車輪線束用ABS、EPB 線纜使用壽命提升研究

陸曉龍， 南 陽， 黨大衛(wèi)， 張寶新

（長春福斯汽車電線有限公司， 吉林長春 130000）

20世紀(jì)70年代末博世公司與奔馳公司合作研制出三通道四輪帶有數(shù)字式控制器的ABS系統(tǒng)， 并批量裝于奔馳轎車上。 由于微處理器的引入， 使ABS系統(tǒng)開始具有了智能，從而奠定了ABS系統(tǒng)的基本模式。 隨著后期國內(nèi)汽車工業(yè)的高速發(fā)展， 乘用車安裝ABS成為了標(biāo)配。

我國汽車工業(yè)發(fā)展早已將ABS技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用列為首位， 可見汽車安全駕駛的重要性。 從乘用車將ABS輪速總成列為標(biāo)準(zhǔn)配置開始， 并伴隨著乘客追求空間、 舒適、 安全， 關(guān)聯(lián)的功能設(shè)備一應(yīng)俱全， 輪速總成的回路也相應(yīng)增加， 使得由原一個(gè)車輪速度傳感器線纜演變?yōu)榫邆銭PB、CDC、 車身高度、 制動(dòng)片報(bào)警等多功能的總成線束。

國內(nèi)的車輪總成良莠不齊， 部分產(chǎn)品使用壽命低、 安全性差， 可能存在一定的信號(hào)傳輸風(fēng)險(xiǎn)。 輕則導(dǎo)致汽車儀表顯示故障， 重則危及人身安全。 外資的車輪線束又存在壁壘封鎖和供貨協(xié)議， 不給國產(chǎn)汽車供貨， 所以亟需提升國產(chǎn)汽車底盤ABS、 EPB線束的使用壽命， 滿足市場的安全需求。

汽車的智能化、 電動(dòng)化在不斷推進(jìn)， 未來的汽車通過取消發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和總線式布線網(wǎng)絡(luò)， 將大量減少普通汽車導(dǎo)線用量。 許多種類的護(hù)套線、 屏蔽線會(huì)消失， 但對于ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)及其電纜不但不會(huì)消失， 反倒出現(xiàn)逆增長。

1 案例分析

1.1 背景

車輪線束為汽車安全件， 影響車輛駕駛的舒適性、 安全性等。 在 《車質(zhì)網(wǎng)》 中搜索ABS投訴， 會(huì)看到各種品牌汽車的ABS報(bào)警及制動(dòng)系統(tǒng)投訴， 見圖1。

圖1 各種品牌汽車的ABS報(bào)警及制動(dòng)系統(tǒng)投訴

ABS系統(tǒng)失效模式分為很多種： 由于車輪線束使用環(huán)境非常惡劣， 多數(shù)時(shí)候， 作為脈沖發(fā)生器的齒圈積滿污泥、傳感器安裝位置變形、 線束破損、 氧化這都是造成ABS故障的主要原因。

線束破損的原因又分為： 布線路徑存在干涉引起線束刮擦車輪周邊零件導(dǎo)致破損， 線束或線纜未充分防護(hù)被外界異物 （如石子） 沖擊斷裂， 線束或線纜受到疲勞應(yīng)力斷裂， 線束或線纜受到外力拉斷或硌斷。

1.2 案例分析1

某車行駛4萬公里， 出現(xiàn)右車輪線束信號(hào)傳輸錯(cuò)誤， 儀表盤報(bào)警， 車輛無法繼續(xù)行駛。

檢查發(fā)現(xiàn)車輪線束總成在保護(hù)PUR管未斷裂的情況下，導(dǎo)線線芯發(fā)生斷裂。 多臺(tái)車出現(xiàn)此問題， 同時(shí)左輪線束也同樣存在此問題， 問題主要集中在高配版左、 右前輪線束。不良樣件外形如圖2所示。

圖2 不良樣件外形

拆解不良樣件， 故障點(diǎn)如圖3所示， 線芯導(dǎo)體已斷裂。分析結(jié)論如下。

圖3 故障點(diǎn)

1） 問題1： 填充物插入深度過大， 硌傷線芯。

解決措施： 線束加工過程中， 技術(shù)文件應(yīng)明確填充物長度和外露長度， 確保線束運(yùn)動(dòng)過程中填充物不會(huì)傷害線芯。

2） 問題2： 注塑件硬度大——邵氏硬度80A左右， 彎曲性能差。

解決措施： 考慮從注塑材料上的硬度上適當(dāng)降低。

3） 問題3： 管材品質(zhì)差， 彎曲后硌傷電線。

解決措施： 使用優(yōu)良的管材， 可有效保護(hù)線芯。 圖4中左面是缺陷件， 右面是改進(jìn)產(chǎn)品， 對比明顯。

圖4 管材對比

4） 問題4： ABS、 EPB線束使用環(huán)境在車輪上， 運(yùn)動(dòng)幅度大， 振動(dòng)頻率高。

解決措施： 線束運(yùn)動(dòng)部分的材質(zhì)改進(jìn)， 原設(shè)計(jì)為導(dǎo)線加聚氨酯管， 改進(jìn)后為ABS、 EPB護(hù)套線纜。 柔軟度改善，外徑降低， 可以有效地保護(hù)線芯。

以上改進(jìn)措施落實(shí)后， 改進(jìn)有效， 問題解決。

1.3 案例分析2

某車在道路行駛10萬公里， 出現(xiàn)車輪線束信號(hào)傳輸錯(cuò)誤， 儀表盤報(bào)警現(xiàn)象。 將輪線束樣品帶回后， 全部拆解線束運(yùn)動(dòng)區(qū)域， 尋找斷線位置。

經(jīng)過解剖分析， 運(yùn)動(dòng)點(diǎn)附近的斷線為銅絲全部斷裂，固定點(diǎn)附近的斷線為銅絲部分?jǐn)嗔选?/p>

圖5為左前輪線束運(yùn)動(dòng)段， 右邊為固定點(diǎn)， 左邊為運(yùn)動(dòng)點(diǎn)， 斷線位置為紅圈所示位置。 左側(cè)斷線位置距離運(yùn)動(dòng)點(diǎn)13～23mm， 右側(cè)斷線位置距離固定點(diǎn)18～25mm。

圖5 故障位置

1.3.1 運(yùn)動(dòng)段長度設(shè)計(jì)不足

運(yùn)動(dòng)段兩端的定位點(diǎn)卡槽位置出現(xiàn)了刮擦痕跡 （圖6），聚氨酯材料耐刮磨、 強(qiáng)度高， 能在卡槽位置留下如此的刮擦痕跡， 分析線束的運(yùn)動(dòng)段受到了外力拉拽。

圖6 定位點(diǎn)刮擦痕跡

圖7是產(chǎn)品數(shù)據(jù)圖， A點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)段固定點(diǎn)的卡槽位置坐標(biāo)， B點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)段固定點(diǎn)根部位置坐標(biāo)， C點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)段運(yùn)動(dòng)點(diǎn)根部坐標(biāo)， D點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)段運(yùn)動(dòng)點(diǎn)卡槽位置坐標(biāo)。跳50數(shù)據(jù)處于正常位置的極限狀態(tài)。 左轉(zhuǎn)極限位置上下跳超過50后， 開始出現(xiàn)拉伸受力的現(xiàn)象。 如果上跳繼續(xù)增加，會(huì)出現(xiàn)長度不夠的情況。

圖7 產(chǎn)品數(shù)據(jù)圖

表1 線束坐標(biāo)點(diǎn)

1.3.2 應(yīng)力集中

應(yīng)力集中是材料在外力作用下， 宏觀上 （相對于原子或分子之間的作用力） 的抗外力的集體表現(xiàn)， 是不同結(jié)構(gòu)在同樣外力下比較的結(jié)果； 在原來的結(jié)構(gòu)下本來由很多原子共同來對抗外力， 但改成有應(yīng)力集中的形狀后， 能參與對抗外力的原子數(shù)量變少了， 外力就集中到剩下的結(jié)構(gòu)上了， 就 “集中” 了。

如圖8所示， 臺(tái)階狀的一個(gè)物體， 遠(yuǎn)處受拉， 在臺(tái)階附近的應(yīng)力也會(huì)明顯超過遠(yuǎn)處的應(yīng)力。 所以， 這里的幾何不連續(xù)， 指的就是幾何邊界的線型變化， 比如直線轉(zhuǎn)弧線。盡管是光滑的連接 （切線方向重合）， 但是在線型變化的連接處依然產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖8 應(yīng)力集中

線束加工過程中， 注塑件被注塑在線束上， 用于固定在車身位置。 下圖兩種設(shè)計(jì)方式應(yīng)力集中情況是不一樣的。圖9上面的設(shè)計(jì)優(yōu)于下面的設(shè)計(jì)。

圖9 設(shè)計(jì)比對

1.3.3 彎折過大

線纜布線靜態(tài)區(qū)最小彎曲半徑通常控制在線束直徑的3倍， 動(dòng)態(tài)區(qū)的設(shè)計(jì)通常在6倍以上， 線束同理。 車輪線束的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)越靠近減震器， 上跳下跳距離越大。 運(yùn)動(dòng)點(diǎn)越靠近上叉臂、 下叉臂的支點(diǎn)， 上跳下跳距離越小。 如圖10所示。

圖10 底盤與線束運(yùn)動(dòng)幅度

合理設(shè)計(jì)線束的運(yùn)動(dòng)段的固定點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位置， 減小上跳下跳高度， 有利于延長線束使用壽命。

車輪線束的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)與固定點(diǎn)之間的距離越近， 車輪線束上跳下跳的彎折角度越大。 如圖11所示。

圖11 底盤與線束運(yùn)動(dòng)角度

合理設(shè)計(jì)線束的運(yùn)動(dòng)段的固定點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位置， 減小線束彎折角度， 有利于延長線束使用壽命。

分析結(jié)論如下： 優(yōu)化線束運(yùn)動(dòng)段尺寸， 避免ABS、 EPB線束在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)受外力拉拽的情況； 優(yōu)化ABS、 EPB線束卡點(diǎn)注塑件的外形， 減少應(yīng)力集中現(xiàn)象； 優(yōu)化過線路徑， 減少過度彎折現(xiàn)象。

2 車輪線束用ABS、EPB線纜壽命提升解決辦法

線束壽命受兩方面影響， 一方面是線纜本身的特性，如線纜選用的導(dǎo)體單絲直徑、 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、 線纜的絕緣層護(hù)套層的材質(zhì)選擇、 線纜的外徑尺寸設(shè)計(jì)、 線纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；另一方面受線束設(shè)計(jì)影響， 如線束的布線路徑、 線束的彎曲半徑、 線束的運(yùn)動(dòng)軌跡及擺動(dòng)的角度、 是否存在線束干涉現(xiàn)象、 線束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 單絲直徑的影響

ABS、 EPB線纜在國內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用中， 線芯導(dǎo)體的單絲外徑常見尺寸為0.08～0.26mm。

對相同截面線纜進(jìn)行循環(huán)彎曲測試， 0.16mm單絲11萬次后斷裂， 0.11mm單絲18萬次后斷裂。

更換導(dǎo)體結(jié)構(gòu)， 重新試驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)要求為彎曲半徑22.2cm， 荷重3kg， 速度15回/min。 結(jié)果如表2所示。

表2 循環(huán)彎曲測試結(jié)果

導(dǎo)體單絲直徑的適當(dāng)降低， 可以提升線纜的彎曲壽命。在相同的ABS、 EPB線束設(shè)計(jì)條件下， 提升線纜的彎曲壽命， 線束壽命也會(huì)提升， 兩個(gè)因素呈正相關(guān)性。

2.2 線纜柔軟度

線纜的柔軟程度影響客戶的使用感受， 也影響實(shí)際應(yīng)用中的線束使用壽命。 表3是相同截面不同導(dǎo)體結(jié)構(gòu)， 以及不同截面積之間的彎曲強(qiáng)度對比。 影響線纜柔軟度的因素有： 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、 線纜外徑、 絕緣護(hù)套材料硬度、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表3 電纜彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果

導(dǎo)體單絲直徑越小， 線纜外徑越小， 材料硬度越低，則線纜的柔軟度越好。

2.3 聚氨酯保護(hù)管和護(hù)套線的對比

ABS、 EPB線束的設(shè)計(jì)通常為兩種： 一種絞合線芯外部加一層聚氨酯管防護(hù)； 一種是絞合線芯外部加一層聚氨酯護(hù)套防護(hù)， 制成ABS、 EPB護(hù)套線纜。 這兩種設(shè)計(jì)到底哪一種更好一些呢？

從實(shí)踐上分析， 在運(yùn)動(dòng)條件惡劣時(shí)， 聚氨酯管會(huì)出現(xiàn)變形硌傷導(dǎo)線的情況， 如圖4和圖12所示。 而護(hù)套線不會(huì)存在此問題， 因?yàn)榫€芯與護(hù)套層之間的縫隙已被護(hù)套料填充，護(hù)套材料會(huì)起到支撐作用， 防止ABS、 EPB線纜受彎曲過度變形。

圖12 聚氨酯管變形嚴(yán)重

另外在本文1.2案例分析1中， 線束運(yùn)動(dòng)區(qū)域由聚氨酯保護(hù)管改為ABS、 EPB護(hù)套線纜后， 輪跳實(shí)驗(yàn)次數(shù)及實(shí)際線束使用壽命大幅度提升。

從理論上分析，為了滿足線束加工性， 導(dǎo)線和聚氨酯管之間會(huì)存在較大的縫隙。 同樣的防護(hù)厚度條件下， ABS、 EPB護(hù)套線纜的外徑可以更小， 更柔軟， 從而提高車輪線束的使用壽命。

2.4 線束布線的影響

研究市場上成熟車型的底盤， 對比發(fā)現(xiàn)底盤線束的彎曲角度、 運(yùn)動(dòng)幅度都很小， 如圖13和圖14所示。 ABS、 EPB線束的布線設(shè)計(jì)對實(shí)際使用壽命影響很大。

圖13 某車型EPB線束設(shè)計(jì)

圖14 某車型EPB線束設(shè)計(jì)

布線路徑中線束的彎曲角度應(yīng)盡量的小， 運(yùn)動(dòng)幅度盡量降低。 線束或線纜彎曲半徑應(yīng)遵守靜態(tài)區(qū)最小彎曲半徑通常控制在線束直徑的3倍， 動(dòng)態(tài)區(qū)的設(shè)計(jì)通常在6倍以上。

運(yùn)動(dòng)段長度應(yīng)控制在線束極限狀態(tài)時(shí)的1.2～1.5倍， 如果運(yùn)動(dòng)段長度過短會(huì)導(dǎo)致車輪在極限狀態(tài)時(shí)線束受力破壞，如果運(yùn)動(dòng)段長度過長會(huì)導(dǎo)致線束與車輪附近其他零件距離小于10mm， 出現(xiàn)干涉損壞的情況。

線束卡點(diǎn)的注塑件應(yīng)有緩沖區(qū)設(shè)計(jì)， 降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。

線束走線路徑要遠(yuǎn)離螺栓、 制動(dòng)液管路、 橫拉桿等零件， 線束與周圍零件間的距離建議控制在20mm以上 （最小不低于10mm）， 否則可能會(huì)出現(xiàn)線束破損失效的問題。

3 結(jié)論

汽車底盤環(huán)境惡劣， ABS、 EPB線束為汽車的安全件。車輪線束用ABS、 EPB線纜的壽命對汽車行駛的安全性影響較大， 本文對車輪線束斷裂失效的各因素進(jìn)行了分析， 并提出了解決措施， 對汽車底盤線束設(shè)計(jì)及選型提供了科學(xué)的指導(dǎo)意見。