案

雖然銅和鋁的導(dǎo)線性能上比較相近，但是其拉伸強(qiáng)度鋁的性能遠(yuǎn)不如銅。小線徑的輕量化方案，生產(chǎn)廠家采取的方案百花齊放。

（1）0.75mm鋁導(dǎo)線的應(yīng)用

有部分廠家沒(méi)有放棄鋁導(dǎo)線的使用，繼續(xù)研究其合金的拉伸強(qiáng)度是否可以彌補(bǔ)其純鋁導(dǎo)線的不足。例如以某導(dǎo)線生產(chǎn)廠家的鋁導(dǎo)線開(kāi)發(fā)為例。為滿足0.75mm的鋁導(dǎo)線可代替0.5mm的銅導(dǎo)線為目標(biāo)，設(shè)定鋁合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率目標(biāo)滿足58%IACS，拉伸強(qiáng)度目標(biāo)滿足110MPa。雖然純鋁的導(dǎo)電率能達(dá)到62%IACS，但是其拉伸強(qiáng)度只有70MPa。那么就需要在鋁導(dǎo)線內(nèi)增加第二種金屬，最優(yōu)的是Fe，但是分析Fe的比例后發(fā)現(xiàn)滿足導(dǎo)電率的要求后加工性能下降。所以繼續(xù)增加第三種元素，第三種元素既要滿足加工性能對(duì)Fe缺陷的補(bǔ)償即MS要小，又要拉伸強(qiáng)度的固溶量要高，所以Mg恰恰合適。

表1 各元素的Misfit值和最大固溶量

這樣摻有另外兩種金屬的鋁合金就很好的替代了銅合金導(dǎo)線，即在導(dǎo)電率和拉伸強(qiáng)度上滿足了設(shè)計(jì)要求，也大大降低了導(dǎo)線的重量。但是面臨的問(wèn)題卻較為棘手。與之配合的端子及端子的壓接成為新的課題。

CuO和Al2O3的導(dǎo)電率10～7s/cm，都是不導(dǎo)電的物質(zhì)，所以只能通過(guò)壓接破壞其氧化膜來(lái)保證其導(dǎo)電率。但是壓縮比與保持力也存在矛盾，對(duì)于Al合金的導(dǎo)線其合適的壓接區(qū)域比Cu合金導(dǎo)線的區(qū)域更窄，更加不易于操作。所以廠家改善了端子壓接槽形狀來(lái)改善電線保持力和電流連通性能（圖1）。

圖1 壓接條件和阻抗對(duì)比

解決了壓接課題，又面臨著防腐問(wèn)題。鋁的金屬活潑性比銅活潑，所以在與銅端子壓接過(guò)程中，接觸位置容易產(chǎn)生接觸腐蝕。在硫化的環(huán)境下，金屬鋁很容易溶出。為了解決此問(wèn)題，圖2接觸位置（包括壓接部到端子后部）利用樹(shù)脂材質(zhì)熱縮密封能有效的解決此問(wèn)題。

圖2 端子壓接的防腐

（2）銅合金的特細(xì)導(dǎo)線

信號(hào)線的導(dǎo)線利用率一直很低，0.5mm/0.35mm的銅導(dǎo)線可以承受10A左右的電流（環(huán)境溫度24℃），但是信號(hào)線內(nèi)真正流通的電流往往只有幾毫安，這樣資源的浪費(fèi)成為很多線束生產(chǎn)廠家關(guān)注的焦點(diǎn)。0.13mm2、0.08mm2 、0.05mm2導(dǎo)線已經(jīng)問(wèn)世，在多家企業(yè)應(yīng)用。

如何降低線徑，使低線徑的導(dǎo)線既能滿足信號(hào)傳輸?shù)囊?，也能滿足壓接的拉伸強(qiáng)度，端子插入的柱力等是特細(xì)銅導(dǎo)線普遍使用和更廣泛推廣的關(guān)鍵問(wèn)題。為了滿足機(jī)械性能的要求，在銅導(dǎo)線中增加合金同樣是決此問(wèn)題的方法。CuSn、CuAg、CuMg和銅包鋼是這幾年來(lái)各線束生產(chǎn)廠家青睞的產(chǎn)品。

以0.35mm導(dǎo)線與銅合金0.13mm的導(dǎo)線為例，其電氣性能相差不多，但是重量減少了60%，整體外徑也下降了20%。這些數(shù)據(jù)顯示了其優(yōu)秀的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。但是，并不是意味著0.13mm的銅合金導(dǎo)線可以完全替代0.35mm的銅導(dǎo)線。了解物理的都知道，金屬的承載電流能力隨溫度而變化，而且這種變化隨著電阻的增大而更加明顯。一般來(lái)說(shuō)，110度以下的環(huán)境中，0.35mm的銅導(dǎo)線和0.13mm的銅合金導(dǎo)線的性能差異不大，可以再信號(hào)線中替換。所以，這就制約了0.13mm導(dǎo)線的使用環(huán)境，在駕駛室內(nèi)可以普遍使用，但是發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)就需要根據(jù)所處位置仔細(xì)計(jì)算使用了。

雖然，0.13mm的銅合金導(dǎo)線由很大的市場(chǎng)前景，但是其機(jī)械強(qiáng)度和插入插件的柱力都是未來(lái)深入研究的方向。不同于鋁導(dǎo)線的方式，因?yàn)槠渚€徑過(guò)小，其合金內(nèi)即使參入新的合金也很難滿足機(jī)械性能、電氣性能的同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)效益需求。所以有些線束廠家跳出了金屬?gòu)?qiáng)度的限制，在導(dǎo)線的外包上尋求解決方案?？上驳氖?，至今為止很多廠家都需找到了很好的代替資源。

原有導(dǎo)線絕緣層為PVC、XLPE材質(zhì)，內(nèi)部含有鹵素等有毒物質(zhì)。

圖3 PPE與PVC的對(duì)比

近幾年世界環(huán)保組織對(duì)汽車環(huán)保提出再回收的標(biāo)準(zhǔn)后，新型無(wú)鹵素絕緣層被研發(fā)出來(lái) PPE。其成分安全，環(huán)保，又特殊的阻燃性特性。被越來(lái)越多的廠家應(yīng)用。由PVC更改為PPE材料。同規(guī)格的0.35mm導(dǎo)線，直徑降低了27%，面積降低了47%（圖3）。

如果對(duì)銅合金的導(dǎo)線更詳細(xì)的分析，可以知道，CuSn的金屬?gòu)?qiáng)度特性比較優(yōu)秀，CuAg的電氣性能比較優(yōu)秀。這在導(dǎo)線壓接和性能選擇上可以作為不同的參考依據(jù)。

（3）混合材質(zhì)的特細(xì)導(dǎo)線

在成本節(jié)約和能源控制方面日系企業(yè)一直都是實(shí)至名歸的第一位。最早在SUMITOMO研發(fā)的一款0.13mm2導(dǎo)線為最細(xì)的導(dǎo)線，其采取的是用混合材質(zhì)的方式，采用中心為一種銅材質(zhì)，外圍為另外一種材質(zhì)，并且中心和外圍的銅絲線徑也不相同。雖然這種導(dǎo)線也滿足的傳輸?shù)碾娦阅芤螅侨秉c(diǎn)也很明顯：制作工藝繁瑣，生產(chǎn)成本高，不能超聲波焊接，端子的壓接屬于非常規(guī)性壓接，需要特殊設(shè)備。因此當(dāng)時(shí)并未得到推廣。但是現(xiàn)在任有很多廠家在此方面繼續(xù)研究，在更細(xì)的導(dǎo)線上采取此種方案（圖4）。

圖4 混合材質(zhì)的特細(xì)導(dǎo)線

2、接插件的小型化

導(dǎo)線與接插件的發(fā)展一直都是相輔相成的，隨著導(dǎo)線的特細(xì)化發(fā)展，接插件的小型化也越來(lái)越快。各接插件的生產(chǎn)廠家，都大力開(kāi)發(fā)小型化的接插件。自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始0.64片寬的端子就已經(jīng)問(wèn)世。典型的有TE的MQS端子和SUMITOMO的0.64端子。這種小型端子可以使用在信號(hào)傳輸上，可以很大的降低1.5片寬的使用率，直接降低接插件的規(guī)格尺寸。

以某公司的20極0.64雙排插件為例，橫截面積低于同類1.5片寬的插件75%，體積是60%。插件的連接主要性能是老化后接觸電壓降和插件的機(jī)械強(qiáng)度。為了滿足其性能要求，在接插件的自鎖結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計(jì)。在端子的選材上合金的選擇更加嚴(yán)格（圖5）。

圖5 公母端子的拉伸力強(qiáng)度

3、線束保護(hù)的輕量化

線束保護(hù)有很多形式，包括護(hù)板、橡膠件和支架。為了能減低做好輕量化工作，線束的保護(hù)上可以開(kāi)展以下工作：

（1）減少金屬支架的架構(gòu)，采用高強(qiáng)度的塑料護(hù)板替代金屬支架：例如保險(xiǎn)絲盒支架和發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置支架（根據(jù)環(huán)境溫度選擇）。

（2）減少塑料護(hù)板的選擇，利用車身結(jié)構(gòu)、特殊卡丁和固定件替代護(hù)板。

（3）減少波紋管的使用，采用耐磨纖維和布基的纖維管代替波紋管。既可以降低成本，也可以減少噪音。

（4）減少橡膠件的使用，在密封要求不高的位置選用發(fā)泡，替代橡膠件。

（5）線束的布置上盡量減少內(nèi)連接，不僅可以降低接插件的重量，也可以減少接插件固定所需的附屬件重量以及車身結(jié)構(gòu)重量。

4、總結(jié)

本課題對(duì)汽車線束的總量組成部分的入手，分析了輕量化的方向，及行業(yè)也各零部件的輕量化發(fā)展趨勢(shì)。詳細(xì)介紹了導(dǎo)線、接插件、線束保護(hù)等幾方面的技術(shù)發(fā)展方向和技術(shù)難點(diǎn)。對(duì)于汽車線束輕量化課題的深入研究有重大意義。

[1] 蔣兢兢.小截面導(dǎo)線在汽車線束中的應(yīng)用[J].汽車與配件,2014, No32,45.

[2] 尹豪邁.張衛(wèi)東.TE關(guān)于汽車線束及連接器之輕量化解決方案[N]. 2014中國(guó)汽車學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2014CG-VE086,651.

The Development Trend of Wiring Harness Lightweight Research

Liu Yingli, Zhang Xu, Cheng Bin
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

At present, energy conservation and emissions reduction is an important work of the automobile industry, and lightweight is an important topic of the various car manufacturers, from the harness of the total amount of points out, the weight of the conductor accounted for the largest proportion, followed by connectors, wiring harness protection, etc. Now today, aluminum alloy wire, copper alloy wire, mixed conductor, such as more and more dominant, followed by small connectors and terminals, wiring harness protection of lightweight materials substitution, etc. Harness the lightweight is working with the materials science community, pluralistic era is coming..

lightweight aluminum alloy wire; copper alloy wire; Miniaturization of the Connector; Foaming technology CLC NO.:U472.5 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-01-03

U472.5

A

1671-7988(2016)01-01-03

劉英莉，就職于華晨汽車工程研究院。