目前，環(huán)境污染是一個(gè)涉及人民生活的重要問題。針對(duì)這個(gè)情況，國(guó)家對(duì)汽車工業(yè)提出了節(jié)能減排和燃油消耗要求。在降低客戶使用成本及燃油消耗的同時(shí)，各汽車制造商都在努力降低整車制造成本的同時(shí)，將輕量化作為至關(guān)重要的課題，也是各種汽車型號(hào)可否再一步占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵。線束作為整車部件的重要組成部分，占總重量的2%，并且隨著汽車電子設(shè)備數(shù)量的不斷增加，其規(guī)模不斷擴(kuò)大，輕量化線束越來越受到人們的重視，本文從分析線束的各個(gè)組成部分入手，簡(jiǎn)述汽車線束輕量化發(fā)展趨勢(shì)。
一、線束重量構(gòu)成
一般情況下，汽車線束75~80%的重量構(gòu)成是導(dǎo)線，端子和接插件占15%，外包材料和其他材料占10%。
1、導(dǎo)線
在傳統(tǒng)汽車中，通常采用銅合金導(dǎo)線，導(dǎo)線直徑在0.35~25mm之間，如每臺(tái)車的導(dǎo)線頭尾相接大概2KM。用B級(jí)轎車的重量估算，導(dǎo)線重25~30KG左右，汽車每行駛100KM，就會(huì)耗0.1kg汽油。
導(dǎo)線作為線束的重要組成部分，若選擇更輕、更可靠的替代品，將成為線束輕量化研究的熱點(diǎn)。近年來，鋁制導(dǎo)線、特細(xì)型導(dǎo)線、合金制導(dǎo)線和混芯線等不斷出現(xiàn)，日益受到線束制造商和主機(jī)廠的關(guān)注。
1.電源線輕量化計(jì)劃
由于電源線需要承載的電流大、線徑粗，且導(dǎo)線與端子間的拉拔力大，因此，采用鋁絲代替銅絲的方案已越來越為線束廠接受。由于鋁絲的導(dǎo)電性與銅的導(dǎo)電性相似，但重量比銅要輕，因此近幾年鋁材已普遍用于2.5mm~50mm的銅合金導(dǎo)線的替換。這種方法比較成熟，輕量化方面取得了明顯的效果。
2.信號(hào)線輕量化計(jì)劃
盡管銅與鋁的導(dǎo)絲性能接近，但在抗拉強(qiáng)度方面上鋁卻遠(yuǎn)不及銅。小絲徑的輕量化方案，不同的廠家采用的方案大有不同。
(1)使用0.75mm鋁線
有些廠家并未放棄使用鋁材，在其合金抗拉強(qiáng)度上繼續(xù)進(jìn)行研究，了解能否補(bǔ)償純鋁絲的短板。舉個(gè)例子，從一家制造商開發(fā)鋁線的來看。為了滿足0.75mm的鋁絲可以替代0.5mm的銅線，將鋁線的導(dǎo)電率設(shè)定為58%IACS，拉伸強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到110MPa。純鋁的導(dǎo)電性雖可達(dá)62%IACS，但抗拉強(qiáng)度僅為70MPa。然后就要在鋁絲內(nèi)部加入第二種金屬，最佳的是鐵，但分析鐵的配比發(fā)現(xiàn)，滿足導(dǎo)電性要求后，加工性能有所下降。因此繼續(xù)增加第三種金屬，既要滿足鐵的加工性能短板，也就是MS要小，拉伸強(qiáng)度的固溶量要高，所以鎂正好適合。
采用這種方法，加入兩種其他金屬的鋁合金可以很好地代替銅合金，即在導(dǎo)電性和抗拉強(qiáng)度方面滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還大大減小了導(dǎo)線重量。不過所面對(duì)的問題更是棘手。
氧化銅和三氧化二鋁的導(dǎo)電率為10~7s/cm，均為非導(dǎo)電性物質(zhì)，因此只有通過壓接方式破開氧化膜才能保證其導(dǎo)電性。但壓縮率和保持力之間也存在矛盾，鋁合金導(dǎo)線的適當(dāng)壓接區(qū)比銅合金導(dǎo)線區(qū)域窄，且較難操作。廠商為此改進(jìn)端子壓接槽型式，以提高導(dǎo)線的持力性和電流的流通性。
在解決壓接課題的同時(shí)，還要面對(duì)防腐問題。鋁的活潑性比銅要強(qiáng)，因此，在與銅端壓接時(shí)，接觸部位易發(fā)生接觸腐蝕。金屬鋁在硫化環(huán)境中易于溶解。為解決這一問題，使用樹脂材料的接觸部位，包括壓接部分到端后端進(jìn)行樹脂密封可以有效地解決這個(gè)問題。
(2)銅合金特細(xì)導(dǎo)線
信號(hào)線路上的導(dǎo)線利用率一直很低，周圍溫度24℃下0.5mm或0.35mm的銅導(dǎo)線能承受大約10A的電流，但在信號(hào)線中真正流通的電流往往只有幾毫安，因此資源的浪費(fèi)成為許多線束制造商關(guān)注的重點(diǎn)?，F(xiàn)在有多型號(hào)導(dǎo)線，如0.13mm²，0.08mm²，0.05mm²的導(dǎo)線，并在許多企業(yè)應(yīng)用。
怎樣減小線徑，使低線徑的導(dǎo)線既能達(dá)到信號(hào)傳輸?shù)囊?，又能達(dá)到壓接件的拉伸強(qiáng)度、端子插入柱力等標(biāo)準(zhǔn)，這是特細(xì)銅線普遍采用、廣泛推廣的關(guān)鍵。解決這個(gè)問題的辦法是在銅絲中加入合金以滿足力學(xué)性能的要求。CuSn，CuMg，CuMg及銅包鋼是近年來各制造線束廠家常用的材料。
例如，用0.35毫米導(dǎo)線和0.13毫米銅合金制導(dǎo)線舉例，其電氣性能差別很小，但重量和外徑降低了60%和20%，這表明它具有良好的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。然而，0.13毫米的銅合金絲并不能完全取代0.35mm的銅絲。學(xué)習(xí)過物理學(xué)都知道，金屬的承載電流能力是隨溫度變化的，電阻越大，這種變化就越明顯。一般情況下，在110度以下的環(huán)境，0.35mm銅絲和0.13mm銅合金絲的性能差別很小，可以在信號(hào)線里代替。因此，這限制了0.13mm導(dǎo)線的使用環(huán)境，它可以普遍使用于駕駛室，但發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)需根據(jù)所在區(qū)域進(jìn)行認(rèn)真計(jì)算再應(yīng)用。
盡管0.13mm的銅合金導(dǎo)絲具有廣闊的市場(chǎng)前景，但其機(jī)械強(qiáng)度和插接件的柱力是今后進(jìn)一步研究的方向。有別于鋁線的方式，由于線徑太小，其合金內(nèi)部即使參照新合金也難以在達(dá)到力學(xué)性能和電性能的同時(shí)，也達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益。因此，一些線束制造商突破金屬?gòu)?qiáng)度極限，在導(dǎo)線外包方面尋找解決辦法。令人高興的是，到目前為止許多廠商都有很好的替代資源。
近年來，世界環(huán)境保護(hù)組織就汽車環(huán)保問題提出了回收利用的標(biāo)準(zhǔn)，研制出了新型無鹵絕緣層PPE。它的成份安全環(huán)保，而且具有特殊的阻燃性能，正在逐漸被廠商采用。原導(dǎo)線絕緣層為PVC、XLPE，內(nèi)含鹵素及其它有毒物質(zhì)，目前從PVC變成了PPE材料。相同規(guī)格的0.35毫米導(dǎo)線，使直徑減少27%，面積減少47%。
若對(duì)銅合金絲進(jìn)行較為詳盡的分析就能知道，CuSn的金屬?gòu)?qiáng)度特性較好，CuAg的電學(xué)性能較好。對(duì)導(dǎo)線壓接和性能選擇可作為不同的參考依據(jù)。
(3)混合材料特細(xì)導(dǎo)線
日系公司在節(jié)省成本和控制能源方面一直是實(shí)至名歸的首選。首次由SUMITOMO開發(fā)的0.13mm²導(dǎo)線作為最細(xì)的導(dǎo)線，采用了混合材料，中間材料是銅，外圍材料不相同，且中心和外圍銅絲的線徑也不一樣。這類導(dǎo)線符合電氣性能方面的傳輸要求，但缺點(diǎn)也很明顯：制作過程繁瑣，生產(chǎn)成本高，無法用超聲波焊接，接線需要特殊設(shè)備，屬于非常規(guī)壓接，所以在那時(shí)沒有得到推廣。但目前有許多廠家在這方面繼續(xù)研究，將這種方案應(yīng)用于更細(xì)的線材。
二、接插件小型化
導(dǎo)線和接插件的發(fā)展始終是相互促進(jìn)的，隨著導(dǎo)線的特細(xì)加工發(fā)展，接插件的小型化速度也越來越快，各個(gè)制造商都在大力開發(fā)小尺寸的接插件。從20世紀(jì)90年代中期開始，0.64個(gè)寬度的端子已經(jīng)出現(xiàn)。這類小端子可用于信號(hào)傳送，大大減少1.5片寬的使用，直接減小接插件的規(guī)格尺寸。
就拿一個(gè)20極的0.64雙排插件舉例，插件比同類的1.5片寬的插件數(shù)低了75%，體積是60%。插頭連接主要性能是老化后接觸電壓降和插件機(jī)械強(qiáng)度。為滿足功能要求，對(duì)接插件自鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。端子材料的選擇在合金上更為嚴(yán)苛。
三、線束輕量化保護(hù)
有許多形式的線束保護(hù)，包括護(hù)板，橡膠部件和支架。為能夠輕量化，可對(duì)線束進(jìn)行如下保護(hù)：
(1)減少金屬支架的結(jié)構(gòu)，用高強(qiáng)度塑料護(hù)板來取代金屬支架，例如保險(xiǎn)絲盒支架和發(fā)動(dòng)機(jī)艙架，根據(jù)環(huán)境溫度選定。
(2)減少選用塑料護(hù)板，利用車體結(jié)構(gòu)、專用卡丁及固定件代替護(hù)板。
(3)減少使用波紋管，用耐磨纖維和布基纖維管替代，這樣就能降低成本和降低噪音。
(4)減少使用橡膠制品，在密封性要求不高的地方選用發(fā)泡代替。
(5)在線束布局上盡可能少地采用內(nèi)連接，這不僅能減少插件的重量，而且還能減少固定附件重量和車身結(jié)構(gòu)重量。
四、總結(jié)
本文首先從汽車線束的總成部分開始，分析輕量化的方向及產(chǎn)業(yè)中各個(gè)零部件的輕量化發(fā)展趨勢(shì)。重點(diǎn)闡述了導(dǎo)線、接插件、線束保護(hù)等的技術(shù)發(fā)展方向及難點(diǎn)。這對(duì)進(jìn)一步深入研究汽車線束輕量化具有重要意義。
