汽車EPB線束導(dǎo)線斷裂分析和對(duì)策

摘要：針對(duì)汽車EPB 線束在實(shí)車模擬彎折試驗(yàn)中出現(xiàn)的斷裂問題，全面分析導(dǎo)線斷裂的相關(guān)因素，并結(jié)合試驗(yàn)分析手段對(duì)汽車EPB 線束導(dǎo)線抗彎折疲勞斷裂的可靠性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)， 提出了幾種解決方案并研究其實(shí)施效果。結(jié)果表明， 優(yōu)化銅導(dǎo)體晶粒度和導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，增加芯線數(shù)目， 降低導(dǎo)線外層保護(hù)套內(nèi)的容積率的工程實(shí)用性比較強(qiáng)， 能夠有效降低汽車EPB 線束導(dǎo)線斷裂問題發(fā)生的概率。

0 引言

隨著汽車工業(yè)迅速發(fā)展，汽車的安全性是汽車設(shè)計(jì)和制造的第一指標(biāo)，通過使用現(xiàn)代技術(shù)和先進(jìn)手段，進(jìn)一步提高安全性的各種可能途徑和方案，使作為交通工具的汽車更加安全。作為制動(dòng)系的PEB 系統(tǒng)屬于重大的安全系統(tǒng)，是衡量汽車安全標(biāo)準(zhǔn)的重要因素。EPB 電子駐車系統(tǒng)在汽車上的大量的應(yīng)用，對(duì)汽車的安全性及乘坐舒適性的提高起到重要作用。其中EPB 線束是該系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，它的可靠性直接影響整個(gè)汽車EPB 系統(tǒng)的可靠性。本文主要針對(duì)汽車EPB 線束抗彎折斷裂的可靠性問題展開研究。

汽車EPB 線束作為汽車線束的一部分，集成了EPB 線和ABS 線安裝在車身底盤懸掛區(qū)域，該部位既有車身外部的沖擊和腐蝕，又有縱向擺臂大量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而PEB 對(duì)線束的耐彎折性提出了很高的要求。汽車行駛過程由于路況凹凸不平，車身底盤懸掛系統(tǒng)中縱向擺臂的擺動(dòng)牽引EPB 線束連續(xù)高頻彎曲導(dǎo)致此區(qū)段導(dǎo)線彎折斷裂，這種失效模式是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象。

圖1 汽車EPB 線束工作環(huán)境和EPB 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1 汽車EPB 系統(tǒng)

汽車EPB（Electrical Park Brake）系統(tǒng)是電子駐車系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它取代傳統(tǒng)拉桿手剎但更安全，不會(huì)因駕駛者力度而改變制動(dòng)效果，把傳統(tǒng)的拉桿手剎變成了一個(gè)觸手可及的按鈕。它是由電子控制方式實(shí)現(xiàn)停車制動(dòng)的技術(shù)。

該系統(tǒng)包含EPB 按鈕開關(guān)，電子控制單元ECU，汽車EPB 線束以及ABS 線束，ABS 速度傳感器，制動(dòng)電機(jī)，減速齒輪機(jī)構(gòu)和剎車卡鉗等部件。ABS 速度傳感器將汽車行駛過程中檢測(cè)到車速信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過EPB 線束將電信號(hào)傳遞到ECU，再由ECU 發(fā)出指令而控制剎車卡鉗制動(dòng)車輪。EPB 線束承擔(dān)著傳輸電信號(hào)的橋梁作用。

2 EPB 導(dǎo)線彎折斷裂現(xiàn)象與相關(guān)因素

2.1 導(dǎo)線斷裂現(xiàn)象

EPB 線束通過線束橡膠護(hù)套和塑料卡扣，支架等零件被固定到車身底盤的支撐臂和縱向擺臂上，汽車在行駛過程由于路面凹凸不平導(dǎo)致車輪上下顛簸，從而引起底盤上的縱向擺臂繞著車身支撐梁的固定點(diǎn)做近似于鐘擺的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

EPB 線束彎折試驗(yàn)?zāi)M線束在實(shí)車環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，在-30℃到常溫范圍內(nèi)按照2.5Hz 的頻率做彎折擺動(dòng)，試驗(yàn)要求線束彎折的次數(shù)在要求的壽命內(nèi)保證線束外觀無損傷，信號(hào)無中斷。彎折試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，線束斷裂位置處于運(yùn)動(dòng)區(qū)段的固定點(diǎn)附近。

試驗(yàn)中導(dǎo)線斷裂位置和斷面的照片顯示，芯線斷裂面既有平整斷面，也有近似于子彈頭的圓潤(rùn)斷面。說明該銅導(dǎo)線受外力既有剪切力，也有拉伸力。

2.2 導(dǎo)線受力分析

車輛行駛中，EPB 線束受到車身底盤縱向擺臂的牽引形成高頻率對(duì)稱彎曲，造成導(dǎo)線局部彎折變形損傷。局部循環(huán)塑性變形累計(jì)是造成金屬疲勞損傷的根本原因。其彎折形式和受力分析如下。

圖3 線束彎折原理以及受力圖

在弧度外側(cè)區(qū)域銅絲嚴(yán)重拉伸變形，在弧度內(nèi)側(cè)區(qū)域形成相互擠壓變形。

①軸向拉伸力F1：車輛顛簸引起縱向擺臂上下擺動(dòng)，線束受到一定方向的牽引產(chǎn)生彎折， 此過程中形成角度∠a，牽引力F 在∠a 方向產(chǎn)生軸向拉力F1；F1=F*Cos a，a 角度減小會(huì)造成軸向拉力F1 增大。

②徑向剪切力F2：線束受到一定方向的牽引產(chǎn)生彎折，形成角度∠a，牽引力F 在∠a 方向上產(chǎn)生分力即剪切力F2；F2=F*sin a，a 角度增加會(huì)造成剪切力F2 增大。拉力和剪切力反復(fù)交變?cè)斐尚揪€微小變形，數(shù)十萬次微小形變疊加最終導(dǎo)致了疲勞斷裂這種失效模式的發(fā)生。

2.3 EPB 線束導(dǎo)體材料

2.3.1 EPB 線束屬于汽車線束，其導(dǎo)線選用多芯銅導(dǎo)線，芯線中銅材的物理性能決定了EPB 線束導(dǎo)體基本的力學(xué)性能。銅屬于金屬晶體，其晶粒的大小與金屬強(qiáng)度關(guān)系表明，晶粒越小，金屬的力學(xué)性能如強(qiáng)度，韌性，塑性越好。晶粒細(xì)化是提高金屬力學(xué)性能的重要手段之一。由Hall-Petch 關(guān)系得出：

σy 代表了材料的屈服極限；

σ0 表示移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生的晶格摩擦阻力；

Ky 一個(gè)常數(shù)與材料的種類性質(zhì)以及晶粒尺寸有關(guān)；

d 平均晶粒直徑。

晶粒細(xì)化對(duì)金屬強(qiáng)度的影響就是通過H-P 關(guān)系進(jìn)行描述的。金相組織試驗(yàn)表明，斷裂銅導(dǎo)線的金相組織中晶體粒尺寸偏大，平均晶粒度，晶粒的均勻性影響了銅芯線的韌性和強(qiáng)度，見圖4。

圖4 斷裂導(dǎo)線芯線金相分析圖 2.3.2 EPB 線束芯線中銅材的比率影響芯線的斷裂伸長(zhǎng)率。本案導(dǎo)線選用了鍍錫芯線，降低了芯線中銅材的比率。

圖 5 顯示，鍍錫銅芯線斷裂伸長(zhǎng)率小于裸銅芯線的斷裂伸長(zhǎng)率。斷裂伸長(zhǎng)率下降的鍍鋅銅芯導(dǎo)線降低了EPB線束的抗彎折性能，增加了斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 鍍層不同的導(dǎo)線斷裂伸長(zhǎng)率 2.3.3 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)影響導(dǎo)線的韌性，從而影響EPB 線束的抗彎折性能。芯線數(shù)目越多，導(dǎo)線整體的韌性越高，越有利于EPB 線束抵抗彎曲造成的疲勞斷裂。本案中EPB 線束的導(dǎo)線包含2 根2.5mm2 銅導(dǎo)線和2 根0.5mm2 銅導(dǎo)線。

其中0.5mm2 導(dǎo)線的芯線直徑為0.15mm，數(shù)目為28 根，芯線數(shù)目太少，直徑偏大，從整體上影響了導(dǎo)線的力學(xué)性能。

2.4 EPB 線束外保護(hù)層分析

發(fā)生斷裂的EPB 線束的集成線纜包含了四根導(dǎo)線和PVC 材料的外保護(hù)層，其保護(hù)層與四根導(dǎo)線緊密貼合在一起，近似于剛體。分析表明，外保護(hù)層內(nèi)部四根導(dǎo)線在彎折過程中缺乏緩沖空間，難以擴(kuò)展或伸縮，造成嚴(yán)重應(yīng)力集中而斷裂。

2.5 EPB 線束安裝點(diǎn)分析

EPB 線束通過機(jī)械過盈的配合方式固定在車身底盤上，安裝點(diǎn)采用聚氨酯彈性體PUR，材料硬度達(dá)到95A，棱邊缺少圓角，受力時(shí)缺乏彈性和緩沖作用是導(dǎo)致EPB 線束斷裂的另外一種因素。這種情況下，缺少彈性緩沖以及對(duì)彎曲應(yīng)力的吸能作用導(dǎo)致線束固定點(diǎn)受剪切應(yīng)力集中而疲勞斷裂。

2.6 EPB 線束長(zhǎng)度分析

經(jīng)試驗(yàn)分析，EPB 線束導(dǎo)線的長(zhǎng)度在動(dòng)態(tài)區(qū)域的尺寸余量有限，兩個(gè)固定點(diǎn)之間線束繃緊情況明顯，在彎折過程中線束運(yùn)動(dòng)區(qū)域受到拉力的同時(shí)，由于彎折角度增大強(qiáng)化了剪切應(yīng)力集中，導(dǎo)致了線束斷裂。

3 優(yōu)化方案與試驗(yàn)

汽車線束導(dǎo)線設(shè)計(jì)選型需要重點(diǎn)考慮線束所在功能和環(huán)境。EPB 線束安裝在車身底盤動(dòng)態(tài)彎折區(qū)域，以及汽車駐車系統(tǒng)決定了EPB 線束是一種特殊的汽車線束，屬于安全性零件。建議如下：

3.1 基于耐彎折要求定義導(dǎo)線的線種，選擇晶粒度高的裸銅和芯線數(shù)目多的超柔軟性導(dǎo)線，從而滿足彎折的壽命要求。為保證導(dǎo)線的強(qiáng)度，汽車用導(dǎo)線的最小截面積不應(yīng)小于0.5mm2。按照德標(biāo)LV112-1，選擇超柔軟性裸銅導(dǎo)線：

3.2 基于受力要求定義導(dǎo)線外部保護(hù)層和截面結(jié)構(gòu)，有效傳遞和疏導(dǎo)彎曲應(yīng)力；選用導(dǎo)線外加套管的結(jié)構(gòu)，定義材料的耐磨等級(jí)和溫度等級(jí)；合理設(shè)置套管內(nèi)導(dǎo)線容積率，使導(dǎo)線能夠在微小范圍內(nèi)伸縮擴(kuò)展，減少應(yīng)力集中。

3.3 基于受力要求確定線路長(zhǎng)度和公差，一般來說，汽車線束各部分的長(zhǎng)度是根據(jù)用電器在車身上的實(shí)際布置位置來確定的，其實(shí)際公差應(yīng)考慮線束裝配要求和它們?cè)趧?dòng)靜狀態(tài)下的干涉問題。由于彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切力的影響，其長(zhǎng)度要根據(jù)線路的實(shí)際長(zhǎng)度稍有富余，一般來說，冗余量在3%-5%之間為宜。

3.4 基于受力要求定義安裝點(diǎn)的材料。將EPB 線束固定點(diǎn)材料PUR 的硬度降為75A，消除固定點(diǎn)的直角棱邊，增加倒圓角，降低應(yīng)力集中，提高抗彎折壽命。

3.5 按上述優(yōu)化EPB 線束后進(jìn)行彎折試驗(yàn)，線束在臺(tái)架上彎折的角度下降，受力集中情況明顯下降，全程線束彎折試驗(yàn)達(dá)到100 萬次壽命后，導(dǎo)線外觀無缺陷，沒有發(fā)生斷裂，電信號(hào)傳遞正常。

圖6 優(yōu)化后橫截面和優(yōu)化后彎折試驗(yàn)

4 結(jié)語

①根據(jù)汽車EPB 線束斷裂發(fā)生的位置，斷裂的截面以及導(dǎo)線的材料，安裝方式深入分析了EPB 線束斷裂問題的潛在原因。

②利用試驗(yàn)方法深入分析了EPB 線束斷裂受力作用，確認(rèn)了EPB 線束斷裂產(chǎn)生的原因。

③制定汽車EPB 線束多芯銅導(dǎo)線的材料選擇方案，定義導(dǎo)線外保護(hù)層以及運(yùn)動(dòng)區(qū)線束長(zhǎng)度和安裝點(diǎn)材料硬度的原則，通過改進(jìn)方案實(shí)施前后對(duì)比分析，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性，為同類問題的分析與解決提供了參考。