汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程和方法

汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程和方法

在過去的十多年里，中國的汽車工業(yè)快速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程極其全面。在技術(shù)上，這一成就與所有人對汽車事業(yè)的忠誠期待和不懈努力是緊密分離的。如何滿足產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和藝術(shù)化的需要,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)周期的縮短和設(shè)計(jì)品質(zhì)的提高,這些都是目前大家所關(guān)心的問題,合理的設(shè)計(jì)流程和方法會使工作事半功倍。因此,在汽車設(shè)計(jì)研發(fā)階段,設(shè)計(jì)過程必須得到規(guī)范和控制,系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化才是走向成熟的標(biāo)準(zhǔn)。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)在整車設(shè)計(jì)過程中是相對獨(dú)立的設(shè)計(jì)課題。隨著汽車科技不斷發(fā)展,電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)也將在未來汽車設(shè)計(jì)中扮演更加重要的角色。汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括5個(gè)步驟:(1)標(biāo)桿車逆向;(2)電氣系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì);(3)電氣系統(tǒng)電能平衡計(jì)算;(4)電器件布置和三維線束布線設(shè)計(jì);(5)電線束設(shè)計(jì)。關(guān)于汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體過程,本文作了簡要敘述,淺見與大家共同探討。1工作電流的測量每個(gè)新的設(shè)計(jì)課題,在設(shè)計(jì)初都會有標(biāo)桿車(參考樣車),標(biāo)桿車逆向過程就是對標(biāo)桿車進(jìn)行了解和分析,并作為設(shè)計(jì)車型的原始積累或設(shè)計(jì)參考。其主要包括標(biāo)桿車電器件測量、標(biāo)桿車電器件功能描述、拆車工藝描述、比對(Benchmark)記錄表、標(biāo)桿車電氣系統(tǒng)分析報(bào)告等。下面就標(biāo)桿車電器件測量作詳細(xì)的描述。在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初,應(yīng)對各用電設(shè)備進(jìn)行電流值以及其他相關(guān)參數(shù)的測量,作為正向電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中,某些電流參數(shù)將會影響整車電流分配。發(fā)電機(jī)、蓄電池、起動(dòng)機(jī)以及各熔斷片容量的確定都將以此為根據(jù)。在整車靜態(tài)、蓄電池電壓為12.47V時(shí),點(diǎn)火開關(guān)打到OFF檔,其靜態(tài)電流為0.1A;當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)打到ACC檔時(shí),其電流為0.1A;當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)打到ON檔時(shí),其電流為1.72A。在整車靜態(tài)、蓄電池電壓為12.47V時(shí),全車各電器件工作電流測量數(shù)據(jù)如表1所示。對各用電設(shè)備進(jìn)行電流值以及其他相關(guān)參數(shù)測量,其操作流程及方法如下。1)首先測量整車靜態(tài)下蓄電池的電壓,如果電壓不足,要及時(shí)充足電后才能進(jìn)行測量。2)查看燃油表顯示的油量,如果缺油,要及時(shí)加油后才能進(jìn)行測量。3)拆卸蓄電池負(fù)極樁線束端子,將萬用表正極(紅表筆)連接到線束端子,負(fù)極(黑表筆)連接到蓄電池負(fù)極樁頭。4)在每次測量電器件電流之前,都要注意核實(shí)點(diǎn)火開關(guān)的檔位,并記下所在檔位的靜態(tài)電流,然后操縱相關(guān)開關(guān)和按鈕,記下此時(shí)的電流值。2次的電流值相減才是所測電器件的真實(shí)電流。5)測量中表筆會因電流較大而發(fā)熱,要注意停止測量使之冷卻降溫,以免影響測量結(jié)果,避免燒損表筆。6)對于工作電流較小的電器件,使用萬用表電流檔適當(dāng)量程;對于工作電流可能大于萬用表電流檔量程時(shí),應(yīng)使用鉗形表,并選擇適當(dāng)檔位,以保證測量的準(zhǔn)確性。7)使用鉗形表時(shí)應(yīng)將鉗口掐在電線的相對直線段上,并注意校零。2基于原理圖的分野最開始的電氣系統(tǒng)原理圖是對標(biāo)桿車線束逆向的結(jié)果。然而,在正向設(shè)計(jì)過程中,必須對設(shè)計(jì)車型電器件原理進(jìn)行匯總整理,根據(jù)配置的需要和各電器件設(shè)計(jì)容量,進(jìn)行整車電源合理分配以及熔斷片、繼電器容量的確定。原理圖的畫法也各不相同,找到一種合理、清晰、簡便的制圖方法同樣是一種完美的設(shè)計(jì)革新。為了讓圖紙簡單實(shí)用、一目了然,作者采用圖1的畫法(為了說明原理圖的畫法,筆者剪切了某微客車的電源起動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖以示說明),在我們批產(chǎn)車維修手冊中也采用了此類電路原理圖,對維修起到了很好的效果。電氣系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)要求如下。1)設(shè)計(jì)任務(wù)書滿足技術(shù)協(xié)議要求。2)符合設(shè)計(jì)任務(wù)書要求。3)設(shè)計(jì)按照國標(biāo)和汽標(biāo)規(guī)定執(zhí)行。4)對標(biāo)桿車充分了解,制定沿用件、改制件和新件。5)產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。6)產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮電流、電壓、功率、工作條件、系統(tǒng)間信號傳輸方式及要求。3便捷便捷的計(jì)算電氣系統(tǒng)電能平衡就是通常進(jìn)行的起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率匹配以及蓄電池的電容量確定。在以前的很多資料中,對三者的匹配已作過論述,分析相當(dāng)細(xì)致?？紤]到影響三者關(guān)系的因素眾多,一直以來計(jì)算都存在經(jīng)驗(yàn)估值,因此,在設(shè)計(jì)過程中,可以通過簡便快捷的方法進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行電氣系統(tǒng)分析前,必須對整車的電氣配置了解,對供電系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行確定,如整車電氣系統(tǒng)的電壓、搭鐵極性、蓄電池容量及起動(dòng)機(jī)的功率等。3.1用電設(shè)備工作性質(zhì)分析根據(jù)汽車行駛中用電設(shè)備的工作時(shí)間長短及頻率,并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境所區(qū)別于其他地域的電能配需情況,對用電設(shè)備實(shí)行3種工作性質(zhì)劃分:連續(xù)工作制、短時(shí)工作制和隨機(jī)使用的設(shè)備。工作制的區(qū)別是通俗的比喻,是筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給予的分類。如此劃分可充分考慮滿足車輛正常行駛的用電量,并準(zhǔn)確表達(dá)各設(shè)備主次關(guān)系(整車所有用電設(shè)備都將參加工作制的編排)。3.1.1連續(xù)安裝設(shè)備連續(xù)工作制設(shè)備指在汽車行駛中連續(xù)不間斷用電的設(shè)備,包括發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、組合儀表等。3.1.2斷性用電設(shè)備短時(shí)工作制設(shè)備指汽車行駛中常使用的間斷性用電設(shè)備,包括前照燈、夜間燈、轉(zhuǎn)向燈、霧燈、牌照燈、空調(diào)壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、喇叭、制動(dòng)燈、前刮水器和后刮水器等。3.1.3隨機(jī)使用的用電設(shè)備隨機(jī)使用的設(shè)備指汽車行駛中使用時(shí)間不確定、隨機(jī)使用的用電設(shè)備,包括車內(nèi)燈、散熱器電風(fēng)扇、電動(dòng)門窗、前洗滌、后洗滌、倒車燈、制動(dòng)燈、點(diǎn)煙器、音響系統(tǒng)、安全氣囊和其他用電設(shè)備。3.2整車用電設(shè)備用電電氣系統(tǒng)負(fù)荷與用電設(shè)備的使用和工作狀態(tài)相關(guān),用電設(shè)備的工作狀態(tài)決定于季節(jié)、環(huán)境、交通狀態(tài)和個(gè)人的使用愛好,復(fù)雜的使用條件使電氣系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算變得困難,為了分析計(jì)算的方便,引入用電設(shè)備使用頻度(或者負(fù)荷計(jì)算權(quán)值),用μ來表示,即加權(quán)求和。整車用電設(shè)備用電量如表2所示。根據(jù)用電設(shè)備使用頻度計(jì)算電器設(shè)備的用電量,公式如下式中:I總計(jì)功率P3.3蓄電池容量計(jì)算方法蓄電池是供電系統(tǒng)的輔助電源,它擔(dān)負(fù)著發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)供給起動(dòng)機(jī)電源及發(fā)電機(jī)不工作或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)向用電設(shè)備供電。當(dāng)用電設(shè)備所需的功率超過發(fā)電機(jī)所發(fā)出的功率時(shí),蓄電池與發(fā)電機(jī)聯(lián)合向用電設(shè)備供電。但蓄電池原則上只擔(dān)負(fù)起動(dòng)機(jī)的負(fù)荷,其電容量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下式中:Q——蓄電池容量,Ah;μ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),范圍630~810;P例如,某設(shè)計(jì)車型發(fā)動(dòng)機(jī)配用的起動(dòng)機(jī)額定功率1.0kW,標(biāo)稱電壓為12V,μ取630~810,則蓄電池電容量為:Q根據(jù)GB/T5008.2表3中的蓄電池規(guī)格,考慮冷起動(dòng)特性,本應(yīng)選用蓄電池額定容量為60Ah,但顯然有些浪費(fèi),加之空間無法滿足60Ah蓄電池布置尺寸,最終選用了已成熟搭載其他車型的55Ah非標(biāo)電池,并得到了良好的效果。4設(shè)備配置和三維線束布的設(shè)計(jì)4.1汽車內(nèi)裝式機(jī)械系統(tǒng)的確定電器件的布置是為所有的電氣連接、功能實(shí)現(xiàn)、造型、結(jié)構(gòu)等服務(wù)的。在整車設(shè)計(jì)的內(nèi)外造型定下來后,經(jīng)過油泥和掃描工作,由總布置確定各電器件在整車坐標(biāo)中的具體坐標(biāo)位置,滿足人機(jī)工程學(xué)、裝配工藝性以及各電器件自身的特性等原則。4.2三維線束設(shè)計(jì)4.2.1線束安裝要求1)凡穿越金屬件孔或金屬棱角時(shí),線束必須有彈性護(hù)套管保護(hù)。2)金屬孔設(shè)計(jì)時(shí),必須有橡膠護(hù)套。3)線束布線應(yīng)沿邊、沿槽,防止線束直接承受壓力。4)線束必須在車身上可靠固定,不允許有大于300mm的懸空布線。5)電線束尺寸應(yīng)符合QC/T29106的規(guī)定,其中電線束基本尺寸極限偏差取值如表3所示。6)線束走向應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高溫發(fā)熱物體,避免傳導(dǎo)熱和輻射熱的傷害。7)運(yùn)動(dòng)件、開閉件間的線束要留足最大開度的長度,并考慮最小開度時(shí)的堆積空間和固定方式。8)需要在外面連接電器件插接件且需再塞回固定的線束,要留足拉出操作時(shí)需要的長度,并考慮固定后的堆積空間和固定方式。9)線束布線考慮工藝裝配順序和裝配的方便性。12)較長距離穿過狹窄孔洞,應(yīng)要求結(jié)構(gòu)件中間加開便于中轉(zhuǎn)線束的沉孔。13)盡可能考慮大總成模塊化裝配,提高生產(chǎn)線裝配速度。4.2.2汽車面及家庭線束的安裝1)線束的固定孔要盡可能開在結(jié)構(gòu)件的平面區(qū)域。曲面上固定時(shí),最好在結(jié)構(gòu)件上做出小平面。2)線束過孔的密封保護(hù)要考慮橡膠擴(kuò)大處在應(yīng)力變形的狀態(tài)及裝配方向。3)鈑金結(jié)構(gòu)件不允許開孔時(shí),可考慮熔焊卡條或焊接凸起支架及凸焊螺栓(卡柱)。4)線束與鈑金凸起或棱角過渡時(shí),可將鈑金件做凹槽,以保護(hù)線束免于擠壓損壞。5)線束及電器件的固定安裝能采用卡接等徒手操作的,盡量避免使用工具。6)布線結(jié)束,應(yīng)該測出線束上各個(gè)卡扣、膠套、電器件間的線束長度,作為二維線束圖上的線長標(biāo)注的依據(jù),測量精度達(dá)到±5mm即可。電器件布置和三維線束設(shè)計(jì)不僅是線束長度的模擬和線束包扎方式的依據(jù),同時(shí)也是對衍生標(biāo)準(zhǔn)件的確定。5家庭成員在車輛駕駛中的應(yīng)用,有利于汽車?yán)硇詧?zhí)法電線束是電氣原理圖的產(chǎn)品反映,是電氣系統(tǒng)電源信號或數(shù)據(jù)信號進(jìn)行傳遞或交換,實(shí)現(xiàn)電器部件功能,滿足車輛行駛安全、可靠、娛樂實(shí)時(shí)控制的載體。隨著電器配置在汽車研發(fā)中投入百分比的不斷增加,此載體的穩(wěn)定性和安全性將尤為重要。怎樣來提高電線束的穩(wěn)定性和安全性?筆者認(rèn)為:應(yīng)該從導(dǎo)線規(guī)格、熔斷絲規(guī)格以及插接件的選擇上進(jìn)行加強(qiáng)。5.1起動(dòng)機(jī)電纜系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)在確定導(dǎo)線截面積時(shí)要考慮電壓降和發(fā)熱。用電設(shè)備的電流強(qiáng)度為式中:I——電流強(qiáng)度,A;P——用電設(shè)備所需功率,W;U在絕緣導(dǎo)線允許的電壓降下,導(dǎo)線的截面積由表4查出(銅的比電阻ρ=0.0185Ω·mm式中:U在新型汽車上,大多數(shù)的用電設(shè)備都有保護(hù)。然而起動(dòng)機(jī)電纜由于其起動(dòng)電流特性,故不采用常規(guī)的熔斷絲保護(hù)。起動(dòng)機(jī)電纜要么不保護(hù),要么采用高溫分離元件,在臨界安全點(diǎn)時(shí)切斷電流。此外,起動(dòng)機(jī)電纜的連接特別重要,因?yàn)樵陔娎|上的電壓降對發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)特性比正常連接后達(dá)到的峰值電流和持續(xù)電流有更重大影響。除起動(dòng)機(jī)外,其他用電設(shè)備大都采用熔斷絲保護(hù),或者在電控系統(tǒng)中采用電子保護(hù)裝置。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)供電導(dǎo)線的尺寸時(shí)就應(yīng)考慮保護(hù)方式。采用熔斷絲保護(hù)方式時(shí),用電設(shè)備的最大持續(xù)電流應(yīng)小于熔斷絲額定電流的80%。為便于汽車電系的連接和維修,汽車用低壓線的顏色必須符合國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。單色線和雙色線的顏色規(guī)定可以參考QC/T414—1999《汽車用低壓電線的顏色》。各系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定主色和輔助色的搭配,盡量做到輔助色服從主色,注意同一插接件同一線徑問題。汽車電系一般分為9個(gè)系統(tǒng),系統(tǒng)主色選擇可參考表5。5.2導(dǎo)電部分的安全性能電氣插接連接必須保證各系統(tǒng)部件間的可靠連接,以保證系統(tǒng)在各種使用條件下的可靠工作。選擇上可遵循以下原則。1)導(dǎo)電部分的接觸電阻很小。2)不同電壓的導(dǎo)電部分之間的高絕緣性。3)防水、防濕氣、防鹽霧。4)特殊工作環(huán)境下的選擇,如振動(dòng)加速度、濕度和浸水、高溫和低溫、侵蝕性液體和有害氣體等。5)根據(jù)三維線束布置情況,便于裝配,滿足空間要求。6)方便且無誤地裝到汽車上,安全的極性保護(hù)。7)安全的、可感覺到的閉鎖緊裝置,并易于釋放。6汽車電氣設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)層面在以往的電氣設(shè)計(jì)中,大多數(shù)設(shè)計(jì)人員針對自身所負(fù)責(zé)的單獨(dú)的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),專業(yè)性很強(qiáng)