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汽車線束疲勞斷裂分析及應對方案設(shè)計
2021-09-13 18:50:11· 來源：EV汽車邦
今天的TOPIC，是個頭疼的問題--線束疲勞斷裂，如果沒有一定的失效經(jīng)驗積累或者有完備的實驗驗證方案，問題的突然發(fā)生，會讓你感到驚訝不已。什么是線束疲勞斷裂
今天的TOPIC，是個頭疼的問題--線束疲勞斷裂，如果沒有一定的失效經(jīng)驗積累或者有完備的實驗驗證方案，問題的突然發(fā)生，會讓你感到驚訝不已。
什么是線束疲勞斷裂？
線束的金屬導體（銅絲）在交變應力作用下（振動或者運動件產(chǎn)生），應力值雖然始終沒有超過材料強度極限，經(jīng)過長時間的應力反復循環(huán)作用以后，導體發(fā)生突然脆性斷裂。
形象直觀的生活案例：
如圖，手機充電線束尾部在長期使用，由于插拔時接口尾部線束受到扭曲彎轉(zhuǎn)的應力，外護套首先開裂（外護套材質(zhì)多為TPE），然后繼續(xù)使用就會出現(xiàn)導體銅絲疲勞斷裂。
那么研究充電線的耐折彎性能對改善充電線束的使用壽命變得尤為重要。
下方圖片是疲勞斷裂的導體斷口位置的微觀形貌，疲勞端口多發(fā)生在硬度差異的結(jié)合處，如上圖充電線的圓圈位置，汽車線束線束固定卡扣的固定位置，導體會在長期擠壓的位置形成凹痕，導體單絲之間會有相互運動產(chǎn)生的摩擦痕跡，一般導體斷口位置會有一定的氧化。
線束疲勞斷裂的危害
手機充電線束的斷裂只是影響我們手機充電，再借條充電線不影響我們看公眾號、刷抖音，但作為汽車線束就大不相同，汽車線束作為高、低壓電氣/器部件的連接載體,承載整車的動力、信號傳輸，主導著整個汽車的安全與性能，汽車的載體是人，安全和客戶感受尤為重要。
線束疲勞斷裂是線束的主要失效模式之一，汽車的車門線束、后背箱線束、發(fā)動機線束、車速傳感器線束、新能源汽車的驅(qū)動電機線束（特別是輪邊電機）、打氣泵線束、空調(diào)壓縮機線束等，在使用過程中承受彎曲載荷和振動載荷，惡劣環(huán)境下還要承受熱載荷。
當這些汽車線束被運動或振動部件做周期性運動時，如果設(shè)計不合理，電纜耐彎曲性能不足，導體銅絲部分或全部會出現(xiàn)斷裂、斷股問題，就會影響車輛的正常功能及安全，目前整車對于導體斷裂沒有較好的檢測手段，只有在線束導體完全短路、斷路故障才能檢測。
如果是新能源汽車高壓線束突然發(fā)生短路，可能出線拉弧，對線束及電氣部件甚至是整車造成不同程度的危害。
汽車線束疲勞斷裂原因分析
1.導體材質(zhì)
導體材料(銅 )加工工藝控制不合理 ，拉絲或退火過程中導致銅過度氧化而發(fā)脆 ，或者是擠絕緣后的硫化過程中由進水或與高溫分解出來的酸性物質(zhì)反應使導體銅絲表面發(fā)黑 ，從而降低銅絲的韌性，一般汽車電纜導體使用含銅量99.99%的無氧銅。
2.絕緣或護套材質(zhì)
絕緣或護套材質(zhì)問題，機械物理性能差，耐老化性能差，沒有足夠的伸長率、抗張強度、拉伸回縮率，絕緣和護套對線芯和導體支撐不足。
3.受到不正常的機械沖擊力
如撞擊、機械沖擊，線束短承受拉力，以下剎車報警線束過短，打方向會把這根線崩的特別直，時間長了線束從里面斷了，外表看不出來任何問題。
4.電纜耐彎曲性能、線束的布置結(jié)構(gòu)不能滿足實際工況的需求
電纜耐彎曲性能影響因素。
電纜的耐彎曲性能和導體的單絲直徑、導體的絞合結(jié)構(gòu)、電纜結(jié)構(gòu)有關(guān)系。
目前我們在用的新能源汽車高壓線束導體單絲直徑按照QC/T 1037選取，一般單絲直徑為0.21mm，如果想改變現(xiàn)有導體的彎曲性能可以選取更小的單絲直徑，如0.15mm；
一般情況下，一次束絞導的節(jié)徑比不得超過 25，如是復絞線 ，則股線絞合節(jié)徑 比應不大于30，而內(nèi)層和外層絞合節(jié)徑比分別應不超過 2O和 14。大節(jié)距的銅線遠比小節(jié)距的銅線要硬 ，其允許的最小彎曲半徑會增大；
為了延長振動或運動部件電纜的使用壽命，必須盡可能地提高導體的柔軟性，而組成導體的單線越細，導體的柔軟性則越高；
然而單線的粗細與其機械強度及承荷能力有直接關(guān)系，單線越細其承荷能力越差， 為了解決這一矛盾，可以先將多根單線束絞成股線，所有股線絞合方向相同，再將多股股線復絞成導體，復絞時相鄰層股線復絞方向相反，確保絞合導體的柔性，及機械強度。
解決問題的對策
1.避免銅絲氧化
避免銅絲氧化 首先應選擇合理的加工工藝 ．銅絲可采用連續(xù)退火的方法 ，若非要二 次退火 ，則退火爐的無氧純度要控制 。其次是應降低硫化過程中的水汽和硫化反應 產(chǎn)生的副作用正常情況下 (除個別本身擠橡工藝缺陷外 )， 水汽的副作用不是太明顯 ；而由于配方物質(zhì)高溫分解出酸性物質(zhì)所致的梳化反應可通過提高橡膠配方的熱穩(wěn)定性加以解決 ，同時 ，避免硫化溫度過高是其較為有效的方法 ．當然這并不意味著要求將溫度降低硫化點以下
2.控制絞合節(jié)徑比
控制絞合節(jié)徑比在束 、絞線芯時 ，理論節(jié)徑比要適當小些 ，一般可比標準值下調(diào) 1O％～ 15％ ，這樣才能使實際節(jié)徑比最終與 標準規(guī)定的上限值接近同理 ，對于成纜絞合節(jié)徑 比的控制也如此 。
3.控制絕緣和護套質(zhì)量
控制絕緣和護套膠料的含量絕含膠量應控制在 35％以上 ，而護套膠的含膠量應 不低 于 42％，這是基本要求 。當然影響材料的抗張強度 、 長率和拉伸回縮率的還跟配方組成和煉膠工藝及硫化工 藝有關(guān) ，良好的護套膠 ，其抗張強度應在15N／ mm以 上 (標 準值 為 11N／ mm：)．其伸長率也達 500％以 上。
4.電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化
柔性耐彎曲電纜在彎曲時(纜芯會承受相應的 拉伸力和壓縮力，纜芯中處于彎曲頂部的絕緣線芯承受拉伸力，絕緣線芯位置外移(處于彎曲底部的絕 緣線芯承受壓縮力，絕緣線芯位置內(nèi)移(越靠近彎曲的邊緣(受力越大，絕緣線芯間的相對移動越大- 當電纜彎曲消失歸復原位時(纜芯承受的拉伸力’壓縮 力消失(絕緣線芯位置也應復原- 電纜頻繁彎曲時絕緣線芯也高速重復滑移(達到復原補償效果- 如 果電纜內(nèi)部纜芯的結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定(纜芯不夠圓整，就會導致絕緣線芯間滑移補償性差甚至絕緣線芯間 出現(xiàn)內(nèi)嵌卡死現(xiàn)象進一步惡化的結(jié)果就是絕緣線芯斷芯- 另外(纜芯承受的拉伸力越大(纜芯結(jié)構(gòu) 越不穩(wěn)定，出現(xiàn)纜芯變形的幾率也越大纜芯彎曲應力示意圖
以下是一種優(yōu)化方案：
為了提高電纜內(nèi)部纜芯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，摒棄了以往使用的 PP填充繩、麻繩、棉繩填充條等填充材料，改用絕緣材料擠制填充條，并且在填充條的中心放置芳綸線替代柔性碳素鋼絲繩，放置在纜芯 的中心位置的芳綸線填充條，既提高了填充條的載荷能力，降低絕緣線芯受到的拉伸力，又增強了纜芯的整體柔軟性’結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性圓整性，從而使纜芯具有更佳的耐彎曲性能和耐扭轉(zhuǎn)性能。
柔性耐彎曲電纜纜芯外一般不繞包包帶，絕緣線芯與護套緊密接觸-，為防止護套與絕緣粘連，不利于電纜的剝離，一般在纜芯外涂覆滑石粉，但滑石粉易吸潮結(jié)團，容易出現(xiàn)線芯表面涂覆不均勻，在線 芯間隙中積累過多，線芯表面少容易在模芯內(nèi)灑落 累積，被纜芯帶出致使電纜起包，干燥的滑石粉容易 揚塵，不利于衛(wèi)生清潔，并且對人體有害，用滑石粉進行絕緣與護套隔離的柔性耐彎曲電纜，由于滑石粉涂覆不均勻，在彎曲過程中，絕緣線 芯間的滑移補償也不均衡(影響電纜的使用壽命(因 此在絕緣線芯擠制時在線芯絕緣表面涂覆液體隔離劑-絕緣線芯浸沒在隔離劑中使其表面均 勻涂覆，利于絕緣線芯間的相對滑移確保線芯在彎 曲過程中滑移補償均衡，以進一步提高纜芯的耐彎 曲性能。
絕緣擠包使用擠壓式模具，使絕緣層緊密包覆在導體外面，增強絕緣層與導體間的附著力- 擠包 過程中，絕緣層若出現(xiàn)劃傷’: 形彎’火花擊穿等不良現(xiàn)象，不允許對絕緣線芯進行修復處理，盡可能消 除絕緣線芯的質(zhì)量隱患，外護套改進外護套在柔性耐彎曲電纜中具有非常重要的作 用它不僅起到保護絕緣線芯的作用，還會承受極大的載荷彎曲應力因此柔性耐彎曲電纜的外護套一般極高抗拉強度’抗撕裂強度優(yōu)異的耐磨性能耐老化的材料，如TPU。
講兩個特殊的例子
我在前邊有一一篇介紹ModelY實車高壓線束視頻解析，ModelY實車高壓線束視頻解析，里邊講了對其熱泵線束疲勞斷裂的擔心“一個是從視頻中我們看到熱泵是有膠墊減震的，晃動量挺大，需要選用耐振等級更高的插件，由于有注塑支架固定線束隨熱泵一塊振動，此處擔心還不是很大，擔心較大的就是不知道特斯拉設(shè)計時有沒有考慮到此電纜在綠色框處可能存在疲勞斷裂風險，對電纜進行了針對性的設(shè)計，從視頻中看熱泵振動較大，此處余量也不是很多，導體可能存在疲勞斷裂的風險。”
輪邊、輪轂電機高壓線束，由于電機線束一側(cè)在輪子上，另外一端在車架上固定，且乘用車空間有限，車輪反復跳動，如果電機線束設(shè)計不合理，電機線導體存在斷裂風險。
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