汽車線束拓撲研究及分析

陳 淳，吳欣宇，單黎婷

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 線束拓撲結(jié)構(gòu)

汽車線束在整車的電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，扮演著重要的角色，整車各類功能的實現(xiàn)，離不開線束的連接。

線束的拓撲結(jié)構(gòu)為線束在整車內(nèi)的布置情況。線束拓撲結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)形式為在整車區(qū)域內(nèi)的連接形式及分段數(shù)量。在確定整車的電氣架構(gòu)和電源分配之后，需要對線束的結(jié)構(gòu)及分段拓撲方式進行設(shè)計。合理的線束分段拓撲將有利于線束的總裝可制造性，也能夠降低線束的生產(chǎn)制造成本。

2 線束拓撲設(shè)計的意義

基于線束的原材料成本，采用一根整體式線束連接整車所有的電氣器件是最優(yōu)的，然而在線束實際生產(chǎn)制造、裝配過程中會受到其他因素的制約。線束的分段拓撲設(shè)計不能一概而論，遵循單一的形式，而是要從整車層面，在滿足預(yù)設(shè)功能的前提下，以最少的原材料使用和最高的生產(chǎn)、裝配效率為目標導(dǎo)向來進行全方位的考量。

遵循易于生產(chǎn)裝配的原則，并且考慮到成捆線束穿線時的最大投影面，四門線束、尾蓋線束、前后保險杠線束一般作為除車身主線束以外的小線束單獨安裝。貫穿發(fā)動機艙和乘客艙的車身主線束總成可以分為3個分段：外艙線束、儀表線束以及內(nèi)艙線束，如圖1所示。

3 典型的線束分段拓撲方式

根據(jù)車身主線束總成的分段，目前汽車市場上各大品牌的汽車線束分段拓撲方式主要可以分為3類，分別是1段式、2段式和3段式車身主線束。

3.1 1段式車身主線束

該拓撲結(jié)構(gòu)將外艙線束、儀表線束和內(nèi)艙線束合為一個整體，從車頭至車尾貫穿整個白車身，如圖2所示。

由于具有較少的接插對接，不必要的連接器和端子等線束散件可以省去，因此，1段式拓撲具有較低的線束原材料成本。但是對于總裝車間流水線而言，整車線束需先通過儀表合裝，再將線束穿至外艙、敷設(shè)至內(nèi)艙進行安裝。

目前德系大眾一些平臺的車型應(yīng)用1段式拓撲，同樣是1段式線束拓撲，外艙應(yīng)用不同類型的熔斷絲盒對應(yīng)了不同的裝配情況。

1）外艙采用固定在蓄電池正極且體積相對較小的主熔斷絲盒或作為一次件 （總裝車間負責(zé)裝配）的發(fā)動機艙熔斷絲盒。這種情況下，在裝配時，先將外艙線束裝入保護套中，隨后從內(nèi)艙穿過前圍板的鈑金孔抵達外艙。在這過程中，外艙線束的最大投影面積受開孔尺寸的限制，即線束最大投影面積需要小于鈑金孔，如圖3所示，其中紅圈處為線束在前圍板的固定位置。

圖3 1段式線束裝配方式 （情況1）

2）外艙采用體積相對較大且作為二次件 （線束供應(yīng)商負責(zé)裝配）的發(fā)動機艙熔斷絲盒，相比于情況1，外艙線束具有更大的投影面積。這種情況下，前圍板需采用分體式的結(jié)構(gòu)。在裝配時，外艙線束先放置在前圍板的外艙側(cè)，接著將其固定在前圍板分體上，隨后通過螺母將前圍板分體固定在前圍板主體上，如圖4所示，其中紅圈處為線束在前圍板的固定位置。

圖4 1段式線束裝配方式 （情況2）

3.2 2段式車身主線束

該拓撲結(jié)構(gòu)有兩種結(jié)合形式，一種是以外艙和內(nèi)艙交界處的前圍板為界，把儀表線束和內(nèi)艙線束合為整體，兩者的線束總成和外艙線束通過接插對接，2段式車身主線束 （獨立外艙線束）如圖5所示。

圖5 2段式車身主線束 （獨立外艙線束）

目前德系大眾一些平臺的車型應(yīng)用該線束拓撲分段方式。獨立外艙線束的2段式拓撲相比于1段式拓撲，將車身主線束在前圍板兩側(cè)打斷，因此增加了接插對接的數(shù)量，導(dǎo)致線束的原材料成本、生產(chǎn)物流成本有所上升。然而，受益于獨立外艙線束的設(shè)計，前圍板鈑金結(jié)構(gòu)可以從分體式優(yōu)化為整體式，如圖6所示。這樣一來，鈑金的成本得以降低，方案的總體經(jīng)濟性優(yōu)于情況2的1段式拓撲。

圖6 2段式線束拓撲對應(yīng)的整體式前圍板

另一種是將儀表線束作為獨立總成，把外艙線束和內(nèi)艙線束合為整體，兩者的總成和儀表線束之間通過接插對接。這種情況下，可以在儀表供應(yīng)商處預(yù)先完成儀表線束的裝配，對于總裝車間而言，可以減少流水線工位的操作工時，但需要進行外艙穿線。目前德系大眾、奧迪某平臺的車型應(yīng)用該線束拓撲分段方式，如圖7所示。

圖7 2段式車身主線束 （獨立儀表線束）

3.3 3段式車身主線束

該拓撲結(jié)構(gòu)不合并任何一個分段的線束，外艙線束、儀表線束、內(nèi)艙線束分別為獨立的線束總成，總成之間使用接插對接，3段式車身主線束如圖8所示。

圖8 3段式車身主線束

3段式拓撲相比于1段式拓撲，將車身主線束打斷為3部分，接插對接多了數(shù)組，更進一步引起線束原材料成本、生產(chǎn)物流成本的上升。但是對于總裝車間流水線而言，可以避免儀表合裝、前艙穿線的安裝方法。裝配時，先進行內(nèi)艙線束和外艙線束的安裝，完成接插對接，再將儀表線束隨儀表總成裝入車內(nèi)，隨后完成和內(nèi)、外艙線束的接插對接，總裝可制造性得到進一步提升。目前市場上日系車SUV、美系車如別克GL8，以及國內(nèi)自主品牌如長城、比亞迪等一系列車型應(yīng)用該線束拓撲分段方式。

1）自主品牌長城H6、某日系SUV為3段式拓撲。整車接插對接的數(shù)量約為30。布置形狀為左右對稱的H型，內(nèi)艙線束通過中央通道左右相連。

2）自主品牌比亞迪-唐為3段式拓撲。整車接插對接的數(shù)量約為36。外艙和內(nèi)艙線束為環(huán)型結(jié)構(gòu)，首尾對接相連，避免繞線，走線更靈活，有利于減少導(dǎo)線長度。

3）美系別克GL8為3段式拓撲。整車接插對接的數(shù)量約為32。但與常規(guī)的3段式不同，由于外艙體積較小，內(nèi)艙線束直接經(jīng)過前圍板連接到發(fā)動機艙熔斷絲盒，因此內(nèi)艙線束整體偏大。整車線束是一大多小的結(jié)構(gòu)。

4 線束拓撲設(shè)計的原則

整車內(nèi)并不只有汽車線束一個總成零件，還包括動力總成、車身鈑金、內(nèi)飾等周邊零件。從整車層面來看，車身主線束總成的拓撲設(shè)計原則，主要和工廠總裝車間的人機工程可制造性、原材料成本、整車結(jié)構(gòu)性能等方面有關(guān)。

此外，線束的拓撲設(shè)計需要在項目前期的總布置階段介入。總布置階段的時間節(jié)點一般在項目批量生產(chǎn)前的兩年半，如果線束的拓撲設(shè)計介入較晚，周邊其他環(huán)境零件的技術(shù)狀態(tài)則會鎖定，也就不會留有考慮線束拓撲的余地，這一點對主機廠開發(fā)全新平臺，或者中方的平臺尤其重要。

在項目的總布置階段進行整車線束拓撲的設(shè)計時，需要對下述幾個點進行分析，從而綜合考量線束的拓撲方式。

4.1 總裝車間可制造性

線束拓撲的分段越多，流水線工位的操作工時越少，更易于總裝車間的裝配，從而提升車輛制造的節(jié)拍及產(chǎn)線效率。

對于具有較大投影面積的1段式線束拓撲，為便于車間進行裝配，會將前圍板鈑金分為兩個部分。通過前圍板分體式結(jié)構(gòu)和整體式的各參數(shù)差異對比，得出如表1結(jié)果。

表1 前圍板分體式和整體式結(jié)構(gòu)的各參數(shù)對比

可見，從總裝可制造性的角度，相比于分體式結(jié)構(gòu)，前圍板采用整體式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，將會減少車間的裝配時間，并省去了額外的設(shè)備投資費用，因為不需要再將分體鈑金固定在主體鈑金上，從而提升了現(xiàn)場安裝的可制造性和效率。

對于需要進行外艙穿線的線束拓撲方式而言，前圍板鈑金孔的大小，主要是由外艙線束的最大投影面積決定，即發(fā)動機艙熔斷絲盒的體積投影。在保持整體式前圍板鈑金不變的條件下，可以考慮將發(fā)動機艙熔斷絲盒從二次件改為一次件，這樣可以縮小線束最大投影面積，使線束回歸到情況一的1段式線束拓撲設(shè)計，從而提升整車的經(jīng)濟性，但需要對發(fā)動機艙熔斷絲盒進行設(shè)計，降低其和線束總成的集成度。

4.2 線束原材料成本

和1段式線束拓撲相比，2段式和3段式線束拓撲擁有更多用于接插對接的連接器。通過3段式和一段式線束拓撲接插對接的各參數(shù)差異對比，得出如表2結(jié)果。

表2 多接插對接和無接插對接的各參數(shù)對比

可見，由于接插對接數(shù)量的增加，3段式線束拓撲不論是在線束原材料成本方面，還是在物流成本方面，都要高于1段式線束拓撲。

現(xiàn)以市場上某一車型為例，評估其接插對接帶來的成本。某車型線束的分段數(shù)量產(chǎn)生了20組接插對接連接器，一組連接器的價格約為2元，那么就產(chǎn)生了每車40元的線束原材料成本。除此之外，再加上物流排序、包裝及運輸?shù)馁M用，會產(chǎn)生每車約20至30元的管理成本。這樣一來，單車成本增加的估算值約為60元，該成本增加值對于使用車輛的客戶群體而言，是不具有任何價值的。若該車型一年的產(chǎn)量為一百萬輛，則會產(chǎn)生多達6000多萬的對客戶沒有額外價值的冗余成本。

4.3 整車結(jié)構(gòu)及性能效益

對于應(yīng)用體積較大的發(fā)動機艙熔斷絲盒且需要進行外艙穿線的線束分段拓撲而言，如果應(yīng)用整體式前圍板的結(jié)構(gòu)，則需要開一個大于線束最大投影面積的孔。從車身結(jié)構(gòu)的角度而言，過大的前圍板鈑金孔，會降低整車結(jié)構(gòu)的剛度，對于發(fā)生碰撞的車輛而言，所承受的強度將會變低。另外，從汽車NVH（噪聲、震動、聲振粗糙度）的角度而言，過大的前圍板鈑金孔，會將汽車行駛過程中在外艙產(chǎn)生的各種噪聲更多地傳至內(nèi)艙，從而影響駕乘人員的駕駛體驗及整車品質(zhì)的性能指標。

此外，對于這種情況，采用分體式前圍板鈑金結(jié)構(gòu)不會影響整車結(jié)構(gòu)的剛度以及NVH性能。但是，從鈑金零件的角度，相比于分體式前圍板，整體式前圍板將會降低鈑金零件的成本，可以為整車帶來良好的經(jīng)濟效益，將會減輕整車的質(zhì)量，提升車輛的排放及燃油經(jīng)濟性能，從而為整車帶來良好的環(huán)境效益。

4.4 線束供應(yīng)商的生產(chǎn)能力

多段式車身主線束，相比于合為1段式，每一段線束具有更小的體積，對于線束供應(yīng)商而言，更易于生產(chǎn)。這是因為線束的生產(chǎn)模具為工裝板，如果是1段式的車身主線束，則需要使用更大、更長的工裝板進行生產(chǎn)制造，對線束供應(yīng)商生產(chǎn)工廠的流水線、設(shè)備、工藝、人員等各方面的實力水平和管控提出了更高的要求。

5 總結(jié)

本文先是介紹了線束拓撲的概念，接著闡述了線束進行分段拓撲設(shè)計的意義，再以市場上的不同車型為例，分析了不同拓撲方式在總裝可制造性、原材料成本等方面的優(yōu)劣點，并且分解了在進行線束拓撲設(shè)計時需要考量的點，為前期線束的設(shè)計起到了指導(dǎo)作用。

本文通過對汽車線束拓撲的研究和分析，得出如下結(jié)論。

1）對于緊湊型、材料成本導(dǎo)向的車型，可以應(yīng)用1段式的線束拓撲方式，但對生產(chǎn)工廠的流水線具有較高的要求。

2）對于已經(jīng)擁有成熟運作體系的生產(chǎn)工廠，應(yīng)用2段式、3段式的線束拓撲方式可以提升總裝裝配效率，但會引起線束原材料成本的上升。

線束的結(jié)構(gòu)拓撲方式并不能一味地以單一的視角對其進行評價，每一種拓撲分段方式都有其優(yōu)勢，針對不同的車型，需要在實現(xiàn)預(yù)設(shè)功能的前提下，結(jié)合總裝可制造性、原材料成本、車身結(jié)構(gòu)及性能等因素對其進行綜合考量，最終設(shè)計出適合該車型的最佳線束拓撲結(jié)構(gòu)。