汽车整车线束系统可靠性分析

摘要：整车线束系统作为整车电气系统的组成部分具有非常重要的作用，汽车电子技术的广泛应用使得整车线束系统越来越复杂。通过对线束可靠性设计和线束端子压接以及剖面检查的质量控制标准的简要阐述，以及对端子拉力、电压降和切片试验的分组验证，找到了端子压接拉力和电压降与压接高度的一般规律。根据端子切片试验，综合得出线束生产控制过程中关于压接高度的关键指标，由此可提升线束设计和生产控制的可靠性。 

整车电气系统是汽车电子装备安全性和可靠性的核心系统，而汽车整车线束系统作为整车电气系统的组成部分具有非常重要的作用。当下的汽车电气问题都集中反馈在线束这一产品上。某汽车集团收集的数据显示，有50%以上的整车电气系统电气故障都和线束有关。究其原因是线束产品集中反馈所有电器件的信息，在产品的正确度以及可靠性上都面临着巨大的挑战。文章旨在通过对整车线束系统的可靠性设计、可靠性质量控制和试验的论述，提升整车线束系统的可靠性，进而提升整个电气系统的可靠性。

文章主要通过汽车线束端子、线束保护装置及线束插接件的可靠性设计三方面来阐述汽车线束系统的可靠性设计。

1.1 端子可靠性设计

现阶段汽车线束常用的金属端子为了保证导通性一般都会进行镀镍处理，镍暴露在空气中时表面会发生氧化从而产生一层氧化膜，这层氧化膜阻止了空气中氧气的进一步氧化，起到了保护作用；还有一些端子采用镀锡的工艺，主要应用在传导要求并不高的电线和地线；在对端子传导要求较高的插接器中，一定要采用镀金的端子以防止过度氧化，这类端子一般用在安全气囊相关的接插件端子中。

1.2 线束保护装置可靠性设计

线束的包裹和固定方式也是线束保护的主要方式，一般采用耐高温、耐腐蚀以及密封性好的材料对车内线束进行保护。在铰链这种经常出现运动的部件位置，需要对线束的包裹和固定进行设计，保证线束既不影响安装又能够方便维修，因此往往采用套管或者胶堵这类零件来保证防水性和安全可靠性。针对不同环境以及不同位置的固定和包胶，需要结合具体的装配环境采取专门的保护措施。

1.3 线束插接件可靠性设计

线束接插件的可靠性设计主要关注以下内容：首先是设备工作总负荷，选择连接器时需要考虑工作环境最高温度，同时需要考虑最大负载等因素，通过工作时散发的热量选择相应的连接器，对于降低连接器的工作温度有着重要的作用；其次，选择连接器时需要考虑布置环境，一般在汽车的湿区连接器都会加入防水栓并在插头的连接部位加入塑胶套（CP）保证密封性；另外，尽可能减少对接，究其原因是连接器的可靠性并不一定高于单线，将功能相似的接插件尽可能地合并就能够提高可靠性，通过在不影响功能的前提下减少接插件数量就能够降低风险。

汽车线束系统的可靠性质量控制主要在于端子压接和压接后的剖面检查。

2.1 端子压接

电线的端子压接主要保证导通的功能，导线和端子间有效的信号传递、机械和电气的可靠连接有赖于稳定有效的端子压接才能够实施。标准端子压接，如图1 所示。

端子压接合格的必要条件包括：1） 端子整体没有严重的变形，端子头部与单线保持平行；2）端子两侧的金属片正常弹起，保证在插入插头后不被拔出；3）在单线压接后线芯仅露出0.3~1.0 mm；4） 端子头形状不得破坏；5）电线绝缘部分被翼片紧密包裹，但不能露出电线绝缘皮的线芯。其中，任何一个条件不符合要求则认为不合格。电线端子在压接过程中，原材料的质量以及压接机器的调试不符合要求都会造成压接的端子不合格，进而降低整个产品的可靠性。

2.2 剖面检查

端子切片试验主要通过端子剖面分析仪完成。通过对端子进行破坏性试验获得端子的剖面，在打磨轮上对端子截面进行均匀打磨，打磨后使用酸性液体对试样的横截面进行腐蚀摩擦，保证端子断面在专用软件将截面放大到20 倍以上成像时能够清晰。完美的压接需要保证芯线之间、芯线与左右压接片之间没有空隙，且压接片的翼片基本对称，符合标准要求。端子切片试验需要关注的关键参数，如图2 所示。

图2 中的参数都是以压接面底部厚度为基础参数进行换算的。一般要求支撑角度不得超过30°，管端顶隙需要大于压接面底部厚度，压接管端部距离必须是压接面底部厚度的1/2，此外毛刺高度不得超过压接面底部厚度，毛刺宽度不得超过压接面底部厚度的1/2。

文章从具体的汽车线束系统端子和连接器的可靠性试验过程入手，对端子和连接器的生产控制指标进行可靠性验证。具体试验流程，如图3 所示。

可靠性试验最开始要对汽车线束系统的试样进行准备，从每日生产的线束模块中随机抽取试样，在自动压接机上安装模具并进行调整，调整后根据不同的压接高度进行试验。文章选择K 车型常用的端子类型进行检测，每种样本分为3 组试件并分别进行编号。根据调节模具高度分别制定1.7， 1.73， 1.75， 1.82， 1.9 mm5 个压接高度标准，一共25 个试样。

3.1 端子拉力试验

第1 组进行压接端子拉力测试。使用拉力测试仪绞盘固定端子口部，试样另一端通过卡钳固定。在拉力测试过程中匀速运动，速度保持在25 ~100 mm/min。当拉力增大到一定数值时端子会与导线脱开，在断开的一瞬间拉力计会记录下断裂时的拉力数值，同时可以观察断裂的形式。表1 示出汽车线束试样压接端子拉力测试数据。

从表1 可以看出，1.73，1.75，1.82 mm 符合试样压接端子拉力测试实际要求，大于理论压接拉力值，可以作为选择的压接高度进行压接。同样去除明显不符合统计数据要求的1.9 mm 压接高度的实际压接拉力94.1 N 这个数据，用三次多项式拟合曲线（如图4 所示）：

y= 0.189 5x³ - 4.176 4x² + 32.994x + 41.14

3.2 电压降测试

第2 组进行电压降测试，通过电压降测试器仪在试样的两端进行测量，从而调节试验电流，导线截面积为1.0 mm²，对应试验电流为5 A，当显示电压降数值稳定后对数值进行记录，记录结果如表2 所示。

从表2 可以看出，1.7，1.73，1.75，1.82，1.9 mm 5 个试样的电压降测试相对稳定。用四次多项式拟合曲线（如图5 所示）：

y= 0.006 3x⁴ - 0.146x³ + 1.079 6x²- 2.642 3x + 3.683 3 

3.3 端子切片试验

第3 组进行端子切片试验。压接高度的确定必须进行剖切面检验，并且通过分析才可以确定规范的压接高度。图6 示出不同压接高度的剖面切面图。

从图6a 可以发现，压接后两边的翼片之间存在差距，属于没有压接紧密的情况，这种情况容易导致电线表面氧化，进而导致端子的接触受到影响，因此压接高度为1.7 mm必须被排除。

从图6b 可以发现，压接图形符合要求，压接后两边的翼片之间贴合没有缝隙，压接底部毛刺较小，因此应力较小，压接高度为1.73 mm合格。

从图6c 可以发现，压接后两边的翼片变形且翼片贴合，没有缝隙漏出线芯，压接底部没有毛刺，导线的导电性较好，因此压接高度为1.75 mm合格。

从图6d 可以发现，压接后左右翼片有微小的缝隙，并且端子底部毛刺不对称。此种剖面图可能有安全隐患，在压接高度中不是推荐的压接高度。

从图6e 可以发现，有部分电线没有变形，压接后有空隙，这样容易产生接触不良或达不到拉脱力的要求。这种缺陷主要因为端子质量不良造成翼片不对称，如果压接模具磨损或模具调试不合适，也会出现两边底部不对称的问题，所以判定为不符合标准，不能作为可接受的压接高度。

综上，压接高度为1.73，1.75，1.81 mm 的端子符合要求，可以考虑压接，根据图形可以选择1.73 mm 作为K 车型常用端子的1.0 mm2 线径压接的标准压接高度。

文章从汽车线束系统的可靠性设计入手，提出一些可行的可靠性设计方案，使线束在设计过程之中就考虑到可靠性的因素，从而提高设计的效果，同时阐述了汽车线束在制造过程中质量控制方面的主要因素，并据此对汽车线束系统端子和连接器的可靠性进行了试验验证。

文章阐述的可靠性设计实际上只是庞杂的电气系统设计的一部分，在实际的工作中，工程师要面临的情况远比该情况复杂，如何将具体问题系统化、流程化，是下一步研究的一个方向。另外，文章对于电磁兼容也并未深入研究。在电器件尤其是通信类电器件不断增加的今天，电磁兼容将成为汽车电气系统中不可或缺的重要组成部分，不少主机厂由于电磁兼容研究的缺失，造成很多车型在复杂的电磁环境下出现了电器件串扰的情况，因此继续深入电磁兼容研究也将是下一步研究的一个主要方向。