汽車發(fā)動(dòng)機(jī)線束的精益設(shè)計(jì)

張 倩，韓 慧，張 瑩，周在芳

（中國重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心汽車電子設(shè)計(jì)部，山東 濟(jì)南 250101）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的電子控制系統(tǒng)可分為傳感器、控制器和執(zhí)行器3個(gè)部分，傳感器采集各種信號(hào)，然后輸入控制器，控制器在接收到信號(hào)后，經(jīng)過分析處理，會(huì)及時(shí)發(fā)出指令給執(zhí)行器。而發(fā)動(dòng)機(jī)線束就是連接發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器、執(zhí)行器、控制器之間的電線路，如果發(fā)動(dòng)機(jī)線束出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致控制器無法正常工作，影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響整車工作。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)上電器件越來越多，發(fā)動(dòng)機(jī)線束隨之也越來越復(fù)雜，因此，線束設(shè)計(jì)在汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造中受到越來越多的關(guān)注。

1 電源和搭鐵的分配設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的供電系統(tǒng)和搭鐵

發(fā)動(dòng)機(jī)的供電系統(tǒng)主要包括控制器ECU供電、傳感器供電、起動(dòng)機(jī)供電和蓄電池充電。

1）ECU供電ECU （Engine Control Unit） 是發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，其功能是采集各傳感器輸入信息，進(jìn)行運(yùn)算、處理、判斷，然后輸出指令控制執(zhí)行器工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)處在最佳的工作狀態(tài)，被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的“大腦”。為保證ECU工作可靠性，ECU的供電線路中應(yīng)該盡量少的加以控制，確保即使發(fā)動(dòng)機(jī)或者整車電路其他部位出現(xiàn)故障時(shí)，也能保證ECU不斷電。因此，ECU一般是從蓄電池直接供24 V電 （稱為常電），不受電源總開關(guān)和整車其他開關(guān)的控制。

2）傳感器供電目前應(yīng)用的傳感器基本為5 V供電，均為ECU內(nèi)部產(chǎn)生，供電線路從ECU直接到傳感器相應(yīng)引腳，不需要外部接入。

3）起動(dòng)機(jī)供電發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的時(shí)候，由起動(dòng)機(jī)工作帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于起動(dòng)機(jī)內(nèi)阻很小，起動(dòng)電流往往很大，這個(gè)電流由蓄電池直接向起動(dòng)機(jī)提供。因此，起動(dòng)機(jī)的供電線路是蓄電池直接連接起動(dòng)機(jī)正極接線柱。

4）蓄電池充電車輛起動(dòng)時(shí)，由蓄電池向起動(dòng)機(jī)供電。車輛正常運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，發(fā)電機(jī)發(fā)出來的電，一部分會(huì)對蓄電池充電，一部分提供給整車駕駛室供電。充電線路上，可根據(jù)需要，串接熔斷器或者繼電器加以保護(hù)。

搭鐵，實(shí)際上就是選定整車車身為零電位點(diǎn)。搭鐵線是構(gòu)成汽車電路回路的一部分，在汽車電路中起著十分重要的作用。由于發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU對整車性能和安全影響很大，且易受其他用電設(shè)備的干擾，因此它的搭鐵點(diǎn)一定要單獨(dú)設(shè)定。同時(shí)，為減少導(dǎo)線的電壓降，應(yīng)選擇就近搭鐵。目前，根據(jù)上述要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上設(shè)置了專門的搭鐵點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)線束中ECU搭鐵線通過孔式接頭，直接接到搭鐵點(diǎn)上，并通過底盤相應(yīng)線束，直接過渡到蓄電池負(fù)極。圖1為電源和搭鐵分配圖。

圖1 電源和搭鐵分配圖

1.2 線路保護(hù)設(shè)計(jì)

針對目前應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)線束，線路保護(hù)設(shè)計(jì)主要指導(dǎo)線的合理選擇、線路上防護(hù)材料的應(yīng)用，以及線路上串接熔斷絲的選擇。

1）導(dǎo)線線種的選擇 根據(jù)整車應(yīng)用市場的標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的線種，目前，發(fā)動(dòng)機(jī)線束大多選擇德標(biāo)線束，類型為FLR9Y-B單芯無屏蔽薄壁聚丙烯絕緣低壓電線，導(dǎo)體為多股絞合軟裸銅線，絕緣采用無鹵阻燃材料，具有優(yōu)良的耐油性及可靠性。

2）導(dǎo)線截面積的選擇 在確定線種之后，要根據(jù)導(dǎo)線電壓降、負(fù)載功率和導(dǎo)線發(fā)熱等因素，確定導(dǎo)線的截面積。導(dǎo)線截面積的計(jì)算公式為：

式中：A——導(dǎo)線截面積，mm2；I——電流，A；ρ——銅導(dǎo)線電阻率；L——導(dǎo)線長度，m；Ud——導(dǎo)線允許的電壓降，V。

為避免導(dǎo)線過度發(fā)熱，應(yīng)考慮電流密度，計(jì)算公式為：

表1為德標(biāo)FLR9Y-B導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及電流密度。

當(dāng)然，在平時(shí)的線束設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接選擇導(dǎo)線的截面積，一般長時(shí)間工作的電器設(shè)備可選擇實(shí)際載流量60%的導(dǎo)線，短時(shí)間工作的電器設(shè)備可選擇實(shí)際載流量60%~100%的導(dǎo)線。即普通的傳感器信號(hào)線，一般選擇截面積0.5mm2的導(dǎo)線；電源線或者搭鐵線，一般選擇截面積2.5mm2的導(dǎo)線。

表1 德標(biāo)FLR9Y-B導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及電流密度

3）導(dǎo)線耐溫等級(jí)的選擇 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)線束的工作環(huán)境溫度，并結(jié)合商用車汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，要求普通導(dǎo)線長期工作溫度-40~125℃。如果有特殊使用環(huán)境的要求，就需要選擇特殊類型的導(dǎo)線，比如在加熱裝置工作的時(shí)候，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣加熱側(cè)周圍輻射溫度達(dá)到200℃以上，可選擇耐高溫導(dǎo)線。

4）防護(hù)材料 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)線束外部一般由波紋管 （圖2）、PVC管 （圖3）、熱縮管 （圖4）、膠帶等防護(hù)材料做基本包扎防護(hù)，應(yīng)用卡扣、扎帶、支架等作為固定線束防護(hù)材料。每種防護(hù)材料都具備自身特性功能，要實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)設(shè)計(jì)，需要結(jié)合實(shí)際線束應(yīng)用環(huán)境，了解并正確應(yīng)用各種防護(hù)材料。

圖2 波紋管

圖3 PVC管

圖4 熱縮管

發(fā)動(dòng)機(jī)線束防護(hù)材料應(yīng)用最多的是波紋管，套在線束外側(cè)保護(hù)線束不受劃斷，其特點(diǎn)是耐磨性好、柔韌性好，并有一定的防撞擊作用和彎曲性，且安裝方便。波紋管中，線束填充率應(yīng)該保持在60%左右，線束過密會(huì)導(dǎo)致線束在波紋管內(nèi)部產(chǎn)生磨損。普通波紋管一般長期工作溫度為-40~120℃，短期最高可達(dá)到150℃，阻燃等級(jí)UL94-HB，可耐受發(fā)動(dòng)機(jī)上高溫、高震動(dòng)的惡劣環(huán)境。當(dāng)線束必須從熱輻射溫度較高的位置走線時(shí)，波紋管外部可裹纏隔熱材料（圖5），防止波紋管被烤壞。目前使用的閉口波紋管，防護(hù)效果更佳，且外觀更美觀。

圖5 隔熱材料

目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)向緊湊型發(fā)展，波紋管的彎曲性畢竟有限，在發(fā)動(dòng)機(jī)某些狹小的空間無法實(shí)現(xiàn)走線要求，因此，這些部位需要用PVC管來代替。PVC管主要成分為聚氯乙烯，基本防護(hù)功能跟波紋管差不多，只是因?yàn)楸旧碣|(zhì)地比較軟，因此柔韌性和彎曲行更好，耐高溫性能卻不及波紋管，適用于一些狹小空間布線，線束彎折要求高的位置。

熱縮管也是一種常用的防護(hù)材料，它是一種特制的聚烯烴材質(zhì)的熱收縮套管，外層采用優(yōu)質(zhì)柔軟的交聯(lián)聚烯烴材料及內(nèi)層熱熔膠復(fù)合加工而成，外層材料有絕緣防蝕、耐磨等特點(diǎn)，內(nèi)層有低熔點(diǎn)、防水密封和高粘接性等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用較多的是雙臂熱縮管，主要應(yīng)用在線束中卯連接點(diǎn)，側(cè)重于密封防水。同時(shí)，膠帶是最基本、應(yīng)用范圍最廣的線束防護(hù)材料，具備耐溫、耐磨、耐油污、絕緣等特點(diǎn)；根據(jù)線束的防護(hù)要求不同，可以進(jìn)行全纏、點(diǎn)纏。

發(fā)動(dòng)機(jī)線束裝配時(shí)，波紋管之間通過卡扣連接，線束分支的固定通過扎帶來完成，扎帶的作用是緊固線束，并使其牢固可靠地固定在缸體或者支架上，防止線束振動(dòng)、移位或者干涉而損壞線束。

5）線路熔斷絲的匹配選擇 熔斷絲或者熔斷片通常會(huì)串接在線路中，目的就是對線束和用電設(shè)備加以保護(hù)，此種保護(hù)一般指的是過電流保護(hù)，當(dāng)有不允許的大電流通過時(shí)，可使線路及時(shí)斷開，保護(hù)其他部件不會(huì)被燒壞。對于發(fā)動(dòng)機(jī)線束，在選擇熔斷絲或者熔斷片的時(shí)候，像發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、駕駛室電器系統(tǒng)，對整車性能影響很大，必須單獨(dú)串接熔斷絲，而且熔斷絲盡量靠近電源器件，比如發(fā)電機(jī)、蓄電池等；易受其他設(shè)備干擾的電器件，必須單獨(dú)設(shè)置熔斷絲；在熔斷絲或者熔斷片熔斷之前，線束絕緣層不能被熔化或者燃燒。

熔斷絲的選擇，必須考慮負(fù)載的電流特性、熔斷絲的工作環(huán)境，如果熔斷值選擇過小，熔斷絲則很容易熔斷，系統(tǒng)沒辦法正常工作；選擇過大，既是一種浪費(fèi)，也無法起到保護(hù)線路的作用。熔斷值的選擇，可參考以下公式：

式中：If——熔斷絲的額定電流理想值；In——正常工作電流值；RR——環(huán)境溫度折減系數(shù)；0.75——負(fù)載特性系數(shù)。其中，In=P／Un，可根據(jù)負(fù)載的功率和額定工作電壓求出，再通過熔斷絲的溫度折減率曲線得到該熔斷絲工作環(huán)境溫度下的溫度折減率值，將In、RR帶入公式 （3），就可以算出If，最后在熔斷絲規(guī)格表里選擇與If相同或者稍微大一點(diǎn)的額定電流值對應(yīng)的熔斷值。

1.3 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

隨著電控發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用越來越廣，發(fā)動(dòng)機(jī)上電器件越來越多，電器件本身的輻射以及相互之間的干擾，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)本身的背景噪聲越來越高，電磁污染越來越嚴(yán)重，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。線束產(chǎn)品用來傳輸電壓和各種電信號(hào)，相當(dāng)于一個(gè)大型的“天線”，也為電磁干擾提供了傳播的媒體和通道。如何提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)線束抗電磁干擾能力，也成為一個(gè)重要課題。

要避免干擾，首先想到的就是“屏蔽”，屏蔽就是利用金屬屏蔽體，隔離電磁場的干擾，既可以防止外來電磁場干擾，又可防止本身電磁場輻射對外界的干擾。對于發(fā)動(dòng)機(jī)線束，目前的電磁屏蔽方式大多為靜電屏蔽，多用在線束外部裹纏屏蔽膠帶的方式來實(shí)現(xiàn)，并通過屏蔽膠帶搭鐵的方法，把多余的電荷傳送到大地中去。對于屏蔽要求比較高的場合，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、傳感器的線束連接器以及線束對接點(diǎn)均會(huì)采用金屬外殼，與屏蔽膠帶連接，這樣會(huì)保障線束每個(gè)分支點(diǎn)的屏蔽效果。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)線束的布置

2.1 線束走向的注意事項(xiàng)

在有限的發(fā)動(dòng)機(jī)空間內(nèi)，合理布線極為重要，走線混亂既不美觀，也會(huì)產(chǎn)生不必要的干擾，影響性能，同時(shí)也不便于后期的故障檢查和維護(hù)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)線束走向需要注意以下幾點(diǎn)：①線束走向應(yīng)沿著發(fā)動(dòng)機(jī)的邊、槽等部位，以避免線束承受壓力；②線束走線時(shí)，應(yīng)避免缸體或部件中過尖或者銳邊部位，防止線束波紋管磨損；③布線時(shí)盡量避開或者遠(yuǎn)離熱源，布線時(shí)應(yīng)避開燃油管路，無法避開時(shí)，可采用高溫導(dǎo)線或者隔熱材料；④傳感器或者執(zhí)行器接插件避免垂直走向，以防水防塵；⑤線束固定應(yīng)保證間隔150mm捆扎固定一次；⑥線束走向應(yīng)與依附件方向一致，主線束盡量避免斜方向布置。

2.2 線束布置的注意事項(xiàng)

1）所有線束的連接器應(yīng)布置在伸手可及的位置，且連接器末端應(yīng)預(yù)留一定的線束長度，便于插拔。

2）熔斷盒的線束要留有足夠的余量，以方便熔斷盒拆卸。

3）在同一部位的連接器應(yīng)用顏色、大小、內(nèi)部定位等方法，防止錯(cuò)裝。

4）在部分位置為了保持線束與周邊的間隙，使用支架或者夾板，以保證線束不變形。

5）發(fā)動(dòng)機(jī)上方線束，如電源線、搭鐵線等，如果太亂，可開發(fā)線束分線盒，集中在盒內(nèi)布置和走線，同時(shí)熔斷絲也可以放置在分線盒內(nèi)，避免放置在外部導(dǎo)致進(jìn)水短路。

3 結(jié)束語

實(shí)踐證明，通過上述線束精益設(shè)計(jì)方案，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)線束的綜合性能，同時(shí)，該方案已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)線束的生產(chǎn)和應(yīng)用中得到驗(yàn)證，整體工作安全可靠，完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的要求。