陳 淳，田 夢(mèng)，單黎婷

（上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805）

1 導(dǎo)線(xiàn)特性

汽車(chē)導(dǎo)線(xiàn)大多為單芯線(xiàn)，主要由兩個(gè)元素組成，分別是金屬導(dǎo)體和絕緣層，如圖1所示。根據(jù)不同電氣器件的工作環(huán)境及要求，實(shí)現(xiàn)功能所需要的導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格不盡相同。不同規(guī)格的導(dǎo)線(xiàn)，所對(duì)應(yīng)的金屬導(dǎo)體種類(lèi)和結(jié)構(gòu)以及絕緣層的材料也不相同。對(duì)于金屬導(dǎo)體，主要技術(shù)參數(shù)有金屬材料、單根金屬絲直徑、金屬絲總數(shù)量以及金屬絲的絞合方式；對(duì)于絕緣層，主要技術(shù)參數(shù)有絕緣層材料、厚度、外徑、顏色等。汽車(chē)用導(dǎo)線(xiàn)一般采用多根金屬絲絞合的結(jié)構(gòu)，以便提高其機(jī)械可靠性，包括拉拔力及抗振動(dòng)能力。

圖1 汽車(chē)用單芯導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)

2 柔性導(dǎo)線(xiàn)特性

柔性導(dǎo)線(xiàn)，顧名思義，相比于傳統(tǒng)汽車(chē)導(dǎo)線(xiàn)，具有更好的彎曲能力。導(dǎo)線(xiàn)的彎曲能力主要由兩部分決定，分別是金屬導(dǎo)體芯和絕緣層材料。其中金屬導(dǎo)體芯的參考參數(shù)可以分為導(dǎo)體材料和絞合方式。本文接下來(lái)將分別從導(dǎo)體材料、絞合方式以及絕緣材料3個(gè)方面，并從電氣特性和機(jī)械特性的角度，對(duì)柔性導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行研究分析。

2.1 導(dǎo)體材料

汽車(chē)用導(dǎo)線(xiàn)的導(dǎo)體材料主要有3種，分別是銅、鋁以及銅合金。合金導(dǎo)線(xiàn)的材料一般以銅錫合金和銅鎂合金為主。不同導(dǎo)體材料的機(jī)械特性對(duì)比如表1所示。

表1 不同導(dǎo)體材料的機(jī)械特性對(duì)比

從表1可以看出，和合金導(dǎo)線(xiàn)相比，純銅導(dǎo)線(xiàn)和純鋁導(dǎo)線(xiàn)具有較好的斷裂延伸率，但不具有出色的抗拉強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。其中，抗拉強(qiáng)度反映的是材料的斷裂抗力，拉伸強(qiáng)度反映的是材料產(chǎn)生最大塑性形變的應(yīng)力，而斷裂延伸率反映的則是柔韌性能和彈性性能，斷裂延伸率越大，則表示導(dǎo)線(xiàn)的柔韌性能和彈性越好，是評(píng)價(jià)導(dǎo)體柔韌性的關(guān)鍵指標(biāo)。雖然銅和鋁都具有相同的斷裂延伸率，但是和鋁相比，銅具有更好的導(dǎo)電性能、更高的熔點(diǎn)及熱傳導(dǎo)率、更低的電阻率、更好的穩(wěn)定性能、更好的抗拉強(qiáng)度以及拉伸強(qiáng)度，并且如今鋁導(dǎo)線(xiàn)的加工存在一定的技術(shù)難點(diǎn)，需要克服才能大范圍使用。因此，汽車(chē)用柔性導(dǎo)線(xiàn)的材料主要為純銅。

2.2 絞合形式

導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)芯如果采用單根實(shí)心的金屬材料制成，勢(shì)必會(huì)影響導(dǎo)線(xiàn)的柔韌性而不能隨意彎曲，截面積越大，彎曲越困難，這樣會(huì)給生產(chǎn)安裝帶來(lái)無(wú)法克服的困難。因此，采用呈一定角度螺旋形式的多股絞合作為線(xiàn)芯的結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的選擇。

多股絞合的結(jié)構(gòu)可以增加銅絲的柔韌性，并且可以使彎曲時(shí)的曲度不集中在一處，而是分布在每一根的銅絲上，每根銅絲的直徑越小，彎曲時(shí)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力也就越小，因此在允許彎曲半徑的情況下不會(huì)發(fā)生塑性形變，從而不會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)絕緣層的損壞。

汽車(chē)用導(dǎo)線(xiàn)的絞合形式主要可以分為3種，形式A、形式B和形式C，如圖2所示。

圖2 汽車(chē)用導(dǎo)線(xiàn)的絞合形式

1）形式A結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)正規(guī)絞合，是由多根同一直徑的單絲，按同心圓的方式，一層一層有規(guī)律地絞合。常用于線(xiàn)徑較小的導(dǎo)線(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

2）形式B結(jié)構(gòu)為不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)非正規(guī)絞合，是由多根同一直徑的單絲，不按絞合規(guī)律一起絞合，各單絲之間的位置相互不固定，外形也很難保持為圓形。常用于線(xiàn)徑較大的導(dǎo)線(xiàn)，在彎曲時(shí)，相比于形式A，各單絲之間的滑動(dòng)余量更大，抗彎曲力更小，擁有更好的柔韌性且易加工。

3）形式C結(jié)構(gòu)為不對(duì)稱(chēng)細(xì)線(xiàn)多股導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)復(fù)合正規(guī)絞合。由于該絞合形式下單根銅絲數(shù)量較多，單根銅絲最大直徑較小，因此先部分絞合成單股，再進(jìn)行一次整體絞合。相比于形式A和形式B，形式C具有導(dǎo)體外徑小、填充系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，其柔韌性遠(yuǎn)優(yōu)于前兩種絞合形式。

不同絞合形式的銅絲數(shù)量及直徑不同，如表2所示。

表2 不同絞合形式的銅絲數(shù)量及直徑對(duì)比

從表2可見(jiàn)，導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)徑越大，銅絲數(shù)量越多且銅絲的直徑越大。通過(guò)對(duì)比可以得出，導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)徑相同的情況下，C型絞合形式的銅絲數(shù)量最多，并且單根銅絲的直徑最小。

一般而言，導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)單絲的直徑越小，單絲的數(shù)量越多，柔韌性則越好。綜上所述，C型絞合形式具有最好的柔韌性。因此，汽車(chē)用柔性導(dǎo)線(xiàn)的絞合方式主要以C型絞合形式為主。

2.3 絕緣層材料

導(dǎo)線(xiàn)的外圍均勻地包裹了一層不導(dǎo)電的材料，即為絕緣層，作用是防止導(dǎo)電體和外界接觸造成安全事故。汽車(chē)用導(dǎo)線(xiàn)的絕緣材料主要可以分為3種，分別是熱塑性聚合物（PVC、PE、PP等）、熱塑性彈性體 （TPE-U、TPE-O等）以及交聯(lián)塑料 （PE-X等）。絕緣層機(jī)械特性的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率，這兩個(gè)參數(shù)同時(shí)也用于評(píng)價(jià)金屬導(dǎo)體的機(jī)械特性，電氣特性的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有介電強(qiáng)度和介電常數(shù)。其中介電強(qiáng)度定義為材料被擊穿時(shí)，單位厚度所承受的最大電壓，介電強(qiáng)度越大，絕緣的品質(zhì)越好；介電常數(shù)代表了電介質(zhì)的極化程度，介電常數(shù)越大，對(duì)電荷的束縛能力越強(qiáng)，材料的絕緣性能則越好。不同絕緣層材料的電氣及機(jī)械特性對(duì)比如表3所示。

表3 不同絕緣層材料的電氣及機(jī)械特性對(duì)比

可以看出，相比于熱塑性聚合物和交聯(lián)塑料，熱塑性彈性體TPE材料具有更好的斷裂延伸率。目前汽車(chē)上所使用導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層材料大多是PVC，能夠滿(mǎn)足一般區(qū)域的常規(guī)柔韌性要求，并且相比于PE、PP材料擁有更好的絕緣品質(zhì)及性能；交聯(lián)塑料各方面性能居中，但設(shè)備投資及生產(chǎn)成本較高；TPE材料具有出色的柔韌性和彈性，能夠滿(mǎn)足某些對(duì)柔韌性有特殊需求的區(qū)域。此外，TPE材料還擁有良好的耐高、低溫性，耐油性等，并且加工工藝簡(jiǎn)單。因此，汽車(chē)用柔性導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層材料主要以TPE和PVC為主。

2.4 本章小結(jié)

通過(guò)分析對(duì)比柔性導(dǎo)線(xiàn)的3個(gè)元素，可以得出在導(dǎo)體原材料不變的情況下，使用C型絞合形式以及TPE作為絕緣層材料，可以使導(dǎo)線(xiàn)擁有較好的柔韌性。

對(duì)于柔韌性的程度，絞合形式所占的比重要大于絕緣層的材料。因此C型絞合形式是柔性導(dǎo)線(xiàn)的首要滿(mǎn)足條件，至于絕緣層的影響更多則是涉及使用溫度要求以及成本等各方面的考量。從具體絕緣層材料來(lái)看，PVC可以滿(mǎn)足常規(guī)柔韌性的要求，但相較于C型絞合形式所帶來(lái)柔韌性的程度較低。TPE材料相較于PVC在柔韌性程度方面更加優(yōu)秀，并且其最高溫度等級(jí)為125℃，在一些對(duì)柔韌性高需求、高溫度的場(chǎng)合可以選用。因此，可以得出如下結(jié)論。

1）同一導(dǎo)體，使用C型絞合形式，無(wú)論使用哪種絕緣層材料，都是柔性導(dǎo)線(xiàn)。

2）絕緣層材料對(duì)于柔韌性的影響程度小于絞合形式，TPE比PVC擁有更好的柔韌性和耐高溫性。

3 柔性導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)用范圍

3.1 使用區(qū)域

汽車(chē)上存在很多運(yùn)動(dòng)區(qū)域，這些區(qū)域的導(dǎo)線(xiàn)會(huì)經(jīng)常處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。如果在這些區(qū)域使用普通導(dǎo)線(xiàn)，在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的彎曲拉折后，容易發(fā)生絕緣層破損及內(nèi)部導(dǎo)體絲斷裂的問(wèn)題，輕則引起電氣功能失效，重則引起火災(zāi)等安全問(wèn)題。因此，對(duì)于這些區(qū)域，使用具有較強(qiáng)機(jī)械特性的柔性導(dǎo)線(xiàn)可以減緩導(dǎo)線(xiàn)在連續(xù)往返移動(dòng)中的磨損，解決處在頻繁運(yùn)動(dòng)條件下的導(dǎo)線(xiàn)疲勞耐久問(wèn)題，從而使導(dǎo)線(xiàn)連接的可靠性得到加強(qiáng)，進(jìn)而提升整車(chē)線(xiàn)束的可靠性。

目前汽車(chē)上柔性導(dǎo)線(xiàn)的應(yīng)用范圍可以分為如下幾個(gè)區(qū)域。

1）四門(mén)與車(chē)身連接處。汽車(chē)四門(mén)會(huì)經(jīng)常處于開(kāi)、關(guān)的狀態(tài)，該區(qū)域的線(xiàn)束通過(guò)橡膠件與車(chē)身線(xiàn)束對(duì)接，頻繁開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)會(huì)使連接處的線(xiàn)束處于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，包括普通車(chē)門(mén)和移門(mén)。

2）轉(zhuǎn)向管柱區(qū)域。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，需要用轉(zhuǎn)向管柱來(lái)控制行駛方向，連接在轉(zhuǎn)向管柱上的線(xiàn)束會(huì)經(jīng)常處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

3）四輪ABS線(xiàn)束。固定在車(chē)身與副車(chē)架之間的ABS線(xiàn)束會(huì)隨著車(chē)輛的行駛過(guò)程而產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，對(duì)導(dǎo)線(xiàn)而言需要更高的疲勞耐久性能。

4）前蓋和后蓋。汽車(chē)前蓋和后蓋會(huì)經(jīng)常處于開(kāi)、關(guān)的狀態(tài)，線(xiàn)束通過(guò)橡膠件從車(chē)身連至前蓋和后蓋，對(duì)長(zhǎng)期處于翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的線(xiàn)束需要更好的彎曲性能。

5）座椅線(xiàn)束。汽車(chē)座椅的功能日漸增多，根據(jù)乘客的需求，座椅可以進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)、調(diào)節(jié)，連接到座椅的線(xiàn)束需要擁有較好的柔韌性。

6）車(chē)燈內(nèi)部。某些車(chē)型車(chē)燈內(nèi)部區(qū)域空間小且溫度高，對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的走線(xiàn)以及導(dǎo)線(xiàn)材料具有較高的要求，需要導(dǎo)線(xiàn)具有高柔韌性的同時(shí)，絕緣層具有耐高溫性。

整車(chē)柔性導(dǎo)線(xiàn)的使用區(qū)域如圖3所示。

圖3 整車(chē)柔性導(dǎo)線(xiàn)的適用范圍

3.2 生產(chǎn)及成本

由于柔性導(dǎo)線(xiàn)和普通導(dǎo)線(xiàn)的區(qū)別僅僅在于絞合形式，即導(dǎo)體單絲的直徑。因此不論是在生產(chǎn)制造、制線(xiàn)工藝、生產(chǎn)模具還是絕緣層粒子擠壓成型方面，和普通導(dǎo)線(xiàn)都是沒(méi)有區(qū)別的。然而，在整體機(jī)械特性?xún)?yōu)于普通導(dǎo)線(xiàn)的情況下，柔性導(dǎo)線(xiàn)并沒(méi)有覆蓋到整車(chē)所有的導(dǎo)線(xiàn)，主要原因在于成本。0.5mm2普通導(dǎo)線(xiàn)和柔性導(dǎo)線(xiàn)的成本對(duì)比如表4所示。

表4 普通導(dǎo)線(xiàn)和柔性導(dǎo)線(xiàn)的成本

可以得出如下結(jié)論。

1）對(duì)于同種絕緣層材料，C型絞合 （柔性導(dǎo)線(xiàn)）的成本高于A型和B型絞合 （普通導(dǎo)線(xiàn)）。

2）對(duì)于同種絞合形式，TPE絕緣層的成本高于PVC。

由此，除了在特殊的情況下，使用柔性導(dǎo)線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足所需求的機(jī)械特性以外，整車(chē)其余導(dǎo)線(xiàn)的使用還是以普通導(dǎo)線(xiàn)為主，以獲得高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 總結(jié)與展望

本文先是分解了導(dǎo)線(xiàn)的組成元素，再?gòu)膶?dǎo)體材料、絞合形式以及絕緣層材料3個(gè)方面對(duì)比柔性導(dǎo)線(xiàn)與普通導(dǎo)線(xiàn)的區(qū)別，從而確定柔性導(dǎo)線(xiàn)的定義以及其擁有的特殊屬性。目前汽車(chē)上在同樣的電氣特性及機(jī)械特性的要求下，主要使用的還是普通導(dǎo)線(xiàn)，柔性導(dǎo)線(xiàn)僅僅應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)區(qū)域，因其較高的成本以及復(fù)雜的工藝制作要求。隨著現(xiàn)代汽車(chē)車(chē)載功能的增加、高新技術(shù)的引用，整車(chē)電氣及機(jī)械自動(dòng)化的程度將大幅提高，相比于傳統(tǒng)汽車(chē)，運(yùn)動(dòng)區(qū)域的數(shù)量將會(huì)有所增加，柔性導(dǎo)線(xiàn)在汽車(chē)上的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。對(duì)于滿(mǎn)足多種運(yùn)動(dòng)區(qū)域的更柔韌導(dǎo)線(xiàn)材料的開(kāi)發(fā)，是將來(lái)主要的研究方向。