 Open Journal of Transportation Technologies 交通技术, 2013, 2, 190-194 http://dx.doi.org/10.12677/ojtt.2013.23035 Published Online July 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ojtt.html) Lightweight Application Analysis on Automotive Wiring Harness Technology Yimin Shi Department of Automotive Engineering, Shanghai Communications Polytechnic, Shanghai Email: shiyiming858@163.com Received: Jan. 20th, 2013; revised: Apr. 15th, 2013; accepted: May 5th, 2013 Copyright © 2013 Yimin Shi. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The automobiles have become one of the main pillars of our national economy. We have put a higher demand on the progress of automotive technology; less fuel resources and higher fuel prices became main factors. The lightweight body is an important means to achieve this indicator. This paper focused on automotive electrical components’ cable assembly, proposed the four cable assemblies technical solution and demonstrated this solution. Keywords: Cable Assembly; Lightweight Technology; Measures 轻量化在汽车线束技术中的应用 施一敏 上海交通职业技术学院汽车工程系，上海 Email: shiyiming858@163.com 收稿日期：2013 年1月20日；修回日期：2013 年4月15 日；录用日期：2013年5月5日 摘 要：汽车工业已成为我国国民经济的主要支柱之一，时代的发展对汽车技术的进步提出了更高要 求，燃油资源的紧缺和燃油价格的上涨，对汽车燃油经济性的要求越来越高，而车身轻量化是实现或 优化这一指标的重要手段。本文以汽车电器部件的线束为重点研究对象，提出了四种线束轻量化的技 术设计方案并加以论证。 关键词：汽车线束；轻量化技术；措施 1. 引言 汽车的轻量化技术一直是一个汽车界研究的热 点，面对当前的石油危机和环境尾气污染，减轻汽车 车身质量是降低油耗和减少排放的最有效措施之一 [1,2]。减轻汽车车身机械重量固然重要，但现代汽车的 构成中电气设备的比重越来越大，作为汽车神经系统 的线束是电气设备中重要的组成部分，是绝不可忽略 的。汽车线束的轻量化技术就是将线束及相关的部件 的质量降低下来，能够有效降低整车的重量，达到 提高燃油经济性和减少排放的目的[3,4]，并且在汽车的 其他使用性能方面也得到提升，同时它还可以降低线 束的成本，使汽车成为大众化的产品。 李白在《线束系统的轻量化发展趋势》介绍了德 尔福派克电子/电气系统在汽车线束研发目标也是更 细、更轻、更薄[5]。德尔福公司的 0.13 mm细线径导 线和铝导线；外径相比减少 40%，单根导线重量减轻 了66%，这不仅减轻线束重量节约能耗，也便于布线。 李光耀在《我国汽车用电线束现状及发展趋势》指出[6]， Copyright © 2013 Hanspub 190  轻量化在汽车线束技术中的应用 多路传输技术使线束的接线简化，结构紧凑，既可减 轻重量，又能降低成本，由于信息是被广泛的共享而 不是简单的复制。因此，对于故障的诊断更加准确， 工程更改更加快捷，缺陷的维修更加方便[7-9]。 汽车线束的轻量化目前主要有几种技术手段：第 一，优化设计，降低电源回路线径；第二，导线截面 小型化；第三，新材料应用，采用质量轻成本低的其 他替代导体；第四，电子电器构架的优化设计，本文 将就这几种技术手段展开具体的论述。 2. 汽车线束的轻量化方案 线束是连接汽车各用电器及控制开关模块的电 器配件部分，它是汽车中的关键电气零部件。 线束的组成部件很多，大体上可以分为 9大类(如 图1所示)，包括导线、插接件、保护导槽、胶带、保 险丝盒、线扎、橡胶件、保护套管、光纤和数据线等。 其中导线和插接件占据了绝大部分的重量。导线既要 满足用电设备的电气特性，同时还需要满足车辆运行 的机械特性，各个零件还得满足在车辆上的安装要 求。 汽车线束设计时应该从以下几个方案来考虑轻 量化改进和设计。 1) 优化线径 在设计线束的时候，线径的选择是非常重要的问 题。在长度一定的情况下，其重量取决于线径大小。 一套整车线束可以有上千根导线组成，因此控制线径 大小，可以在一定程度上控制线束的重量。 导线的选择主要根据用电设备的负载电流的大 小来选择其线径；同时导线的选择根据车身使用位置 的不同而不同，导线耐电流的情况和导线所在环境温 度有很大关系。例如对于发动机前舱内使用的导线应 该是耐高温、耐油、耐震动、耐摩擦性能好；对于室 内使用的导线则耐温的要求可以相对低一些；对于车 门内线束对耐弯曲性能要求需要高一些。所以导线线 径的选择还应根据导线所装配的区域温度及导线的 长度来做调整。 线束的设计时线径有一定的标准要求，现在国际 上比较普遍的有三个汽车用电线的标准：德国汽车工 业标准 ISO(也是 DIN标准)、日本工业标准 JASO、 美国汽车工业标准SAE 。不同的标准导线其相关电气 Figure 1. The components of automobile harness 图1. 汽车线束的组成部件 参数和物理参数要求也有所不同[10,11]。 我国的汽车工业起步较晚，虽然有汽车用导线的 国家标准，但标准不够完善，所以现在国内的各大整 车厂所采用的导线标准也很不完善。有些公司选用的 标准不符合实际情况，甚至在某些车型上有不同标准 混用的情况，线径的选择也比较混乱，造成很大的浪 费甚至有一定的安全隐患。所以在设计选用导线之前 需要定义好所参考的标准。 在实际设计工作中，线束设计师常常为了保证万 无一失而有过度设计的情况。比如设计线束时会考虑 载流量已经是在70℃时的载流线径，而实际车辆的运 行中，除发动机舱外的区域一般是在常温下运行，或 者短时间高温运行，所以对发动机舱外的线束可以参 考试验中的 20℃或 30℃时的载流量数据。如某用电 器的电流最大不过 5 A，计算使用的是 0.75 mm2的导 线，但实际上使用 0.35 mm2的导线已经足够，即使考 虑回路处于高热、高振动或经常移动等不利环境下， 需要加强导线强度，也只需使用0.5 mm2的导线。 为避免以上这些混乱标准和过度设计的使用情 况，需要在设计之初就应仔细论证，确定合理的线径， 并借助实验室和试装车等手段验证设计的合理性。并 在改型时，再次修正设计，去除各种过设计情况，尽 量减小线径，达到轻量化的需求。 还有一种比较好的方案是建立数据库模型，中间 确定相关的导线标准，功能件的运行参数，导线在线 束中的理论长度等等，以使设计师在设计之初对线径 的定义做出相对准确的判断。 同时因为导线线径的计算和电流大小、导线材质 以及实际所处环境都有关系，计算相对理论化，如要 Copyright © 2013 Hanspub 191  轻量化在汽车线束技术中的应用 获得更为准确的结果还可通过试验获得数据。在实际 样车中还要做整车的电器测量，然后根据实际的测量 结果对导线的选择再做优化，降低不必要的线径等 等。这样的设计验证过程基本保证在车辆上市之前的 线束设计达到最优，有效的降低整车的重量，同时节 约了成本，保证电器系统的安全性。 2) 导线截面小型化 现代汽车的整车电气系统是一个十分复杂的系 统，其线束除了有电源回路以外，还有很多信号回路。 这些信号回路通常电流都比较小，很多信号回路采用 0.35 mm2线径的导线即可满足需求。 随着新技术的发展，一种新型的合金细导线可以 用来替代传统的铜导线，减轻了线束的重量。例如现 在应用比较多的合金细导线有FLRY CuSn03 0.13 mm2、FLRY CuAg01 0.13 mm2和FLRY CuMg02 0.13 mm2等。这些导线在单位长度的重量下降了60%，线 径下降了60 %多，抗拉强度虽然有所下降，但可以满 足绝大部分的区域应用。线束中信号回路数量的比重 比电源回路所占比重要大，因此如果信号线能采用合 金细导线，则线束能在很大程度上减轻重量，又是线 束轻量化的一个很好的发展方向。 由表 1可见，合金导线除了电阻以外其余指标都 有很大改善。信号线的电流很小，而且汽车线束本身 长度有限，所以即使电阻增加到 170 /km 所造成的 回路电能和电压降损耗也非常小，几乎可以忽略，不 会出现什么不良影响。而真正会影响线束质量、值得 我们关注的是导线的强度。原先是考虑根据电气特性 只需 FLRY 0.35 mm2的常规导线即可，通常考虑到其 强度较低，而它所通过的地方又处于对导线强度要求 较高的环境，最后采用的是FLRY 0.5 mm2常规导线。 但普通 FLRY 0.35 mm2导线只有 75N的拉伸强度，而 0.13 mm2合金细导线的拉伸强度都高于 100 N，能够 满足的拉伸强度更高，所以在多数情况下使用这种 0.13 mm2合金细导线即可满足需求。 但是使用新型合金细导线还需要考虑另一个技 术问题，端子压接的工艺是否能够满足需求。当导线 线径非常细小的时候，端子压接的质量控制就比较困 难。压接质量评判的参数有剖面、拉脱力、SMBT(Slow Motion Bending Test)等等。但是通过反复的试验论证， 目前能得到一个最佳的压接效果。 表2是FLRY CuSn03 0.13 mm2导线对于部分端 Table 1. The comparison of several alloy w ire and traditional FLRY 0.35 mm2 表1. 几种合金导线和传统 FLRY 0.35 mm2导线的比较 线种 (FLRY) 0.35 mm2 CuSn03 0.13 mm2 CuAg01 0.13 mm2 CuMg02 0.13 mm2 导线截面积 0.35 mm2 0.13 mm2 0.13 mm2 0.13 mm2 变化率 65% 65% 65% 强度 >75 N >100 N >100 N >100 N 变化率 33% 33% 33% 电阻 54.4 /km170 /km 160 /km 170 /km 变化率 213% 194% 213% 外径 1.33 mm 1.05 mm 1.05 mm 1.05 mm 变化率 20% 20% 20% 线重 4.5 kg/km1.8 kg/km 1.8 kg/km 1.8 kg/km 变化率 60% 60% 60% Table 2. FLRY CuSn03 0.13 mm2 crimping effect evaluation form 表2. FLRY CuSn03 0.13 mm2导线压接效果评价表 端子 Tyco MQS(2141824) Kostal MQ 06(10019528) Delphi DSQ 150 (13804118) 测试项目 剖面 拉脱力(>50 N)71~78 N 66~76 N 87~95 N SMBT(<30 mOhm)<30 mOhm <30 mOhm <30 mOhm 子的压接效果评价表。由表可见，压接后拉拔力都明 显高于标准要求的 50 N，而SMBT 也能小于 LV 214 规定的 30 mOhm。据工厂统计数据：在Komax 自动 压接机上压接 0.13 mm2，断料时铜丝和绝缘层无损 坏，切断干净利落，完全符合质量标准，表现相当于 FLRY 0.35 mm2。 由此可见，用 0.13 mm2的合金细导线替代传统的 0.35 mm2导线能够减轻线束的重量在技术上是可行 的，是具有实际意义的方案。现在在 0.13 mm2的基础 上已经研发出了更细更轻的0.09 mm2导线。当然加工 工艺也会相对较难，目前的成本还比较高。 3) 新材料应用 a) 铝导线 所有整车线束中蓄电池线束虽然简单，但其使用 大截面的导线和承载大电流的端子，所以重量较重， 重量一般会在2~3 公斤左右。如果是蓄电池安装在车 辆后部，这个线束就需要更长，会达到 6~7 公斤。要 Copyright © 2013 Hanspub 192  轻量化在汽车线束技术中的应用 减轻蓄电池线束的重量首当其冲。所以这方面的需求 必须在新的设计中有所创新，寻求新的方法或材料来 替代。 在当前线束行业的发展中，铝导线以其质轻、价 廉和柔软的特性越来越受到重视，应用也越来越多， 尤其是在蓄电池线的应用上。 通过对铜和铝物理特性的对比(如表 3)，证实铝导 体符合作为汽车用导线的基本要求，同时由密度对比 可以看出相同体积的铝重量仅为铜的 30%，所 以 如 果 应用对于车身轻量化将是很大的贡献，也提升了产品 的价值。相同的条件下，铝导线单位长度的重量明显 低于铜导线，只是铝导线的线径也明显大于铜导线， 目前铝导线多用于蓄电池线或线径较大的回路，并且 总能找到足够的空间来布置线束。 经过相关的技术对比分析，原来的16 mm2铜导 线可以采用 25 mm2的铝导线代替，原来的25 mm2铜 导线可以采用 35 mm2的铝导线代替。虽然为了满足 功能加大了导线的截面积 1.6 倍，但综合重量却下降 了30%，同时铝的成本大约仅为铜的 25%，这样总的 导线成本下降了，重量降低了。当然在应用新材料的 新设计中必须考虑可制造性，作为铝的抗张强度和导 电性比铜差，所以在压接中需要高频锡焊，也要占据 些微的成本。 铝材的价格都要比铜材的价格低，目前国内来 说，铜 69,000元/吨，铝 16,000 元/吨，铝材的价格不 到铜材价格的 1/4，因此从经济上来说，使用铝导线 是一个必然的选择。 当然对于铝导线还需进行了一系列的测试，包 括：柔韧性测试、电流测试、阻抗测试、烟雾试验、 温度耐久试验、电压降测试、温升测试、扭曲测试、 温度冲击测试、拉伸测试、压接目视检查以及振动测 试等。各相关的测试结果必须完全符合标准以及达到 客户的要求。 b) 铝母线的应用 由于铝的导电性能要比铜导体差，为了达到相同 的性能，在使用铝导线替代铜导线时需要增大线径约 1.6 倍，这样就增加了线束的尺寸，降低了线束的柔 软性能，对安装和在车辆内部的布局造成很大的困 难，所以其应用也有很大的局限性。 铝母线是由单根铝棒加上绝缘材料折弯成型，并 不是由很多根细铝丝绞合而成的，所以没有任何的柔 韧性，但其导电性却相当于相同外径的铜导线，所以 同样外径的铜导线可以被相同外径的铝母线代替，在 空间布局上不会有影响，这样就会大幅度降低整个线 束的重量，约比铜导线降低一半以上。但由于铝母线 是由单根铝棒加上绝缘材料制成，所以加工工艺上要 比常规铜导线或铝导线要复杂很多。所以从经济性上 来说，铝母线越长，其重量和成本越有优势，一般更 适用电瓶后置的车型，需要将电源从后部送到位于车 身前部的启动机或保险丝盒，这段线束一般在 3到4 米左右，如图 2所示。使用这种母线来取代传统的铜 电缆用作大电流通路，最高可降低 3 kg 的重量，并可 节约 10%的成本！ 4) 电子电气架构优化 Electrical/Electronic Architecture，电子电气架构， 是首先由德尔福公司提出的，集合汽车的电子电气系 统原理设计、中央电器盒的设计、连接器的设计、电 子电气分配系统等设计为一体的整车电子电气解决 方案的概念。 众所周知，汽车线束(主要是铜导线)的成本随着 电子系统的增多在不断的增加。同时随着系统的增 Table 3. The physical characteristics contradistinction of the two materials of the copper and aluminum 表3. 铜铝两种材料的物理特性对比 物理属性 铜 铝 密度(kg/m3) 8900 2700 融化温度(℃) 1083˚ 660˚ 弹性模数(kN/mm2)80 65 传导率(m/mm2) 58 37 抗张强度(N/mm2) 250 40~180 断裂延长率 2%~50% 4%~50% Figure 2. Power line of rear battery 图2. 电瓶后置的电源线 Copyright © 2013 Hanspub 193  轻量化在汽车线束技术中的应用 Copyright © 2013 Hanspub 194 多，装配的空间也越来越受限制。如何在满足用户需 求的情况下最大限度的减少汽车的线束，同时节省电 子电气系统的装配空间，这些在电子电气架构的设计 过程中越来越重要。目前在汽车当中逐渐引入了各种 现代智能化的网络导航系统，很多更加先进的主动以 及被动安全技术，都让电子电气架构的应用逐渐趋于 复杂化，因此汽车流程在设计的前期，在电子电气架 构的设计与优化方面投入了更多的重视，做好设计与 优化工作能够有效的减轻将近 20%的线束及相关零 件重量，降低 30%的相关零件成本，还可以将汽车具 有的各种使用性能以及装备过程中的便捷性在一定 程度上进行改善。通过建立电子电气架构的开发平 台，能够研发出可以与新车型相互匹配的电子电气系 统，缩短汽车开发的整个周期，降低开发过程中所花 费的成本。 线束的设计属于电子电器架构的物理架构。其包 括模块的位置，整车线束的分割等等，是比较复杂的 系统工程，必须充分考虑设计、工艺、制造以及售后。 目前有许多不同的线束分割形式，其线束的主干走向 因线束的分割不同而各不相同，穿防火墙的位置，线 到线的接口位置和数量也各不相同，各种线束的分割 有各自的优点和不足之处，所以在设计之初必须结合 所有的相关要求综合考虑，采用最优的架构形式。 电子电气架构优化的宗旨是在充分考虑相关模 块影响的同时，避免回路在车身里重复走动，最大程 度缩小相关回路的长度，尽量利用网络传输相关信 号，减少硬线连接。 5) 汽车线束轻量化方案比较 方案 优化线径 导线截面小型 化 新材料的应 用 电子电气架 构 具体实 施措施 线束避免过度 设计，采用统一 标准，减轻质量 采用 0.13 mm2 的合金细导线 作信号线 铝导线；铝母 线作蓄电池 线 电子电器的 物理架构要 充分考虑线 束的优化 优点 减轻了质量；优 化了设计，工作 效率提高；在普 通环境下能保 证安全性。 线径下降的比 例较多，重量减 轻很多。 重量降低；价 廉；质地柔 软，便于布 线。 使线束能够 合理化布局； 较少线束和 重量 缺点 在高温、高振动 等不利环境下 难以保证安全 性 端子的压接工 艺较复杂 抗张强度和 导电性差，压 接工艺较难 架构复杂，要 依赖于专门 软件平台进 行设计 成本 降低 目前成本较高 降低 降低 适用范围 适用于常温下 的线束 电子控制系统 中的信号线 电源线 整车的电子 电气范围内 的设计 3. 总结 1) 本文小结 线束轻量化是减轻汽车自重的手段之一，本文论 述了线束轻量化的几个技术设计途径：优化线径；使 用合金细导线；使用铝导线；电子电气架构优化。 优化线径研究中合理化线径可以去除过设计的 情况，降低线束重量的同时也降低了成本，但是能发 掘的潜力有限。 新型的合金细导线应用于信号线上的效果不错， 一些新车型已有成功的例子。合金细导线的重量轻、 线径小，将会成为今后的趋势之一。 铝导线质轻价廉、柔韧灵活，特别适合用于电瓶 线，大大降低线束重量的同时，还能节约成本。新的 技术解决了铝导线与其他电气件连接的问题，现在又 出现了新型的铝母线，可以说铝导线在汽车上的应用 前景广阔。 2) 未来展望 不断的创新在推动着汽车的轻量化，线束的轻量 化也不断的在探索新的突破，在车身电子电气架构的 不断发展中，整车的模块网络日新月异，无线的网络 也在小范围的应用，基本彻底取消了部分信号线，随 着无线网络技术的逐渐成熟和可靠性的增强，常规的 线束将会得到革命性的变化，对整车的轻量化贡献也 将会更大。 参考文献 (References) [1] 林家让. 汽车构造: 电子与电器篇[M]. 北京: 电子工业出版 社, 2006. 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