汽車整車線束系統可靠性分析

同濟大學 楊磊

（1.同濟大學；2.一汽- 大眾汽車有限公司佛山分公司）

整車電氣系統是汽車電子裝備安全性和可靠性的核心系統，而汽車整車線束系統作為整車電氣系統的組成部分具有非常重要的作用。當下的汽車電氣問題都集中反饋在線束這一產品上。某汽車集團收集的數據顯示，有50%以上的整車電氣系統電氣故障都和線束有關。究其原因是線束產品集中反饋所有電器件的信息，在產品的正確度以及可靠性上都面臨著巨大的挑戰。文章旨在通過對整車線束系統的可靠性設計、可靠性質量控制和試驗的論述，提升整車線束系統的可靠性，進而提升整個電氣系統的可靠性。

1 汽車線束系統設計可靠性

文章主要通過汽車線束端子、線束保護裝置及線束插接件的可靠性設計三方面來闡述汽車線束系統的可靠性設計。

1.1 端子可靠性設計

現階段汽車線束常用的金屬端子為了保證導通性一般都會進行鍍鎳處理，鎳暴露在空氣中時表面會發生氧化從而產生一層氧化膜，這層氧化膜阻止了空氣中氧氣的進一步氧化，起到了保護作用；還有一些端子采用鍍錫的工藝，主要應用在傳導要求并不高的電線和地線；在對端子傳導要求較高的插接器中，一定要采用鍍金的端子以防止過度氧化，這類端子一般用在安全氣囊相關的接插件端子中。

1.2 線束保護裝置可靠性設計

線束的包裹和固定方式也是線束保護的主要方式，一般采用耐高溫、耐腐蝕以及密封性好的材料對車內線束進行保護。在鉸鏈這種經常出現運動的部件位置，需要對線束的包裹和固定進行設計，保證線束既不影響安裝又能夠方便維修，因此往往采用套管或者膠堵這類零件來保證防水性和安全可靠性。針對不同環境以及不同位置的固定和包膠，需要結合具體的裝配環境采取專門的保護措施[1-2]。

1.3 線束插接件可靠性設計

線束接插件的可靠性設計主要關注以下內容：首先是設備工作總負荷，選擇連接器時需要考慮工作環境最高溫度，同時需要考慮最大負載等因素，通過工作時散發的熱量選擇相應的連接器，對于降低連接器的工作溫度有著重要的作用；其次，選擇連接器時需要考慮布置環境，一般在汽車的濕區連接器都會加入防水栓并在插頭的連接部位加入塑膠套（CP）保證密封性[3]；另外，盡可能減少對接，究其原因是連接器的可靠性并不一定高于單線，將功能相似的接插件盡可能地合并就能夠提高可靠性，通過在不影響功能的前提下減少接插件數量就能夠降低風險。

2 汽車線束系統的可靠性質量控制

汽車線束系統的可靠性質量控制主要在于端子壓接和壓接后的剖面檢查。

2.1 端子壓接

電線的端子壓接主要保證導通的功能，導線和端子間有效的信號傳遞、機械和電氣的可靠連接有賴于穩定有效的端子壓接才能夠實施。標準端子壓接，如圖1所示。

圖1 汽車電線標準端子壓接示意圖

端子壓接合格的必要條件包括：1）端子整體沒有嚴重的變形，端子頭部與單線保持平行；2）端子兩側的金屬片正常彈起，保證在插入插頭后不被拔出；3）在單線壓接后線芯僅露出0.3～1.0 mm；4）端子頭形狀不得破壞；5）電線絕緣部分被翼片緊密包裹，但不能露出電線絕緣皮的線芯。其中，任何一個條件不符合要求則認為不合格。電線端子在壓接過程中，原材料的質量以及壓接機器的調試不符合要求都會造成壓接的端子不合格，進而降低整個產品的可靠性[4-5]。

2.2 剖面檢查

端子切片試驗主要通過端子剖面分析儀完成。通過對端子進行破壞性試驗獲得端子的剖面，在打磨輪上對端子截面進行均勻打磨，打磨后使用酸性液體對試樣的橫截面進行腐蝕摩擦，保證端子斷面在專用軟件將截面放大到20 倍以上成像時能夠清晰。完美的壓接需要保證芯線之間、芯線與左右壓接片之間沒有空隙，且壓接片的翼片基本對稱，符合標準要求。端子切片試驗需要關注的關鍵參數，如圖2所示。

圖2 汽車電線端子切片試驗關鍵參數

圖2中的參數都是以壓接面底部厚度為基礎參數進行換算的。一般要求支撐角度不得超過30°，管端頂隙需要大于壓接面底部厚度，壓接管端部距離必須是壓接面底部厚度的1/2，此外毛刺高度不得超過壓接面底部厚度，毛刺寬度不得超過壓接面底部厚度的1/2[6-8]。

3 汽車線束系統可靠性試驗

文章從具體的汽車線束系統端子和連接器的可靠性試驗過程入手，對端子和連接器的生產控制指標進行可靠性驗證。具體試驗流程，如圖3所示。

圖3 汽車線束端子和連接器的可靠性試驗流程

可靠性試驗最開始要對汽車線束系統的試樣進行準備，從每日生產的線束模塊中隨機抽取試樣，在自動壓接機上安裝模具并進行調整，調整后根據不同的壓接高度進行試驗[9]。文章選擇K 車型常用的端子類型進行檢測，每種樣本分為3 組試件并分別進行編號。根據調節模具高度分別制定1.7，1.73，1.75，1.82，1.9 mm 5 個壓接高度標準，一共25 個試樣。

3.1 端子拉力試驗

第1組進行壓接端子拉力測試。使用拉力測試儀絞盤固定端子口部，試樣另一端通過卡鉗固定。在拉力測試過程中勻速運動，速度保持在25 ～100 mm/min。當拉力增大到一定數值時端子會與導線脫開，在斷開的一瞬間拉力計會記錄下斷裂時的拉力數值，同時可以觀察斷裂的形式。表1 示出汽車線束試樣壓接端子拉力測試數據。

表1 汽車線束試樣壓接端子拉力測試數據

從表1可以看出，1.73，1.75，1.82 mm 符合試樣壓接端子拉力測試實際要求，大于理論壓接拉力值，可以作為選擇的壓接高度進行壓接。同樣去除明顯不符合統計數據要求的1.9 mm 壓接高度的實際壓接拉力94.1 N 這個數據，用三次多項式擬合曲線（如圖4所示）：

圖4 汽車線束試樣壓接端子壓接高度與實際壓接拉力的比較

3.2 電壓降測試

第2組進行電壓降測試，通過電壓降測試器儀在試樣的兩端進行測量，從而調節試驗電流，導線截面積為1.0 mm2，對應試驗電流為5 A，當顯示電壓降數值穩定后對數值進行記錄，記錄結果如表2所示。

表2 汽車線束試樣壓接端子電壓降測試數據

從表2可以看出，1.7，1.73，1.75，1.82，1.9 mm 5 個試樣的電壓降測試相對穩定。用四次多項式擬合曲線（如圖5所示）：

圖5 汽車線束試樣壓接端子壓接高度與電壓降的比較

3.3 端子切片試驗

第3組進行端子切片試驗。壓接高度的確定必須進行剖切面檢驗，并且通過分析才可以確定規范的壓接高度。圖6 示出不同壓接高度的剖面切面圖。

圖6 汽車線束端子剖面圖

從圖6a可以發現，壓接后兩邊的翼片之間存在差距，屬于沒有壓接緊密的情況，這種情況容易導致電線表面氧化，進而導致端子的接觸受到影響，因此壓接高度為1.7 mm必須被排除。

從圖6b可以發現，壓接圖形符合要求，壓接后兩邊的翼片之間貼合沒有縫隙，壓接底部毛刺較小，因此應力較小，壓接高度為1.73 mm 合格。

從圖6c可以發現，壓接后兩邊的翼片變形且翼片貼合，沒有縫隙漏出線芯，壓接底部沒有毛刺，導線的導電性較好，因此壓接高度為1.75 mm 合格。

從圖6d可以發現，壓接后左右翼片有微小的縫隙，并且端子底部毛刺不對稱。此種剖面圖可能有安全隱患，在壓接高度中不是推薦的壓接高度。

從圖6e可以發現，有部分電線沒有變形，壓接后有空隙，這樣容易產生接觸不良或達不到拉脫力的要求。這種缺陷主要因為端子質量不良造成翼片不對稱，如果壓接模具磨損或模具調試不合適，也會出現兩邊底部不對稱的問題，所以判定為不符合標準，不能作為可接受的壓接高度。

綜上，壓接高度為1.73，1.75，1.81 mm 的端子符合要求，可以考慮壓接，根據圖形可以選擇1.73 mm 作為K 車型常用端子的1.0 mm2線徑壓接的標準壓接高度。

4 結論

文章從汽車線束系統的可靠性設計入手，提出一些可行的可靠性設計方案，使線束在設計過程之中就考慮到可靠性的因素，從而提高設計的效果，同時闡述了汽車線束在制造過程中質量控制方面的主要因素，并據此對汽車線束系統端子和連接器的可靠性進行了試驗驗證。

文章闡述的可靠性設計實際上只是龐雜的電氣系統設計的一部分，在實際的工作中，工程師要面臨的情況遠比該情況復雜，如何將具體問題系統化、流程化，是下一步研究的一個方向。另外，文章對于電磁兼容也并未深入研究。在電器件尤其是通信類電器件不斷增加的今天，電磁兼容將成為汽車電氣系統中不可或缺的重要組成部分，不少主機廠由于電磁兼容研究的缺失，造成很多車型在復雜的電磁環境下出現了電器件串擾的情況，因此繼續深入電磁兼容研究也將是下一步研究的一個主要方向。