前言:

當(dāng)前環(huán)境污染是關(guān)系民生的重大問(wèn)題。對(duì)此國(guó)家在汽車(chē)行業(yè)提出了節(jié)能減排的措施及油耗要求。各汽車(chē)廠家都致力于降低整車(chē)制造成本的同時(shí)降低客戶的使用成本(油耗)，輕量化已經(jīng)成為各汽車(chē)生產(chǎn)廠家的重要課題，也是各車(chē)型能否進(jìn)一步占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵。線束作為整車(chē)的重要零部件，占整車(chē)總重量的2%，而且隨著汽車(chē)電子設(shè)備的逐漸增加而繼續(xù)擴(kuò)大。線束輕量化任務(wù)越來(lái)越被重視，本文從線束的各組成部件分析入手，對(duì)汽車(chē)線束的輕量化發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)要闡述。

1、線束的重量組成結(jié)構(gòu)前言

汽車(chē)線束的重量的組成75~80%是導(dǎo)線、15%是端子及接插件、10%是外包材料及其它。

1.1導(dǎo)線

傳統(tǒng)汽車(chē)的導(dǎo)線都是銅合金導(dǎo)線，線徑的使用由0.35~25mm，每輛汽車(chē)的導(dǎo)線使用如果首尾相連約2KM。以一輛B級(jí)轎車(chē)的重量來(lái)估算，導(dǎo)線的重量約25~30KG，汽車(chē)每行駛100KM，車(chē)輛將消耗近0.1kg的汽油。

導(dǎo)線做為線束重要的組成者，研究如果選用更輕，更可靠的替代產(chǎn)品成為線束輕量化領(lǐng)域的熱門(mén)話題。近幾年來(lái)，鋁導(dǎo)線、特細(xì)導(dǎo)線、合金導(dǎo)線以及混合芯體導(dǎo)線層出不窮，越來(lái)越被線束廠家和主機(jī)廠所重視。

1.1.1電源線的輕量化方案

電源線因其承載電流大，線徑粗，端子和導(dǎo)線的拉拔力強(qiáng)，所以利用鋁導(dǎo)線代替銅導(dǎo)線的方案被越來(lái)越被線束生產(chǎn)廠家所接受。因?yàn)殇X導(dǎo)線其導(dǎo)線特性和銅比較相近，重量比銅更輕。所以鋁導(dǎo)線的使用前些年已經(jīng)普遍應(yīng)用于2.5mm~50mm的銅合金導(dǎo)線的替代上。此方案比較成熟，輕量化方面取得顯著效果。

1.1.2信號(hào)線的輕量化方案

雖然銅和鋁的導(dǎo)線性能上比較相近，但是其拉伸強(qiáng)度鋁的性能遠(yuǎn)不如銅。小線徑的輕量化方案，生產(chǎn)廠家采取的方案百花齊放。

(1)0.75mm鋁導(dǎo)線的應(yīng)用

有部分廠家沒(méi)有放棄鋁導(dǎo)線的使用，繼續(xù)研究其合金的拉伸強(qiáng)度是否可以彌補(bǔ)其純鋁導(dǎo)線的不足。例如以某導(dǎo)線生產(chǎn)廠家的鋁導(dǎo)線開(kāi)發(fā)為例。為滿足0.75mm的鋁導(dǎo)線可代替0.5mm的銅導(dǎo)線為目標(biāo)，設(shè)定鋁合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率目標(biāo)滿足58%IACS，拉伸強(qiáng)度目標(biāo)滿足110MPa。雖然純鋁的導(dǎo)電率能達(dá)到62%IACS，但是其拉伸強(qiáng)度只有70MPa。那么就需要在鋁導(dǎo)線內(nèi)增加第二種金屬，最優(yōu)的是Fe，但是分析Fe的比例后發(fā)現(xiàn)滿足導(dǎo)電率的要求后加工性能下降。所以繼續(xù)增加第三種元素，第三種元素既要滿足加工性能對(duì)Fe缺陷的補(bǔ)償即MS要小，又要拉伸強(qiáng)度的固溶量要高，所以Mg恰恰合適。

表1各元素的Misfit值和最大固溶量

這樣摻有另外兩種金屬的鋁合金就很好的替代了銅合金導(dǎo)線，即在導(dǎo)電率和拉伸強(qiáng)度上滿足了設(shè)計(jì)要求，也大大降低了導(dǎo)線的重量。但是面臨的問(wèn)題卻較為棘手。

CuO和Al2 O3的導(dǎo)電率10~7s/cm，都是不導(dǎo)電的物質(zhì)，所以只能通過(guò)壓接破壞其氧化膜來(lái)保證其導(dǎo)電率。但是壓縮比與保持力也存在矛盾，對(duì)于Al合金的導(dǎo)線其合適的壓接區(qū)域比Cu合金導(dǎo)線的區(qū)域更窄，更加不易于操作。所以廠家改善了端子壓接槽形狀來(lái)改善電線保持力和電流連通性能(圖1)。

圖1壓接條件和阻抗對(duì)比

解決了壓接課題，又面臨著防腐問(wèn)題。鋁的金屬活潑性比銅活潑，所以在與銅端子壓接過(guò)程中，接觸位置容易產(chǎn)生接觸腐蝕。在硫化的環(huán)境下，金屬鋁很容易溶出。為了解決此問(wèn)題，圖2接觸位置(包括壓接部到端子后部)利用樹(shù)脂材質(zhì)熱縮密封能有效的解決此問(wèn)題。

圖2端子壓接的防腐

(2)銅合金的特細(xì)導(dǎo)線

信號(hào)線的導(dǎo)線利用率一直很低，0.5mm/0.35mm的銅導(dǎo)線可以承受10A左右的電流(環(huán)境溫度24℃)，但是信號(hào)線內(nèi)真正流通的電流往往只有幾毫安，這樣資源的浪費(fèi)成為很多線束生產(chǎn)廠家關(guān)注的焦點(diǎn)。0.13mm2、0.08mm2、0.05mm2導(dǎo)線已經(jīng)問(wèn)世，在多家企業(yè)應(yīng)用。

如何降低線徑，使低線徑的導(dǎo)線既能滿足信號(hào)傳輸?shù)囊?，也能滿足壓接的拉伸強(qiáng)度，端子插入的柱力等是特細(xì)銅導(dǎo)線普遍使用和更廣泛推廣的關(guān)鍵問(wèn)題。為了滿足機(jī)械性能的要求，在銅導(dǎo)線中增加合金同樣是決此問(wèn)題的方法。CuSn、CuAg、CuMg和銅包鋼是這幾年來(lái)各線束生產(chǎn)廠家青睞的產(chǎn)品。

以0.35mm導(dǎo)線與銅合金0.13mm的導(dǎo)線為例，其電氣性能相差不多，但是重量減少了60%，整體外徑也下降了20%。這些數(shù)據(jù)顯示了其優(yōu)秀的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。但是，并不是意味著0.13mm的銅合金導(dǎo)線可以完全替代0.35mm的銅導(dǎo)線。了解物理的都知道，金屬的承載電流能力隨溫度而變化，而且這種變化隨著電阻的增大而更加明顯。一般來(lái)說(shuō)，110度以下的環(huán)境中，0.35mm的銅導(dǎo)線和0.13mm的銅合金導(dǎo)線的性能差異不大，可以再信號(hào)線中替換。所以，這就制約了0.13mm導(dǎo)線的使用環(huán)境，在駕駛室內(nèi)可以普遍使用，但是發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)就需要根據(jù)所處位置仔細(xì)計(jì)算使用了。

雖然，0.13mm的銅合金導(dǎo)線由很大的市場(chǎng)前景，但是其機(jī)械強(qiáng)度和插入插件的柱力都是未來(lái)深入研究的方向。不同于鋁導(dǎo)線的方式，因?yàn)槠渚€徑過(guò)小，其合金內(nèi)即使參入新的合金也很難滿足機(jī)械性能、電氣性能的同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)效益需求。所以有些線束廠家跳出了金屬?gòu)?qiáng)度的限制，在導(dǎo)線的外包上尋求解決方案。可喜的是，至今為止很多廠家都需找到了很好的代替資源。

原有導(dǎo)線絕緣層為PVC、XLPE材質(zhì)，內(nèi)部含有鹵素等有毒物質(zhì)。

圖3 PPE與PVC的對(duì)比

近幾年世界環(huán)保組織對(duì)汽車(chē)環(huán)保提出再回收的標(biāo)準(zhǔn)后，新型無(wú)鹵素絕緣層被研發(fā)出來(lái)PPE。其成分安全，環(huán)保，又特殊的阻燃性特性。被越來(lái)越多的廠家應(yīng)用。由PVC更改為PPE材料。同規(guī)格的0.35mm導(dǎo)線，直徑降低了27%，面積降低了47%(圖3)。

如果對(duì)銅合金的導(dǎo)線更詳細(xì)的分析，可以知道，CuSn的金屬?gòu)?qiáng)度特性比較優(yōu)秀，CuAg的電氣性能比較優(yōu)秀。這在導(dǎo)線壓接和性能選擇上可以作為不同的參考依據(jù)。

(3)混合材質(zhì)的特細(xì)導(dǎo)線

在成本節(jié)約和能源控制方面日系企業(yè)一直都是實(shí)至名歸的第一位。最早在SUMITOMO研發(fā)的一款0.13mm2導(dǎo)線為最細(xì)的導(dǎo)線，其采取的是用混合材質(zhì)的方式，采用中心為一種銅材質(zhì)，外圍為另外一種材質(zhì)，并且中心和外圍的銅絲線徑也不相同。雖然這種導(dǎo)線也滿足的傳輸?shù)碾娦阅芤?，但是缺點(diǎn)也很明顯:制作工藝繁瑣，生產(chǎn)成本高，不能超聲波焊接，端子的壓接屬于非常規(guī)性壓接，需要特殊設(shè)備。因此當(dāng)時(shí)并未得到推廣。但是現(xiàn)在任有很多廠家在此方面繼續(xù)研究，在更細(xì)的導(dǎo)線上采取此種方案(圖4)。

圖4 | 混合材質(zhì)的特細(xì)導(dǎo)線

2、接插件的小型化

導(dǎo)線與接插件的發(fā)展一直都是相輔相成的，隨著導(dǎo)線的特細(xì)化發(fā)展，接插件的小型化也越來(lái)越快。各接插件的生產(chǎn)廠家，都大力開(kāi)發(fā)小型化的接插件。自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始0.64片寬的端子就已經(jīng)問(wèn)世。典型的有TE的MQS端子和SUMITOMO的0.64端子。這種小型端子可以使用在信號(hào)傳輸上，可以很大的降低1.5片寬的使用率，直接降低接插件的規(guī)格尺寸。

以某公司的20極0.64雙排插件為例，橫截面積低于同類(lèi)1.5片寬的插件75%，體積是60%。插件的連接主要性能是老化后接觸電壓降和插件的機(jī)械強(qiáng)度。為了滿足其性能要求，在接插件的自鎖結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計(jì)。在端子的選材上合金的選擇更加嚴(yán)格(圖5)。

圖5 | 公母端子的拉伸力強(qiáng)度

3、線束保護(hù)的輕量化

線束保護(hù)有很多形式，包括護(hù)板、橡膠件和支架。為了能減低做好輕量化工作，線束的保護(hù)上可以開(kāi)展以下工作:

(1)減少金屬支架的架構(gòu)，采用高強(qiáng)度的塑料護(hù)板替代金屬支架:例如保險(xiǎn)絲盒支架和發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置支架(根據(jù)環(huán)境溫度選擇)。

(2)減少塑料護(hù)板的選擇，利用車(chē)身結(jié)構(gòu)、特殊卡丁和固定件替代護(hù)板。

(3)減少波紋管的使用，采用耐磨纖維和布基的纖維管代替波紋管。既可以降低成本，也可以減少噪音。

(4)減少橡膠件的使用，在密封要求不高的位置選用發(fā)泡，替代橡膠件。

(5)線束的布置上盡量減少內(nèi)連接，不僅可以降低接插件的重量，也可以減少接插件固定所需的附屬件重量以及車(chē)身結(jié)構(gòu)重量。

4、總結(jié)

本課題對(duì)汽車(chē)線束的總量組成部分的入手，分析了輕量化的方向，及行業(yè)也各零部件的輕量化發(fā)展趨勢(shì)。詳細(xì)介紹了導(dǎo)線、接插件、線束保護(hù)等幾方面的技術(shù)發(fā)展方向和技術(shù)難點(diǎn)。對(duì)于汽車(chē)線束輕量化課題的深入研究有重大意義