汽车线束轻量化设计方法

汽车线束轻量化设计方法

黄祖海

柳州坤菱科技有限公司 广西 柳州 545000

摘要：经济的发展，人民生活水平的提高，促进人们对汽车需求的增多。汽车保有量的持续增高，一方面推动社会经济发展，另一方面给环境与能源消耗带来了压力与影响。汽车排放是大气污染的重要来源，节能减排是汽车行业的重要任务。汽车轻量化是节能减排的重要方面，汽车线束是轻量化的重要组成部分。以某C级车为例，通过线束连接的电器件达到514个，这些线束本身可被拆分成5000多个独立零件，拆解后长度可达3-4km，线束成本约占整车成本3%。本文就汽车线束轻量化设计方法展开探讨。

关键词：线束；轻量化；铝导线；小线径导线

引言

随着汽车行业的进一步发展，促使汽车的设计逐渐向着轻量化的方向发展。但是在设计的过程中，却存在一些问题，影响轻量化设计的进行，影响汽车的质量和使用效果，同时也是不利于汽车行业发展。因此，就要对汽车轻量化设计的关键技术进行研究，采取相应的实行措施，保障轻量化设计的目标得以实现。通过这样的方式，保障汽车行业的进一步发展，同时提升汽车的功能和质量以及使用效果，满足国民的需求，提升国民的生活质量，推动国家经济实力显著提高。

1轻量化结构优化设计

对原有结构件进行轻质材料的简单替代仅仅是实现汽车轻量化的初级阶段，而实现轻量化的关键前提是进行合理的轻量化结构设计。更为具体地，汽车轻量化结构设计必须从整车的角度进行全方位的考虑，它同时包括汽车整体车身的拓扑优化设计和尺寸形状再优化设计。具体而言，拓扑优化设计运用多种综合分析技术和方法更为合理地优化各类材料的分布形式和连接方式，重点侧重于从宏观的层面通过零部件的薄壁化和中空化设计手段来实现车身整体结构的轻量化。通常是在完成拓扑优化设计的前提条件下一步再进行尺寸和形状的优化设计，主要是通过对几何形状和尺寸、横截面积、节点位置等参数进行再次优化，目的是在维持基本刚度不发生变化的条件下达到轻量化的目的。在进行轻量化结构优化设计的过程中，自然界中的仿生学原理为其提供了良好的借鉴：在生物界的长期进化过程中，保持一定刚度的前提下一些生物体在生态构造上形成了重量轻、寿命长的特点。自然界进化规律使得材料总是遵循轻量化的原则：如从动物骨胳和植物杆径的横截面可以看出，材料总是遵循物尽其能的原则进行最为合理的分布：在承受载荷较大的部位优先生长材料，而在受载很小的部位则材料分布相应地最少。因此，自然界仿生学从造型、拓扑和构造等多方面为汽车轻量化的优化设计提供了参考，即可指导结构的优化设计。大量的实践过程表明，车身及车体结构完全可以遵循自然法则进行智能化和轻量化设计。在汽车轻量化结构优化设计方面一般应遵循如下基本原则：确保尽量直接的力导入与力平衡；尽可能地将惯性矩与阻力矩最大化；保证构件具有轻盈的结构；充分发挥曲率的自然支承作用；为了确保安全和可靠性，需要对结构件的主承载方向进行加固设计；必须优先遵循一体化原则；在设计过程中合理地引入空腔结构实现进一步的减重等。

2导线小型化设计

（1）应用小型导线的意义。目前，汽车线束导线朝着细小化方向发展，与之前相比，内舱越来越多使用0.13mm²和0.75mm²铜导线。小型化线束是各大线束厂商的重点研究方向，整车线束越来越轻，占汽车重量比率逐渐降低。随着新技术的发展，越来越多企业采用新型合金细导线（0.17、0.13mm²）替代传统铜导线，以减轻线束重量。线束中信号回路比电源回路数量大，如果信号线能采用合金细导线，则可以在很大程度上减轻线束重量，这是线束轻量化的一个方向。（2）小型导线可行性论证。各类导线参数见表1，单位长度下0.13mm²合金导线比0.35mm²铜导线重量减少60%，导线截面积减小65%，同时抗拉强度更优。采用0.13mm²导线可以改善线束的重量和尺寸。在汽车线束中，单根信号导线的回路长度一般不超过5m，因此小线径合金导线的电阻很小，引起的电压降消耗不会对信号产生影响。0.13mm²合金导线对于端子的压接效果高于标准要求，目前基本可以实现合金细导线压接，符合质量标准。由上可知，0.13mm²导线在机械强度、性能和压接工艺上均具有可行性。（3）小型导线应用问题及措施。汽车运行中，导线外包的绝缘体受热后性能逐步退化，导线电阻逐步升高，选取导线线径时，需要评估电流是否匹配小线径导线。在整车线束布置中，发动机舱环境温度较高且不稳定，对于导线性能具有一定影响和安全风险。对于小线径导线，建议从内舱开始应用，内舱环境温度合适而且多为静态区域；待小型导线技术逐渐完善后，再应用到其他区域。

3近似模型和寻优算法

在面对汽车轻量化设计的过程中，要重视计算零件和整车各方面的性能参数。在对各个学科进行计算和制作分析模型的时候，会出现多个耦合变量，这就需要多个优化迭代步骤。但是多次使用这个步骤，会导致计算过程变得更加复杂，进而影响最优效率的寻找速度和结果。所以在进行设计的时候，经常会使用近似模型的方式进行代替。其中常用的有多项式响应面模型和克里金响应面以及移动最小二乘响应面。之后就要对近似模型进行优化，其中主要使用多学科可行方法和协同优化算法以及BLISS等优化方法，同时还会使用多目标遗传算法等进行寻优，以此保障设计的结果，推动汽车的发展。

4铝导线应用分析

近年来，汽车上整车控制器、传感器越来越多，连接线束越来越长，整车成本不断增加。电气设计师努力尝试采用数据总线来减少线束回路，但减重效果已逐步达到极限；因此，铝导线的应用越来越成为发展方向。铝导线具有以下优势：（1）密度小。与铜导线相比铝导线密度小，在相同长度下铝导线重量更轻，是线束轻量化发展的趋势之一。（2）价格低、铝资源丰富。全球铜储量远小于铝，因此铜价格高于铝，且铜价格呈上升趋势，铝价格相对低廉且波动较小。汽车线束用铜量大，采用铝替代铜，可以有效降低汽车线束的生产成本。为验证电源线路使用铝导线代替铜导线的可行性，在某C级车上，试验铝导线代替铜导线技术。选取了传输电源的单回路、非绞线回路、非接地回路、非焊点回路，并优选非长时间持续工作干区电源回路。搭载铝导线前后，分别对铜、铝导线进行电压降测试、热冲击测试、载流测试等一系列试验，并进行道路试验，目前试验结果均无异常，说明在这些回路上铜、铝介质无明显差异，铝导线代替铜导线的方案可以在部分回路上推广。

5 结语

综上所述，汽车轻量化设计是时代发展的趋势，更是国民生活水平和质量提升的要求。因此，在国家发展的过程中，就要对汽车轻量化设计的关键技术进行分析，采取相应的措施，保障设计的结果，提高汽车行业的发展速度。通过这样的方式，实现国家汽车行业快速发展的目的，满足国民的需求，进而为我国建设经济强国和和谐社会奠定基础。

参考文献

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作者简介：黄祖海（1992-），男，壮族，广西柳州人，本科，主要从事汽车线束设计工作。