汽车EPB线束导线断裂分析和对策
摘要：针对汽车EPB 线束在实车vwin 弯折试验中出现的断裂问题，全面分析导线断裂的相关因素，并结合试验分析手段对汽车EPB 线束导线抗弯折疲劳断裂的可靠性进行分析评价， 提出了几种解决方案并研究其实施效果。结果表明， 优化铜导体晶粒度和导线结构，增加芯线数目， 降低导线外层保护套内的容积率的工程实用性比较强， 能够有效降低汽车EPB 线束导线断裂问题发生的概率。
0 引言
随着汽车工业迅速发展，汽车的安全性是汽车设计和制造的第一指标，通过使用现代技术和先进手段，进一步提高安全性的各种可能途径和方案，使作为交通工具的汽车更加安全。作为制动系的PEB 系统属于重大的安全系统，是衡量汽车安全标准的重要因素。EPB 电子驻车系统在汽车上的大量的应用，对汽车的安全性及乘坐舒适性的提高起到重要作用。其中EPB 线束是该系统的有机组成部分，它的可靠性直接影响整个汽车EPB 系统的可靠性。本文主要针对汽车EPB 线束抗弯折断裂的可靠性问题展开研究。
汽车EPB 线束作为汽车线束的一部分，集成了EPB 线和ABS 线安装在车身底盘悬挂区域，该部位既有车身外部的冲击和腐蚀，又有纵向摆臂大量的机械运动，从而PEB 对线束的耐弯折性提出了很高的要求。汽车行驶过程由于路况凹凸不平，车身底盘悬挂系统中纵向摆臂的摆动牵引EPB 线束连续高频弯曲导致此区段导线弯折断裂，这种失效模式是本文的重点研究对象。
图1 汽车EPB 线束工作环境和EPB 系统结构 1 汽车EPB 系统
汽车EPB（Electrical Park Brake）系统是电子驻车系统的简称，它取代传统拉杆手刹但更安全，不会因驾驶者力度而改变制动效果，把传统的拉杆手刹变成了一个触手可及的按钮。它是由电子控制方式实现停车制动的技术。
该系统包含EPB 按钮开关，电子控制单元ECU，汽车EPB 线束以及ABS 线束，ABS 速度传感器，制动电机，减速齿轮机构和刹车卡钳等部件。ABS 速度传感器将汽车行驶过程中检测到车速信号转化为电信号，通过EPB 线束将电信号传递到ECU，再由ECU 发出指令而控制刹车卡钳制动车轮。EPB 线束承担着传输电信号的桥梁作用。
2 EPB 导线弯折断裂现象与相关因素
2.1 导线断裂现象
EPB 线束通过线束橡胶护套和塑料卡扣，支架等零件被固定到车身底盘的支撑臂和纵向摆臂上，汽车在行驶过程由于路面凹凸不平导致车轮上下颠簸，从而引起底盘上的纵向摆臂绕着车身支撑梁的固定点做近似于钟摆的往复运动。
EPB 线束弯折试验模拟线束在实车环境中运动，在-30℃到常温范围内按照2.5Hz 的频率做弯折摆动，试验要求线束弯折的次数在要求的寿命内保证线束外观无损伤，信号无中断。弯折试验发现，线束断裂位置处于运动区段的固定点附近。
试验中导线断裂位置和断面的照片显示，芯线断裂面既有平整断面，也有近似于子弹头的圆润断面。说明该铜导线受外力既有剪切力，也有拉伸力。
2.2 导线受力分析
车辆行驶中，EPB 线束受到车身底盘纵向摆臂的牵引形成高频率对称弯曲，造成导线局部弯折变形损伤。局部循环塑性变形累计是造成金属疲劳损伤的根本原因。其弯折形式和受力分析如下。
图3 线束弯折原理以及受力图
在弧度外侧区域铜丝严重拉伸变形，在弧度内侧区域形成相互挤压变形。
①轴向拉伸力F1：车辆颠簸引起纵向摆臂上下摆动，线束受到一定方向的牵引产生弯折， 此过程中形成角度∠a，牵引力F 在∠a 方向产生轴向拉力F1；F1=F*Cos a，a 角度减小会造成轴向拉力F1 增大。
②径向剪切力F2：线束受到一定方向的牵引产生弯折，形成角度∠a，牵引力F 在∠a 方向上产生分力即剪切力F2；F2=F*sin a，a 角度增加会造成剪切力F2 增大。拉力和剪切力反复交变造成芯线微小变形，数十万次微小形变叠加最终导致了疲劳断裂这种失效模式的发生。
2.3 EPB 线束导体材料
2.3.1 EPB 线束属于汽车线束，其导线选用多芯铜导线，芯线中铜材的物理性能决定了EPB 线束导体基本的力学性能。铜属于金属晶体，其晶粒的大小与金属强度关系表明，晶粒越小，金属的力学性能如强度，韧性，塑性越好。晶粒细化是提高金属力学性能的重要手段之一。由Hall-Petch 关系得出：
σy 代表了材料的屈服极限；
σ0 表示移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力；
Ky 一个常数与材料的种类性质以及晶粒尺寸有关；
d 平均晶粒直径。
晶粒细化对金属强度的影响就是通过H-P 关系进行描述的。金相组织试验表明，断裂铜导线的金相组织中晶体粒尺寸偏大，平均晶粒度，晶粒的均匀性影响了铜芯线的韧性和强度，见图4。
图4 断裂导线芯线金相分析图 2.3.2 EPB 线束芯线中铜材的比率影响芯线的断裂伸长率。本案导线选用了镀锡芯线，降低了芯线中铜材的比率。
图 5 显示，镀锡铜芯线断裂伸长率小于裸铜芯线的断裂伸长率。断裂伸长率下降的镀锌铜芯导线降低了EPB线束的抗弯折性能，增加了断裂的风险。
图5 镀层不同的导线断裂伸长率 2.3.3 导线结构影响导线的韧性，从而影响EPB 线束的抗弯折性能。芯线数目越多，导线整体的韧性越高，越有利于EPB 线束抵抗弯曲造成的疲劳断裂。本案中EPB 线束的导线包含2 根2.5mm2 铜导线和2 根0.5mm2 铜导线。
其中0.5mm2 导线的芯线直径为0.15mm，数目为28 根，芯线数目太少，直径偏大，从整体上影响了导线的力学性能。
2.4 EPB 线束外保护层分析
发生断裂的EPB 线束的集成线缆包含了四根导线和PVC 材料的外保护层，其保护层与四根导线紧密贴合在一起，近似于刚体。分析表明，外保护层内部四根导线在弯折过程中缺乏缓冲空间，难以扩展或伸缩，造成严重应力集中而断裂。
2.5 EPB 线束安装点分析
EPB 线束通过机械过盈的配合方式固定在车身底盘上，安装点采用聚氨酯弹性体PUR，材料硬度达到95A，棱边缺少圆角，受力时缺乏弹性和缓冲作用是导致EPB 线束断裂的另外一种因素。这种情况下，缺少弹性缓冲以及对弯曲应力的吸能作用导致线束固定点受剪切应力集中而疲劳断裂。
2.6 EPB 线束长度分析
经试验分析，EPB 线束导线的长度在动态区域的尺寸余量有限，两个固定点之间线束绷紧情况明显，在弯折过程中线束运动区域受到拉力的同时，由于弯折角度增大强化了剪切应力集中，导致了线束断裂。
3 优化方案与试验
汽车线束导线设计选型需要重点考虑线束所在功能和环境。EPB 线束安装在车身底盘动态弯折区域，以及汽车驻车系统决定了EPB 线束是一种特殊的汽车线束，属于安全性零件。建议如下：
3.1 基于耐弯折要求定义导线的线种，选择晶粒度高的裸铜和芯线数目多的超柔软性导线，从而满足弯折的寿命要求。为保证导线的强度，汽车用导线的最小截面积不应小于0.5mm2。按照德标LV112-1，选择超柔软性裸铜导线：
3.2 基于受力要求定义导线外部保护层和截面结构，有效传递和疏导弯曲应力；选用导线外加套管的结构，定义材料的耐磨等级和温度等级；合理设置套管内导线容积率，使导线能够在微小范围内伸缩扩展，减少应力集中。
3.3 基于受力要求确定线路长度和公差，一般来说，汽车线束各部分的长度是根据用电器在车身上的实际布置位置来确定的，其实际公差应考虑线束装配要求和它们在动静状态下的干涉问题。由于弯曲运动时剪切力的影响，其长度要根据线路的实际长度稍有富余，一般来说，冗余量在3%-5%之间为宜。
3.4 基于受力要求定义安装点的材料。将EPB 线束固定点材料PUR 的硬度降为75A，消除固定点的直角棱边，增加倒圆角，降低应力集中，提高抗弯折寿命。
3.5 按上述优化EPB 线束后进行弯折试验，线束在台架上弯折的角度下降，受力集中情况明显下降，全程线束弯折试验达到100 万次寿命后，导线外观无缺陷，没有发生断裂，电信号传递正常。
图6 优化后横截面和优化后弯折试验
4 结语
①根据汽车EPB 线束断裂发生的位置，断裂的截面以及导线的材料，安装方式深入分析了EPB 线束断裂问题的潜在原因。
②利用试验方法深入分析了EPB 线束断裂受力作用，确认了EPB 线束断裂产生的原因。
③制定汽车EPB 线束多芯铜导线的材料选择方案，定义导线外保护层以及运动区线束长度和安装点材料硬度的原则，通过改进方案实施前后对比分析，验证了优化方案的准确性，为同类问题的分析与解决提供了参考。
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