大學生方程式賽車線束的優化與加工

趙杰 劉新田 陳衛挺 安耀塨 上海工程技術大學

一、設計背景

中國大學生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。各家車隊為了提高比賽成績，大多將新車的優化中心偏向與機械機構的設計以及發動機調校上，往往忽略在高強度比賽中一套可靠、穩定的線束的重要性本文提出對整車線束進行加工方法設計思路上的優化，來提高賽車線束的壽命和穩定性，通過Altium Designer軟件進行繪制原理圖，在Catia軟件中進行線束建模，使用新加工方法進行加工完成制作，并與上一年整車線束做對比，驗證此次設計的合理性與創新性。

二、線束組成部分以及設計流程

（一）傳感器

氧傳感器；是汽車行駛中對汽車工況進行反饋的重要傳感器，ECU通過氧傳感期反饋的數據判斷賽車行駛過程中所處的工況，從而通過對噴油量以及其他相關數據的控制，使賽車能夠正常行駛；曲軸傳感器/凸輪軸位置傳感：這兩種傳感器能夠反饋汽車在啟動階段所處的工況，CEU根據這兩種傳感器反饋的數據來調整噴油量和點火提前角，使賽車能夠順利啟動發車；節氣門位置傳感器：ECU通過該傳感器反饋的數據判斷節氣門的開度，從而調整該工況下的基本噴油量。車上所有的傳感器反饋的數據都對賽車的控制有著重要影響，在線束制作時，傳感器的正確標定也是很重要的工作之一，然后將傳感器的各接口準確的接入到對應的端口才能保證傳感器的正常工作。

（二）熄火電路

根據賽規定要求，賽車上除了主開關以外，還另外接了3個熄火開關，分別裝在賽車主環兩邊以及座艙內方向盤旁，座艙內的碰撞開關以及制動踏板下的超行程開關，都屬于同一熄火電路，其中任一開關發生作用都能直接使整車斷電，保證賽車的安全性。

BSPD，一個獨立的熄火系統，也屬于熄火回路中的一部分，其作用是當車手在制動踏板與油門同時踩下到一定的開度，板子會自主斷電。應主委會要求，所有參賽高校必須有此系統才能夠進行比賽。根據主委會發的原理圖，通過Altium Designer軟件進行PCB的制作，之后找廠家進行加工，再通過自主完成板子的焊接與調試，方可將其接入熄火回路中。

（三）線束建模

首先確定各個傳感器，執行件以及開關的位置，然后在賽車總裝圖中進行線束建模，建模過程中，要十分注意與運動部件和高溫部件之間的干涉，例如在對發動機區域的點火線圈以及在發動機上啟動電機和搭鐵線的建模時，需要讓線束盡量避開排氣管以及水路，否則將會導致線束長期處于高溫環境從而使用壽命縮短，影響線束使用時的穩定性；在進行座艙內的線束建模是，需要盡量讓線束走在同一條線路上，要避免多個單支電路，否則將導致線束太過雜亂，線束的抗拉扯能力減弱，使用壽命縮短。在對實物進行加工時，首先需要進行線束材料進行選擇，線束材料需要根據線束所處的不同區域以及不用的作用選擇不同的線，不然會增加線束的制作成本，例如發動周圍的線束屬于高溫區域，而且通過走線無法避開，則需要選擇耐高溫的防火線；使用線束需要秉承著能細則細的原則，不僅滿足了輕量化的設計理念，也節約了線束制作成本線。

三、線束的選材以及加工

（一）線束材料

線束采用日標汽車線束專用電線，分別選用了截面直徑為0.3、0.5、0.75、4.0平方毫米的AVSS CAVS純銅線；接插件分別選用德馳的2p、3p、4p、12p的防水線束接頭；熱縮管分別選用了3mm、4mm、10mm、12mm、20mm的電工黑色環保熱縮套管；熱縮管分別選用了阻燃PA-7.5（內徑5.5mm）、阻燃PA-11.6（內徑8mm）、阻燃PA-25（內徑20mm）。

（二）線束加工

今年的線束材料上要改進在將一些受力比較小的地方將粗線改選為選用細線代替線束加工除了延續了部分螺線法和防火膠布法外，還增加了壓線帽法，此種加工方法的引入，增加了線束的防水性能，再加上熱縮管和波紋管的使用，線束的防水性能有了明顯的改進。此外，同一走向的電線使用了同軸絞線法的加工方法，增加了線束的抗拉扯能力，在線束過程中盡量做到一線到底，中間線束斷開的地方越少，線束出故障的概率越小，線束的性能將會越穩定。規避此問題的最好方法就是根據參考線束模型進行該過程，會減少很多的工作量。

四、新老線束性能對比

（一）防水性能

利用浸水法對新老加工方式制作出來的線束進行防水測試，將兩種線束分別放于帶有水漬的潮濕環境，使用防水膠布法加工的線束中，膠布已經出現滲水現象；對于使用壓線帽法加工的線束，無滲水現象發生。

（二）抗拉扯性能

將上一年未使用同軸絞線法加工的線束與今年使用了同軸絞線法的線束同時進行拉扯，上一年的線束在受力為125N時開始出現形變；今年的線束在受力為267N時開始出現形變。

（三）總質量

上一年線束總質量為6.89KG，今年優化后線束總質量為6.14KG。優化后的線束防水性能、抗拉扯能力都優于未優化前的線束，由此可以推斷出優化后的線束使用壽命會更長；總質量上也比優化前輕0.75KG，滿足賽車設計中的輕量化理念。

五、結論

本文的設計分析思路，對賽車零部件設計具有一定的參考意義：賽車線束的設計流程為繪制原理圖-線束模型搭建-實物加工-線束優化-完成制作；優化后的線束已經運用到了上海工程技術大學RISE車隊2020年賽車上，一個賽季的使用過程中，未有電路方面的問題出現，證明了此次優化過程的合理性。