基于CATIA对客车低压线束布置及线束固定的设计和分析

基于CATIA对客车低压线束布置及线束固定的设计和分析摘要基于CATIA软件仿真针对实车总装时低压线束布置及线束固定提出优化方案，可以指导总装人员进而减轻人力成本，并且优化低压线束走线的美观性，同时减少低压线束设计时的失误率。在工业设计方面能有效地提高工作效率，通过对数据模型和实车总装状态的差距分析，使得低压线束设计能更加高效，且对线束固定点进行优化，减少对实车的物力投入，更有利于平台化、通用化的考虑。因此，运用CATIA进行模型仿真对低压线束设计显得尤为重要。本次研究设计是在CATIA仿真的基础上，针对低压线束系统进行综合优化，可以利用数模清晰明了地展示实车预总装时的效果。通过此研究得到最终的实验成果，仿真数模能优化实车低压线束走向问题，并且对线束固定点具有选择性，将仿真结果与实车结果相统一。关键词CATIA;低压线束;布置走线;线束固定;目录1绪论 绪论1.1研究背景和意义低压线束的布置直接影响着客车功能实现的与否，同样对低压线束的固定间接影响着客车安全性能，所以优化分析客车低压线束的布置与固定是至关重要的。本论文针对客车低压线束设计时采用CATIA来进行优化和分析，力求规范客车低压线束的布置和固定线束的准则，从而解决不同公司不同设计师设计客车低压线束时不同的准则。柔性物体的装配，特别是线束的装配对制造非常重要。这是一个值得进行的研究问题，它将能够提供一个很大程度的灵活性组装。此外，由于减少了重复和认知负荷，人工装配产生的工作量有望减少。[1]随着电子技术在客车上的应用越来越广泛，连接电器的低压线束也随之不断增多、增长，低压线束日趋复杂，传统的二维低压线束布置图已很难将布置信息完整且准确地表达出来。由于客车订单要求的车身长度的不同，低压线束尺寸也会有很大的不同，从而导致线束绑扎时的美观性差。同时常因线束绑扎不美观导致客户的投诉，也会因线束绑扎不合理造成安全隐患。为此引用CATIA仿真客车中低压线束的布置，研究客车低压线束的布置走向的优化分析，同时规范线束固定的美观性，具有重要的借鉴意义。1.2国内外研究现状在国内客车低压线束总成市场发展相对完善，但是在对客车低压线束的设计工作时，客车低压线束需要预留足够的尺寸，来防止客车走线布置不足以连接各电气设备的情况。同时国内客户的订单需求多样化，对低压线束的布置与固定也是有不同大小的变更，并未能做到完全的平台化。因此，在国内具有平台化开发的客车企业也是寥寥无几。目前客车低压线束设计开发周期紧张，为了进一步缩短开发周期，普遍采用汽车零部件厂家与主机厂进行联合研发、设计，在整车及电气系统结构设计甚至原理设计时即开始使用3D软件进行仿真模拟，[2]所以在客车低压线束的设计工作中具有重要的研究意义和良好的发展趋势。在国外客车低压线束市场成熟且制度也相对完善，由于中国和印度等发展中国家对先进辅助驾驶系统的需求与日俱增，国外众多历史悠久的线束制造厂商也在短期内无法正常供应，导致国外的客车出口量较少，但是由于国内外法规以及点检要求的不同，国内的客车也同样难发展至国外，所以就这些观点看来，本次研究不侧重于国外的客车市场。2总体设计方案及方案论证本章节将会对基于CATIA对客车低压线束布置及线束固定进行总体设计方向来介绍，根据查阅的相关国标和数据模型，同时结合实际装车走线遇到的问题，将本设计的主要目标扎根于低压线束设计要求和软件仿真线束布置及固定。其中，本毕业设计需要解决的关键问题如下：CATIA设计线束的可行性问题;低压线束设计规范化的走线问题;低压线束设计走线的固定问题;设计与实际线束之间优化问题。因此本毕业设计应包含的研究内容包括：软件的可行性分析和数据收集;低压线束走线的规范化;低压线束固定的规范化;实车线束走线及固定优化方案。通过具体研究内容和以下探究的关键问题，更加明确了仍需探究的设计方案，能够更加高效地完成本课题的研究。本毕业设计的设计目的在于依靠CATIA强的仿真软件，其中主要的线束走线和线束固定能够使用CATIA进行系统性的仿真虚拟，并依据设计方案和实际走线对比论证，同时优化设计线束，所得的设计目标主要有：能规范化设计低压线束走向和固定;由于设计使用应用于工业设计，同时便于模块化设计。2.1CATIA设计线束功能可行性方案在本设计中，方案可行性分析是设计的源头，也是设计的基础。可行性分析主要在于仿真软件是否支持线束设计需求，鉴于可行性分析的重要性，对这部分要优先着重介绍和选择。仿真软件面向问题、面向用户，其中功能涵括建模、运控和数据管理等，同时本课题围绕仿真软件建立模型来分析可行性方案，所以对仿真软件的选取决定了本设计的设计难度及建模可靠性等方面，从众多仿真软件中，选取适合的软件是设计的关键。目前工业设计上采用较多的且接纳度较高的仿真软件主要是索达公司的两款产品，第一个软件是CATIA，第二个软件是SolidWorks。本次方案将通过比较这两款仿真软件的难易程度、功能完善度、接纳程度等因素来综合选择。从众多的仿真软件中，挑选了相对应成熟且功能强大的仿真软件，并作对比和分析。仿真软件成熟度比对见表2-1。表2-1仿真软件成熟度比对表软件名称难易程度功能完善度接纳程度应用场合CATIA困难完善受众广应用场合广SolidWorks简易相对较差受众小应用场合窄由此表可知：CATIA的应用场合更加广泛，且受众人群也更加广泛，虽然操作相应困难，但是更加符合客车线束设计需求。CATIA中特征建模是基于草图的参数化建模，同时CATIA的众多约束都是自动识别的，而在SolidWorks中约束需要手动添加，同时不能变量化方程设计。其次，CATIA在线束3D设计中操作便捷，数据结构树简洁明了，线束路径清晰可见易调整，故CATIA在线束仿真领域甚至整个汽车行业内都得到了广泛的采纳并应用,如：大众、宝马、上汽、红旗、奔腾、江淮等汽车主机厂均采用CATIA软件。[3]因此，本次研究最终认为CATIA软件设计线束可行性更佳。2.2客车低压线束设计要求方案由于客车行业的特殊性，是由订单来驱动设计实施的，所以在设计线束时会有许多的不确定性和不可控性。线束接插件形式大体上由订单的点单件为主，且需要配合相关电器布置位置来确定线束走向，同时需要考虑装配维修的工艺可行性，因此在低压线束设计要求相对苛刻。由QC/T29106-2002QC/T29106-2002相关规定：干线和保护套管长度宜不小于100mm，并为10的倍数；支线长度宜不小于30mm；结点之间，接点与分支点之间距离宜不小于20mm；电线与端子连接处需装绝缘套管时，绝缘套管长度不小于20mm；电线束基本尺寸极限偏差应符合表2-2规定。由GE.20-13066（E）欧标相关规定，统一规格的线束与国标相差无疑[4]。因此，本次方案通过多项国标适用性和可靠性进行分析来综合选择线束设计要求制定。电线束基本尺寸极限偏差见下表1-2[5]。表2-2电线束基本尺寸极限偏差（单位：mm）电线束基本尺寸极限偏差干线支线保护套管≤200+20-10+20-10+10-5＞200~500+25-10+30-10＞500~1000+25-10+40-10+20-10＞1000~2000+30-10+45-10＞2000~5000+40-10+55-20±30＞5000+50-20+75-20由于国标对于部分低压线束的法规要求，便可以在此基础上仿真低压线束的布置及线束固定，同时结合不同企业标准针对性设计线束走向和固定点的选取。由表2-2可以看出，QC/T29106-2002国标仍受用于众多企业的线束设计规范参考当中，同时QC/T29106-2002也对线束端子和线束可靠性实验也做了相应的论证，可以作为研究的对标性数据参考。因此，相较于众多的法规和国标准则，本次研究采用QC/T29106-2002数据参考，是相应全面且具有可靠性的。2.3CATIA软件仿真线束布置及固定操作方案在运用CATIA软件仿真线束时，需要搜集相关CATIA线束布置的操作模块。目前行业采用较多的模块有两种，一种是电气线束装配“ElectricalHarnessAssembly”(EHA)，另一种是电气线束展平“ElectricalHarness-Flattening”(EHF)[6]。本次方案将通过对比两个模块的简易性、普及性和多功能性等因素来选择模块。软件模块成熟度对比见表2-3。表2-3软件模块成熟度比对表模块名称简易程度普及程度多功能性线束设计EHA简易受众领域广功能完善符合EHF困难受众领域广功能完善符合由表2-3可知，EHA模块和EHF模块在线束设计领域均具有优势，但在使用情况下，EHA模块设计线束相对容易且性价比较高。EHA模块包含有线束直径及截面积设计、线束弯曲半径设计、线束松弛度以及长度设计、线束路径设计、线束的形状以及分支点增加与取消功能，以满足工程设计线束的要求，并提高线束的可装配性、可靠性、可制造性等[7]。本次研究最终采用EHA模块进行对低压线束的布置及固定进行仿真。2.4实车低压线束布置和固定优化方案形状预测是一项相当复杂的任务，使得机器人的预编程成为一个困难的过程。现有的模型是对线束力学行为建模的扩展，涉及到扭转力学。[8]因此，用CATIA软件进行仿真可以解决这一问题，同时明确各区域管线捆扎最终状态，问题形成闭环管控，管线在线实现标准化装配，确保客车管线装配的一致性和可靠性。[9]本次方案采用实车低压线束布置及其固定与高压线束之间的差异结合，来优化方案配置。高、低压线束布置要求差异比对见表2-4。表2-4高、低压线束布置要求差异比对表[10]线束名称线束布置要求差异低压线束低压线束布置尽量沿车身的边沿、槽、纵梁等部位走线，充分考虑线束过孔时的密闭和保护，确保线束和运动部件之间的间隙。高压线束高压线束设计采用双轨制，同时高压连接器选型必须满足耐电压、防水等级高，较好的电磁屏蔽能力等。通过对比可以知道的是低压线束整车布置考虑受力状况、避免热源和防止损坏线束为主，而高压线束设计主要涉及防水等级、电磁屏蔽能力等方面，因此在做研究时，充分结合低压线束和高压线束的异同点进行线束布置和优化固定方案。线束布置方案采用线束布置时不允许出线300mm悬空走线，尽量避免垂直走线，防止防水、防尘功能失效；线束接插件的120mm需有固定点保护线束，减少震动以及自重等影响因素；避免低压线束与其他部件干涉，需独立走线。3仿真软件模拟低压线束布置本章节将介绍仿真软件对于低压线束设计的部分，即对不同的线束设计和虚拟仿真，通过线束的布置和固定的描述，希望使读者能够更加深入地了解到线束布置与固定的重要性。图3-1整体线束设计流程框图本次研究打算优化基于CATIA对客车低压线束布置及线束固定的设计，并对其分析。整体线束设计流程框图如图3-1所示。整个研究以CATIA为核心软件，根据各子系统电器件的分布情况，确定线束的布线形式及在汽车上的走向；确定线束的外保护形式及过孔的保护等。[11]通过不同的电器件输入以及模块控制逻辑的不同，更改线束走向，运用CATIA软件仿真低压线束走向，并观察是否合理与固定美观性，最终体现在线束二维设计图中，同时线束二维图纸外发供应商，进行线束的采购并制造，直至整车的线束装配。实车低压线束走向与CATIA仿真走向结合，可分析与优化线束走向及其固定点的选用，同时对基地装配可提出疑问是否装配合理且规范，并针对基地及线束供应商反馈问题，进行低压线束的改制。以下将从线束设计基本原则和如何运用CATIA设计线束两大部分进行介绍。低压线束设计原则低压线束的布置及线束对接，主要结合车身钣金的情况，同时考虑到全车低压所需连接到的电器件分布。线束走线不像电器件形式单一且固定不变的，需满足车身钣金能否布置，且从线束布置较短来考虑。低压线束设计首先需考虑到现场装配工艺，在走线以及设计线束对接时易于装配是极为重要的，尽量在设计阶段减少对总装工艺时的繁琐，同时低压线束设计时尽量减少复杂的对接工艺，能在装配时尽可能地减少人力成本。低压线束设计其次需考虑到线束售后的可维护性，在售后维修这点也是与装配便利性相呼应的。低压线束售后维修并不像电器件一般，需要拆除电器相关的其余总成，而是只需拆卸相应的低压线束分支和护套端子，若是低压线束的可维护性较差，则会增加不必要的人力成本和物料成本。基于线束的可维护性考虑，着重可考虑以下几点：低压线束的接插件应布置于伸手就可以触及处，便于总装低压线束或是线束维护。同一电器件的接插件应在颜色、型号、线束定位等保持一致，防止设计出错，具备一定的防呆设计。低压线束在线束分支及接插件的尾端应预留一定量的长度，便于总装时的接线，同时对线束改制时也留有余地，防止线束改制时长度不足的情况。配电盒、VCU、多合一控制器等重要电器件要留有相较少的余量，避免线束过长导致对电器件的磨损。低压线束设计的回路要尽可能地短，尤其是CAN回路中分支长度应不长于1000mm，防止报文信号的衰减与不稳定性。低压线束回路短有利于线束上的压降小，从而使电器件获得的电压高亦或是节约线束的制作成本，同时还可以作为整车轻量化的成果。低压线束设计时尽量减少线束的对接，这虽然是与装配工艺的便利性相冲突，但是这需要在低压线束设计时权衡利弊，是否会存在对接处的不可靠性，以及增加了整车的组装工时和物料成本。低压线束设计过程及结果CATIA对于传统的电气线束布置工艺不仅仅可以弥补CAD设计二维图纸时的走向不明了问题，同时还可以为验证总装工艺的可行性，因此使用CATIA设计电气线束也是必由之路，本章节将从使用CATIA设计低压线束的过程和结果来分析为何使用CATIA。在CATIA开始菜单栏中便可看到机械设计，选中下级菜单中的装配设计，就可以开始设计客车的低压线束。在装配设计中常用的命令有现有部件、零件、捕捉和操作等命令，这些命令主要是针对于现有数模的操作，在对整车设计中是必不可少的，通常运用在加载数模以及当电气设备出现干涉时，即可使用以上命令进行适当的调整。图3-2电气设备装置布置图图3-3制动设备装置布置图将24V低压电瓶和配电盒的布置如图3-2所示，布置在司机下舱体中。配电盒布置于司机下舱体封板处，24V低压电瓶布置与车身底架，且采用推拉式固定，方便总装工艺以及后续的维护工作。将低压转向油泵布置在车后桥下舱体处，仿真模拟底盘线束与控制线束走向，由于制动的结构限制低压转向油泵布置如图3-3所示。制动气管需连接整车的制动控制阀，制动控制阀位于前、后车桥的悬架处，因此会将双源转向油泵布置于车后桥下舱体处，便于气路制动和低压线束走线需求。图3-4集中润滑控制器布置图图3-5集中润滑装置油泵布置图将集中润滑控制器布置于司机副驾驶台侧，油泵布置于前围骨架右侧处，仿真模拟仪表线束走向，集中润滑系统布置图如图3-4和图3-5所示。通过低压线束将集中润滑系统中的控制器与油泵结合，对控制器实现数字化操作转而控制油泵中压力释放来达到出油量多少的控制。低压线束由前围骨架走线，需车身封板开孔。设计低压线束时，主要使用开始菜单栏中的设备与系统，打开电气线束规则，其中的ElectricalHarnessAssembly便是设计线束的功能区。运用CATIA创建低压线束布置将从以下步骤操作：创建“GeometricalBundle”格式文件，选择导入的零件，随后对已创建的格式文件，单击“Multi-BranchableDocument”创建线束文件格式。在“BundleSegmentDefinition”命令中，可以设置线束名称、直径大小、横截面积、拐弯半径以及线束的松弛度等参数，一般设计线束会对横截面积，拐弯半径和松弛度具有一定有的要求，方便构造线束也容易仿真实车总装时的工艺要求。单击“RouteDefinition”命令，可以在其中通过构造线束的点来创建线束走向，同时可以更改线束的出线或是入线方向，并对构造点能进行设置加以改变线束的分支。单击“AddBranchPoint”命令，可以选择线束上需增加新的线束分支点，并以此为基础延伸出新的低压线束分支。图3-6电瓶线束布置图电瓶线束主要分为正极线束、负极线束、串联线束以及还有一根正极开关线束等，电瓶线束主要布置如图3-6所示。正极线束一般有蓄电池正极连接至开关或是配电盒总闸处，负极线束由整车搭铁点确定线束走向，串联线束一般走向是不变的，由蓄电池型号和蓄电池固定方式决定的，而正极开关线束则是由正极线束过电源总闸在连接至配电盒的低压线束。其余低压线束的配电均是收到电源总闸亦或是配电盒控制，所有会有单独线束在配电盒处连接至用电设备处。图3-7双源转向线束前桥布置图图3-8双源转向线束后桥布置图双源转向线束由配电盒取电，低压线束主要从前桥轮罩处走线，一般采用走线槽亦或是圆钢实现走线，如图3-7所示。低压线束中段走线主要分布于底盘骨架横梁处，较多采用抱箍亦或是采用支架形式走线，后桥处一般采用抱箍固定于后悬架处走线，防止由于电机亦或是传动轴的机械振动导致低压线束的磨损，如图3-8所示。双源转向线束主要是与底盘线束、控制线束等一起走线和固定，能较好地反映整车低压线束大致的走向和线束固定点，双源转向线束也是整车低压线束中较为重要的线束，负责转向功能失效时，提供整车短暂的转向驱动功能。图3-9集中润滑线束前围布置图图3-10集中润滑线束前围骨架布置图集中润滑线束走线主要分布在前围骨架和车身封板处，基本与仪表线束走线一致，采用抱箍固定于前围，如图3-9和图3-10所示。该部分低压线束走线空间较小，所以线束固定的点也较为统一。集中润滑系统也是整车转向中较为常见和低压线束设计原理较为简易的，可以较好的分析出整车线束的对接及前围的电器件布置情况。4实车低压线束布置差异性分析及优化方案本章节通过对比实车低压线束布置走向与软件仿真模拟线束走向之间的差异性，从而对实车总装工艺时提出较为优化的线束布置方案。本章节将从三方面介绍试车低压线束走向及组装时的优缺点，主要分为蓄电池舱体内的电瓶线束、贯穿车身的双源转向线束和具有代表性的集中润滑线束，电瓶线束主要是低压线束设计的准确性，双源转向线束主要是低压线束固定点的选取可靠性和低压线束布置的合理性，集中润滑线束是附着于封板的走线且低压线束走线固定化。4.1电瓶线束的实车差异化及优化电瓶线束是整车中最为重要的低压线束，也关乎着整车功能是否可实现。若是电瓶线束出现故障，唯有更换相对应的电瓶线束，而无法通过线束改制完成，因此在设计电瓶线束时，需要运用CATIA设计好线束的布置与固定点问题。电瓶线束往往是初学设计者的入门，该低压线束延用性较强且留有余量较小，基本线束设计余量保持在50mm之间，线束设计与实车差异化也是较小的存在。图4-1电瓶线束实车布置图电瓶线束在狭小的空间中不利于安装，正如图4-1所示。运用CATIA绘制3D模型来模拟电瓶线束可以较少的减小线束的余量，且控制线束的布置走向，软件仿真与实车总装较为相似，对固定点也是通过轧带捆扎在电瓶固定支架处，能尽量的减少整车的震荡对电瓶线束的损坏。总装工艺时较难实现，可采用电瓶电极互调，对电瓶线束进行优化，可降低总装工艺的复杂性和进一步提高电瓶线束的延用性。4.2双源转向线束的实车差异化及优化双源转向线束的布置走线能清楚地了解到整车低压线束的走向及电器件的分布情况，线束一般由车前桥部分走线至车后桥处，会经过较多的湿区，因此对双源转向线束的制作工艺较高，对总装工艺也较高。运用CATIA在进行模拟走线时，会根据不同的车型来布置低压线束走向的不同，因此双源转向线束的预留线束余量较大，容易进行后续线束布置的更改，因此线束设计与实车差异化有较大的存在。图4-2轮罩区实车布置图轮罩区的实车走向较为困难且后续维护度较差，因此较少采取轮罩区的走向方式，如图4-2所示。双源转向线束主要优化点在于前、后前线束布置及对车身的固定点选取。运用CATIA设计线束时，因对此区域加以防护措施，通常采用走线槽亦或是在轮罩上方布置线束，且针对线束固定点采用≤300mm进行抱箍的方式固定，减小线束自身的应力，在符合国家法规的同时，降低整车的重量，对整车轻量化有重大的影响。4.3集中润滑线束的实车差异化及优化集中润滑线束控制原理简单明了，且线束走线固定化。集中润滑线束在前围骨架部分进行布置，并且固定点并不像底架中的固定点，不具有规律性，线束固定主要根据前围封板和各式支架完成。在实车走线时，针对集中润滑线束会先进行固定，后铺设线束完成，如图4-3所示。图4-3前围区实车布置图前围区的低压线束较多，并且固定点较少，对线束的固定作用较差，因此针对集中润滑线束，主要运用CATIA优化前围骨架下处的线束走向优化，能有效地减少干涉，并针对特殊区域采用布基胶带满缠，降低低压线束的成本。因此集中润滑线束优化于线束分支以及骨架中的固定点对线束的固定，减短线束分支，可以使线束整洁并且能较快的区分线束，固定点的选取对整车经济性也有较大的改善。5结论通过本次毕业设计的仿真模拟以及对差异性的分析，让我明白了软件仿真和实车状态之间确实存在较多的出入，以及仿真存在着过于理想化的问题。经过对仿真的逐步测试和验证，一些仿真中未考虑到的问题也随着暴露，便需要通过不断地优化调整仿真方案，来达到于实车相近的效果，能较好的仿真到实车总装的结果。在整个设计过程中，收获的不仅是对仿真软件、对整车的了解，更加重要是的对相关资料的学习和突发状况的应变能力。通过本次毕业设计的仿真结果和优化方案，能初步完成设计的需求，并对后续线束设计具有一定的借鉴意义，虽针对部分低压线束有较好的借鉴意义，但是对众多分支以及顶棚线束的借鉴意义不大，这也是日后需要去逐步