基于CATIA的FSAC賽車線束設計

【摘" 要】現在CATIA布置線束是國內汽車行業普遍應用的方法，本文結合CATIA三維線束建模應用在中國大學生無人駕駛方程式大賽（Formula Student Autonomous China，FSAC）賽車上，大大減少后期線束布局周期反復的局面，使得布線更加規范、合理、簡潔，避免材料和時間成本的浪費，可以準確地計算線徑長度，以便于靜態賽事中成本報告的分析。

【關鍵詞】FSAC賽車；汽車線束；CATIA布線；電氣線束展平設計

中圖分類號：U463.6" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2022 ）12-0056-03

FSAC Racing Harness Design Based on CATIA

LI Hao-wen，ZHOU Peng，LONG Jun

（Xihua University，Chengdu 610039，China）

【Abstract】Now CATIA harness layout is a widely used method in the domestic automotive industry. This paper combines CATIA three-dimensional harness modeling application with Formula Student Autonomous China（FSAC）racing car，which greatly reduces the situation of repeated harness layout cycle in the later period，making the wiring more standard，reasonable and concise，avoiding waste of material and time costs，and accurately calculating the length of the route. To facilitate the analysis of cost reports in static events.

【Key words】FSAC racing；automotive wiring harness；CATIA wiring；electrical harness flattening design

1" 引言

線束是汽車電氣的基礎，主體包括連接各個電器組件之間的接線部分、接線端子、絕緣的包絡物、熔斷絲、接插件及扎帶等固定物。線束就是FSAC的神經網絡，連接傳感器與VCU之間的信號傳輸，VCU與執行機構之間的信號輸出與反饋。

在傳統的工藝生產中，線束前期準備工作有線徑選型、繪制原理圖、列出原料清單、進行路徑規劃，最后在實體車架上進行布置，確定長度，制造第1根線束，然后進行不斷地試錯和完善。

傳統線束制造一般存在以下問題：①周期長，易出錯，反復修改實體；②浪費人力物力資源；③實際操作與最初預想期望偏差較大；④FSAC成本報告分析數據不準確；⑤忽略高壓屏蔽線彎曲半徑較大，導致布局困難。

為了較好解決以上問題，使賽車更具簡潔性、電氣可靠性、安全性，整車線束布局更具合理性，本文采用CATIA的線束3D建模，有效地結合FSAC賽車三維機械設計模型布置線束的空間走向和尺寸。

2" CATIA建模

賽車的線束就是賽車的神經，賽車內在美不美觀就在于線束布置是否簡潔直觀。在汽車行業的召回車的事件中就有不少是因為線束布置不合理造成的損失[1]。因此進行3D建模，提前進行電氣屬性檢查、碰撞干涉，以及檢測高壓屏蔽線的彎曲是否在曲率允許范圍內就顯得非常有必要。

三維布線在設計初期和準備階段，更改操作簡單、不易出錯，可以反復調整最佳位置和空間布局，可以直觀地發現線束與線束之間或線束與零件之間是否存在干涉，若存在干涉只需調整點位即可消除干涉，能夠快速方便地優化設計，大大降低了實體操作中的反復修改所帶來的成本浪費，問題在開發初級階段就能得到解決，提高線束布線的品質[2-3]。

CATIA（Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application）是20世紀70年代法國達索宇航公司開發的，并應用于航空工業。CATIA在線束3D設計中操作便捷，數據結構樹簡潔明了，線束路徑清晰易調整，故CATIA在線束仿真領域甚至整個汽車行業內都得到了廣泛采納并應用[4]。在FSAC 線束布置中常采用CATIA電氣布線模塊以下幾個設計功能區域：目錄編輯器（Catalog Editor）、電氣零件設計（Electric Part Design）、電氣線束段安裝設計（Electrical Harness Installation）、電氣線束裝配設計（Electrical Harness Assembly）、電氣線束展平設計（Electrical Harness Flattening）。如圖1所示，常用電氣布線模塊均可以在開始-設備與系統-電氣線束規則中調用。

2.1" 基于CATIA布線原理

利用CATIA對FSAC進行整車線束布置，主要是確定線束走向關鍵點的具體位置，即節點的位置。線束的節點通常是采用卡扣、連接器、扎帶等定義了電氣屬性的零部件，也可以是沿著FSAC車架管壁分段自行設置節點[3]。而對于各個節點之間的連接和線束段的創建，則有CATIA系統內部根據事先設置的線束直徑、松弛度、彎曲半徑、與邊界的距離關系，自動生成多分支。因此，只需要對節點位置進行定義和對卡扣、扎帶、連接器等零部件屬性進行設置，就可以確定線束的走向。同時，在FSAC整車布局的前期，如三維模型布局由于干涉或者其它原因有所改變，就可以通過調整節點的位置，自動更新線束段新的路徑和模型。

2.2" 基于CATIA線束設計流程

FSAC是在中國大學生電動方程式汽車大賽（Formula Student Electric China，FSEC）的基礎上加配無人系統，主要是控制驅動電機、制動電機、轉向電機，以及配合雷達、GPS、慣性導航、工控機、各種傳感器、攝像頭、EBS系統等而成。所以FSAC賽車的線束就顯得格外繁雜，因此管理、制作起來也就相對麻煩，本文大致分為以下幾步。

第1步：根據FSAC大賽規則選擇合適的線纜，高壓屏蔽線和非屏蔽線選擇橙色，在滿足要求的電壓電流下選擇線徑最小的導線。電池箱體外的高壓線選擇屏蔽線，同時為了提高整車信號的抗干擾能力，關鍵信號線采用屏蔽線。

第2步：確定車上所有電器元器件和連接器，將這些零部件進行3D建模并使用電氣零件設計（Electric Part Design）對其進行電器屬性的定義。

第3步：將上步驟中的零件分類，根據實際尺寸規格以及安裝特性，在CATIA里使用目錄編輯器（Catalog Editor）建立標準的電氣元件庫。

第4步：將繪制的二維原理圖，在FSAC整車模型環境下，調用電氣元件庫中的零件，利用CATIA的電氣線束裝配設計（Electrical Harness Assembly）模塊進行線束三維路徑的設計。

第5步：檢驗布線是否合理，對線束是否與周圍環境間存在干涉情況進行檢查以及對線束的電氣連通性進行測試。可使用電氣線束展平設計（Electrical Harness Flattening）模塊，將線路進行展平，導出線束段分支的各段長度，以便于實體線束段的制作。

2.3" 定義電氣元器件

在FSAC賽車電氣零件的建模中，通過零件設計建模得到Part是沒有電氣屬性的，在進行電氣線束裝配設計（Electrical Harness Assembly）時就只能人工手動裝配。依靠電氣零件設計（Electric Part Design）將Part附帶上電氣屬性，只需要點擊相應的裝配命令就可以安裝事先定義好的屬性進行自動裝配，減少人工手動主觀判斷潛在的風險[2]。

基于FSAC在CATIA的電氣模塊定義Part設計中，通常定義連接器（Define Connector）、定義線束支撐物（Define Support Part）、定義線束的連接點（Define Bundle Connection Point）。在定義連接器時，先定義類別、連接器孔數，然后定義連接點和面。如圖2所示，先使用Define Connector命令定義天線零件，然后定義為單插式連接器，設置連接器孔數，最后使用Define Bundle Connection Point命令定義線束的連接點，就會生成對應電氣屬性。

2.4" 最小彎曲半徑

在FSAC賽事文件中指明，若電壓高于60VDC或25VAC則視為高壓，所有處于電氣外殼防護外的驅動系統電線必須用單獨的橙色絕緣套管包裹或使用橙色的屏蔽電纜[4]。高壓線纜分為屏蔽線和非屏蔽線，處于電氣外殼防護內采用非屏蔽線，此處可采用霍爾進行電流采集，而電氣外殼防護外的則采用屏蔽線，同時必須將屏蔽線的屏蔽層進行有效搭鐵，這樣才能起到較好屏蔽的效果。高壓線由于承載能量大，所以線徑大、彎曲半徑大，因此是考慮最小彎曲半徑的重點對象。

在設計線束鋪設路徑時，需要考慮線束彎曲是產生的內部應力，在賽車運動的過程中的松弛度需要控制在一定范圍內，這樣可以保證賽車在整個賽季中的安全性。線束段的彎曲能力受到導線線芯材料、外部線束保護材料（如波紋管）、賽車工作狀態等影響。由于動載荷過大、彎曲部分安裝時半徑過小、線束內部導線擠壓摩擦，線束極易開裂破損與賽車管壁接觸。FSAC賽車采用單線制，負極搭鐵，所以線束段的破損容易造成短路，燒毀電氣元器件。如圖3所示，在創建線束分支的Multi-Branchable Document命令中，設置線束直徑、線束的轉彎半徑或者曲率、線束的松弛度，可以有效地提高整車線束安全性和合理性。根據線束工藝技術，最小彎曲半徑可以介于5～10倍的線束總外徑，其可以是在此捆線束里最粗電線直徑的10倍[5]。

2.5" 整車線束固定及H-E模式

根據FSAC賽事規則中要求，整車線束固定主要有兩點要求：①賽車的線束穿過防火墻時，穿孔處必須使用護套密封；②驅動系統線束無論在哪里斷開都不能觸及到駕駛艙或駕駛員處。其余位置線束在固定時需扎帶將線束固定于附近車架上，固定點間距離不超過8cm。根據線束在整車上的鋪設狀態來看，各參賽高校FSAC賽車線束布局中最常使用的線束布局方式為\"H\"型和“E”型線束布局設計。其中H型布置是較好的一種布置方式，因為H型的線束能最大范圍照顧到整車的用電器，降低線束的長度[6]。線束的布置主要應注意考慮線束的走向、安裝與檢修的易操作性、線束保護與固定的注意事項。線束根據其車身的邊、槽、梁等部位進行走線，以避免線束在行駛中脫落，造成短路[7]。如圖4所示，整車采用H型線束布局設置，左右兩側線束呈現對稱式分布，橫線線束走向沿著防火墻。圖中1、5、12、22均為輪速傳感器，2是驅動電機控制器以及工控機連接點，3是左側面板連接點，4是電池箱連接點，6是駕駛艙面板連接點，7是轉角傳感器連接點，8和20是GPS天線，9是制動超程開關，10是雷達，11是制動電機控制器連接點，13是慣性開關，14和15是搭鐵端子，16是低壓電源連接點，17是攝像頭連接點，18是熔斷絲盒，19是VCU接口以及右側板連接點，21是制動燈連接點。

2.6" 基于CATIA的干涉檢查

對于FSAC線束的線路鋪設，最低要求就是在賽車靜止和運動狀態下不會與賽車的任何零件產生干涉，而運動件的線束鋪設則應考慮到圍繞動件鋪設，例如賽車上的4個輪速傳感器，結合賽車運動時懸架上下臂會有縱向的位移，所以此處的線束路徑鋪設在懸架上臂，留有一定的余量松弛度，以保證在通過障礙時線束不會被崩斷，也不會被障礙物剮蹭導致脫落。

檢查方法則是可以運用CATIA軟件自帶的干涉檢查命令Clash來實現。Clash則能夠選擇條件輸入，進行更加詳細的干涉情況分析。鑒于FSAC賽車的復雜性，通常采用選用所有部件進行干涉碰撞檢測，線纜的干涉主要涉及接插件之間的碰撞干涉以及高壓大直徑線纜的干涉檢測。如圖5所示，干涉對話框中Type包括兩種類型的檢查分析，一是干涉類型，二是計算類型。在FSAC賽車中通常選擇接觸+干涉的干涉類型以及在所有部件之間的計算類型。

2.7" 線束展開

在進行線束展開之前，需要使用Related Objects命令對幾何線束的相關對象進行檢查，保證幾何線束的所有相關對象都連接正常，這樣才能使用電氣線束展平設計（Electrical Harness Flattening）模塊而不會報錯。新建一個Product文件，對其進行線束壓扁參數（Harness Flattening Parameters）設置，然后使用Extract命令提取幾何線束，最后使用展平（Flatten）命令，將三維的幾何線束展在二維平面，通?；赬Y平面進行展平。線束展平后，如圖6列舉的FSAC賽車低壓線束中的一部分，使得幾何線束、端子、接插件都能在XY平面簡潔明了地直觀感受。

為了更加方便得到幾何線束的長度信息，省去多次測量多分支的繁瑣，同時更加精準地計算線束價格在FSAC靜態賽事中的成本報告，我們調用Report命令生成我們所需要的報告。首先使用Report Define命令選定所需要提取的報告參數，可以提取長度、直徑、彎曲半徑等信息，選定之后就會生成一個XML文件，然后使用Report Generate 命令，調用XML文件就可以得到長度報告。圖6中8條分支的長度數據導出在wire-line的報表中，長度的精確度可以在設置中進行取整，也可以將其展開圖導入工程制圖中，生成二維工圖進行標注。結合展開圖和報告，在FSAC賽車實體上的線束制作就會事半功倍，實體操作更加有條理、方便，減少材料的浪費，避免后期大量反復修改的問題。

3" 結論

與汽車行業傳統線束制造方式相比，使用CATIA的線束三維建模進行設計，有效地結合FSAC賽車三維機械設計模型布置線束的空間走向和尺寸，能有效地降低線束冗雜的局面，規避不合理的線束路徑。線束展開生成報表，能減少物料浪費，節省后期線束制作的時間，降低周期，提高成本報告準確性，對高壓線束的建模減少實際與預期的偏差，解決高壓線實際布局困難的問題。

參考文獻：

[1] 湯自強，衛強，呂自國，等. 結合Catia軟件淺談低壓線束布置[J]. 汽車電器，2020（5）：78-80.

[2] 王盈旭，趙瑞俊，李兆杰，等. 基于CATIA的后處理系統三維布線技術應用研究[J]. 汽車電器，2021（4）：75-76，79.

[3] 陶瑩，孫豐超，韓光杰. CATIA布線在某輕卡車型上的應用[J]. 汽車實用技術，2020（9）：214-217.

[4] 白健宇. 基于CATIA汽車線束三維設計的初期準備與相關應用[J]. 汽車電器，2021（8）：62-67.

[5] 馬凌莉. 基于CATIA的飛機電氣線路布線設計[D]. 成都：西南交通大學，2017.

[6] 郭其濤. 汽車線束設計及搭鐵分析[D]. 長春：吉林大學，2019.

[7] 蔡晶晶. 汽車線束的精益設計及布置[J]. 工業設計，2012（3）：262.

（編輯" 凌" 波）