汽车线束轻量化的发展趋势研究

刘英莉，张旭，程斌

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

设计研究

汽车线束轻量化的发展趋势研究

刘英莉，张旭，程斌

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

当前，节能减排是汽车行业的重要工作，而轻量化是各汽车生产厂家的重要课题，从线束的总量组成上分析，导线的重量占最大的比例，其次是接插件、线束保护等。现当今，铝合金导线、铜合金导线、混合芯导线等越来越占主导地位，随之而来的是小型的接插件及端子，线束保护的轻量化材质替代等。线束的轻量化正与材料科学接轨，多元化的时代即将来临。

轻量化铝合金导线；铜合金导线；小型化插件；发泡技术

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.001

前言

当前环境污染是关系民生的重大问题。对此国家在汽车行业提出了节能减排的措施及油耗要求。各汽车厂家都致力于降低整车制造成本的同时降低客户的使用成本（油耗），轻量化已经成为各汽车生产厂家的重要课题，也是各车型能否进一步占领市场的关键。线束作为整车的重要零部件，占整车总重量的2%，而且随着汽车电子设备的逐渐增加而继续扩大。线束轻量化任务越来越被重视，本文从线束的各组成部件分析入手，对汽车线束的轻量化发展趋势做了简要阐述。

1、线束的重量组成结构

汽车线束的重量的组成75～80%是导线、15%是端子及接插件、10%是外包材料及其它。

1.1 导线

传统汽车的导线都是铜合金导线，线径的使用由0.35～25mm，每辆汽车的导线使用如果首尾相连约2KM。以一辆B级轿车的重量来估算，导线的重量约25～30KG，汽车每行驶100KM，车辆将消耗近0.1kg的汽油。

导线做为线束重要的组成者，研究如果选用更轻，更可靠的替代产品成为线束轻量化领域的热门话题。近几年来，铝导线、特细导线、合金导线以及混合芯体导线层出不穷，越来越被线束厂家和主机厂所重视。

1.1.1 电源线的轻量化方案

电源线因其承载电流大，线径粗，端子和导线的拉拔力强，所以利用铝导线代替铜导线的方案被越来越被线束生产厂家所接受。因为铝导线其导线特性和铜比较相近，重量比铜更轻。所以铝导线的使用前些年已经普遍应用于2.5mm～50mm的铜合金导线的替代上。此方案比较成熟，轻量化方面取得显著效果。

1.1.2 信号线的轻量化方案

虽然铜和铝的导线性能上比较相近，但是其拉伸强度铝的性能远不如铜。小线径的轻量化方案，生产厂家采取的方案百花齐放。

（1）0.75mm铝导线的应用

有部分厂家没有放弃铝导线的使用，继续研究其合金的拉伸强度是否可以弥补其纯铝导线的不足。例如以某导线生产厂家的铝导线开发为例。为满足0.75mm的铝导线可代替0.5mm的铜导线为目标，设定铝合金导线的导电率目标满足58%IACS，拉伸强度目标满足110MPa。虽然纯铝的导电率能达到62%IACS，但是其拉伸强度只有70MPa。那么就需要在铝导线内增加第二种金属，最优的是Fe，但是分析Fe的比例后发现满足导电率的要求后加工性能下降。所以继续增加第三种元素，第三种元素既要满足加工性能对Fe缺陷的补偿即MS要小，又要拉伸强度的固溶量要高，所以Mg恰恰合适。

表1 各元素的Misfit值和最大固溶量

这样掺有另外两种金属的铝合金就很好的替代了铜合金导线，即在导电率和拉伸强度上满足了设计要求，也大大降低了导线的重量。但是面临的问题却较为棘手。与之配合的端子及端子的压接成为新的课题。

CuO和Al2O3的导电率10～7s/cm，都是不导电的物质，所以只能通过压接破坏其氧化膜来保证其导电率。但是压缩比与保持力也存在矛盾，对于Al合金的导线其合适的压接区域比Cu合金导线的区域更窄，更加不易于操作。所以厂家改善了端子压接槽形状来改善电线保持力和电流连通性能（图1）。

图1 压接条件和阻抗对比

解决了压接课题，又面临着防腐问题。铝的金属活泼性比铜活泼，所以在与铜端子压接过程中，接触位置容易产生接触腐蚀。在硫化的环境下，金属铝很容易溶出。为了解决此问题，图2接触位置（包括压接部到端子后部）利用树脂材质热缩密封能有效的解决此问题。

图2 端子压接的防腐

（2）铜合金的特细导线

信号线的导线利用率一直很低，0.5mm/0.35mm的铜导线可以承受10A左右的电流（环境温度24℃），但是信号线内真正流通的电流往往只有几毫安，这样资源的浪费成为很多线束生产厂家关注的焦点。0.13mm2、0.08mm2 、0.05mm2导线已经问世，在多家企业应用。

如何降低线径，使低线径的导线既能满足信号传输的要求，也能满足压接的拉伸强度，端子插入的柱力等是特细铜导线普遍使用和更广泛推广的关键问题。为了满足机械性能的要求，在铜导线中增加合金同样是决此问题的方法。CuSn、CuAg、CuMg和铜包钢是这几年来各线束生产厂家青睐的产品。

以0.35mm导线与铜合金0.13mm的导线为例，其电气性能相差不多，但是重量减少了60%，整体外径也下降了20%。这些数据显示了其优秀的市场前景和经济效益。但是，并不是意味着0.13mm的铜合金导线可以完全替代0.35mm的铜导线。了解物理的都知道，金属的承载电流能力随温度而变化，而且这种变化随着电阻的增大而更加明显。一般来说，110度以下的环境中，0.35mm的铜导线和0.13mm的铜合金导线的性能差异不大，可以再信号线中替换。所以，这就制约了0.13mm导线的使用环境，在驾驶室内可以普遍使用，但是发动机舱内就需要根据所处位置仔细计算使用了。

虽然，0.13mm的铜合金导线由很大的市场前景，但是其机械强度和插入插件的柱力都是未来深入研究的方向。不同于铝导线的方式，因为其线径过小，其合金内即使参入新的合金也很难满足机械性能、电气性能的同时满足经济效益需求。所以有些线束厂家跳出了金属强度的限制，在导线的外包上寻求解决方案。可喜的是，至今为止很多厂家都需找到了很好的代替资源。

原有导线绝缘层为PVC、XLPE材质，内部含有卤素等有毒物质。

图3 PPE与PVC的对比

近几年世界环保组织对汽车环保提出再回收的标准后，新型无卤素绝缘层被研发出来 PPE。其成分安全，环保，又特殊的阻燃性特性。被越来越多的厂家应用。由PVC更改为PPE材料。同规格的0.35mm导线，直径降低了27%，面积降低了47%（图3）。

如果对铜合金的导线更详细的分析，可以知道，CuSn的金属强度特性比较优秀，CuAg的电气性能比较优秀。这在导线压接和性能选择上可以作为不同的参考依据。

（3）混合材质的特细导线

在成本节约和能源控制方面日系企业一直都是实至名归的第一位。最早在SUMITOMO研发的一款0.13mm2导线为最细的导线，其采取的是用混合材质的方式，采用中心为一种铜材质，外围为另外一种材质，并且中心和外围的铜丝线径也不相同。虽然这种导线也满足的传输的电性能要求，但是缺点也很明显：制作工艺繁琐，生产成本高，不能超声波焊接，端子的压接属于非常规性压接，需要特殊设备。因此当时并未得到推广。但是现在任有很多厂家在此方面继续研究，在更细的导线上采取此种方案（图4）。

图4 混合材质的特细导线

2、接插件的小型化

导线与接插件的发展一直都是相辅相成的，随着导线的特细化发展，接插件的小型化也越来越快。各接插件的生产厂家，都大力开发小型化的接插件。自20世纪90年代中期开始0.64片宽的端子就已经问世。典型的有TE的MQS端子和SUMITOMO的0.64端子。这种小型端子可以使用在信号传输上，可以很大的降低1.5片宽的使用率，直接降低接插件的规格尺寸。

以某公司的20极0.64双排插件为例，横截面积低于同类1.5片宽的插件75%，体积是60%。插件的连接主要性能是老化后接触电压降和插件的机械强度。为了满足其性能要求，在接插件的自锁结构上优化设计。在端子的选材上合金的选择更加严格（图5）。

图5 公母端子的拉伸力强度

3、线束保护的轻量化

线束保护有很多形式，包括护板、橡胶件和支架。为了能减低做好轻量化工作，线束的保护上可以开展以下工作：

（1）减少金属支架的架构，采用高强度的塑料护板替代金属支架：例如保险丝盒支架和发动机舱布置支架（根据环境温度选择）。

（2）减少塑料护板的选择，利用车身结构、特殊卡丁和固定件替代护板。

（3）减少波纹管的使用，采用耐磨纤维和布基的纤维管代替波纹管。既可以降低成本，也可以减少噪音。

（4）减少橡胶件的使用，在密封要求不高的位置选用发泡，替代橡胶件。

（5）线束的布置上尽量减少内连接，不仅可以降低接插件的重量，也可以减少接插件固定所需的附属件重量以及车身结构重量。

4、总结

本课题对汽车线束的总量组成部分的入手，分析了轻量化的方向，及行业也各零部件的轻量化发展趋势。详细介绍了导线、接插件、线束保护等几方面的技术发展方向和技术难点。对于汽车线束轻量化课题的深入研究有重大意义。

[1] 蒋兢兢.小截面导线在汽车线束中的应用[J].汽车与配件,2014, No32,45.

[2] 尹豪迈.张卫东.TE关于汽车线束及连接器之轻量化解决方案[N]. 2014中国汽车学会年会论文集,2014CG-VE086,651.

The Development Trend of Wiring Harness Lightweight Research

Liu Yingli, Zhang Xu, Cheng Bin
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

At present, energy conservation and emissions reduction is an important work of the automobile industry, and lightweight is an important topic of the various car manufacturers, from the harness of the total amount of points out, the weight of the conductor accounted for the largest proportion, followed by connectors, wiring harness protection, etc. Now today, aluminum alloy wire, copper alloy wire, mixed conductor, such as more and more dominant, followed by small connectors and terminals, wiring harness protection of lightweight materials substitution, etc. Harness the lightweight is working with the materials science community, pluralistic era is coming..

lightweight aluminum alloy wire; copper alloy wire; Miniaturization of the Connector; Foaming technology CLC NO.:U472.5 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-01-03

U472.5

A

1671-7988(2016)01-01-03

刘英莉，就职于华晨汽车工程研究院。