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汽车线束疲劳断裂分析和处理方案

 

线束疲劳断裂是令人头痛的问题,如果没有一定的失效经验积累,或有完整的试验验证方案,问题的突然性,都会令人手足无措。

 

 

一、线束疲劳断裂是什么?

导线的金属导体(铜线)在交变应力(振动或运动件产生)中,尽管应力值一直没有超过材料的强度极限,但在长期的应力反复循环作用后,导体发生突发性脆性断裂。

如手机充电线尾在长时间使用后,由于插拔过程中,接口尾线束发生弯曲,外护套材料首先破裂(外护套材料多为TPE),然后继续使用会出现导体铜丝疲劳断裂。

因此,对充电线抗折性能进行研究,对于提高充电线的寿命就显得尤为重要。

车用线束线束固定卡扣的固定位置,导体会在长时间挤压时形成凹陷,导体单丝之间会有互相移动而产生摩擦痕迹,导线断口处一般都会有氧化。

 

二、线束疲劳断裂危害

电话充电线束断裂只影响了我们的手机充电,再配置一条充电线不会影响我们日常生活使用。但作为汽车线束就很不一样,车用线束作为高低压电器部件的联接载体,承载整车动力,信号传递,主导整个汽车的安全和性能。汽车的载体是人,尤其安全性和顾客的感受是很重要的。

线束疲劳断裂是线束失效的主要形式之一,汽车的车门线束、后背箱线束、发动机线束、速度传感器线束、新能源汽车的驱动电机线束(尤其是轮边电机)打气泵的线束,空调压缩机的线束等,在工作过程中承受弯曲和振动的负荷,在恶劣的环境中还要承受热负荷。

汽车线束在受移动件或振动件作周期运动时,如设计不合理,则电缆抗弯性能不够,导体铜线将部分或全部断裂,断线问题,将影响到车辆的正常运行和安全,目前对导线断裂的整车没有很好的检测方法,只有线束导体完全短路,在过程中出现断路故障才能检测。

若为新能源汽车高压线束突然发生短路,可能出现出线拉弧,对线束、电器甚至整个整车都有不同程度的危害。

 

三、车辆线束疲劳断裂的分析

1、导体材料

导体材(铜)的加工工艺控制不合理,铜丝在拉丝或退火时过度氧化会变脆,或是在挤压绝缘后的硫化过程中,由于进水或与高温分解产生的酸性物质反应,使导体铜丝表面变黑,这样,就会降低铜丝的韧性,一般汽车电缆导体使用99.99%的无氧铜。

2、绝缘或套管材料

绝缘子、护套材料、机械物理性能差、耐老性差、伸长率不够高、抗张强度、拉伸回缩、绝缘子和护套不够支持线芯和导体。

3、受到异常的机械冲击

有碰撞、机械冲击、线束承受短拉力、下刹车报警线束太短、打方向会把线束崩得特别直,时间长了线束从里面断开,外表看不出任何问题。

4、电缆耐弯性好,线束布置结构无法满足实际使用要求

影响电缆抗弯性能的因素包括导体单丝径、导体绞合结构、电缆结构等。

缆索耐弯性与导体单丝径、导体绞合结构、电缆结构等都是有关系的。

现在所使用的新能源汽车高压线束导体单丝径是按QC/T1037确定的,一般单丝直径为0.21mm,若要改变现有导体的弯曲性能,可选用较小的单丝直径,如0.15mm。

一般而言,一次束绞导的节径比不能超过25,如果是复绞线,那么股线绞合节径比应不大于30,内层与外层绞合节径比分别应不超过20和14。大节距铜线比小节距铜线要硬得多,最小的弯曲半径也会增大。

为延长振动或移动部分电缆的使用寿命,必须使导体尽可能柔软,构成导体的一条线越细,其弹性越大。

但是一条线的粗细与其机械强度和承载力有直接关系,一条细线的承载能力就越差,为解决这一矛盾,可先将多根单线束成股线,各股线绞合方向相同,多股线再绕到导体上,在复绞时相邻层股线复绞方向相反,保证绞合导体的柔性,及机械强度。

 

四、处理问题的方法

1、避免铜丝氧化

在铜线材氧化时,首先要选择合理的工艺处理,若不需要二次退火,则必须控制无氧纯度,才能保证铜线材的纯度。第二,在硫化过程中,水汽和硫化反应所产生的副效应(除了个别本身挤胶工艺上的缺陷外),水汽的副作用并不太明显;配方物质高温分解出酸性物质所致的梳状反应可通过提高橡胶配方的热稳定性来解决,另外,它更有效地避免硫化温度过高。当然,这并不意味着要求温度低于硫化点。

2、控制绞合节径比

对绞合节径比在束绞线时,理论节径比要适当小一些,一般可比标准值降低1O%~15%,从而使实际节径比最终与标准规定的限值接近同理,对成索绞合节径比的控制也是如此。

3、控制绝缘和外壳的质量

绝缘胶及护套胶中绝缘胶含量应控制在35%以上,绝缘胶中绝缘胶含量不得低于42%,这是基本要求。自然影响抗张强度,长率、拉伸回缩与配方组成、炼胶工艺及硫化工艺有关,良好的护套胶,其抗张强度应在15N/mm以上(标准值为11N/mm:),延伸率也可达到500%以上。

4、优化电缆的结构

挠性耐弯型电缆受弯时(缆芯将承受相应的拉伸力和压缩力,缆芯中位于弯曲顶处的绝缘线芯承受拉伸力,绝缘线芯的位置外移(弯曲底部的绝缘线芯承受压力)绝缘子的位置(离弯边越近)越近(受力越大,绝缘线芯之间的相对移动越大-当电缆弯曲消失归回原位时(缆芯承受的拉伸力'压缩力消失)(绝缘线芯位置也应恢复-电缆频繁弯曲时绝缘线芯之间的相对移动越大-电缆弯曲后恢复到原来位置(缆芯承受的拉伸力'压缩力消失后恢复原位)在绝缘线芯间滑动补偿性差甚至绝缘线芯间发生内嵌卡死现象,将使绝缘线芯断芯-另外(缆芯承受的拉伸力越大(缆芯结构越不稳定)电缆芯发生变形的机率越大。

下面是一个优化程序:

为改善钢索内缆芯结构稳定性,取消了以前使用的PP填充绳、麻绳、棉绳填充条等填充材料,改为采用绝缘材料挤入填充条。并将芳纶线替换软碳钢丝绳放在填充条的中央,并将芳纶线填充条置于缆芯中央,既提高了填充条的承载能力,减小了绝缘线芯所受的拉力,又加强了缆芯的整体柔软度'结构稳定圆整,使缆芯具有更好的抗弯曲和抗扭性能。

软性耐弯型电缆缆芯一般不绕包带,绝缘芯与护套紧密接触-防止护套粘结,不利于电缆剥离,一般而言,滑石粉是涂覆在缆芯外面的,但滑石粉很容易吸潮结团,容易发生线芯表面涂覆不均,线芯间隙中积聚过多,很容易在模芯内溅到累积,由缆芯拖出导致电缆起皮,干滑石粉易产生粉尘,不利于卫生清洁,而且对人体有害,用滑石粉作绝缘和护套隔离的柔性耐弯曲电缆,因为滑石粉涂层不均匀,绝缘线芯之间的滑动补偿也不平衡(因此,当绝缘线芯挤制时,在线芯绝缘表面涂覆液体隔离剂-在隔离剂中浸入绝缘线芯层,使其表面均匀涂覆,有利于绝缘芯之间的相对滑动,保证了线芯在弯曲时对平衡进行补偿,从而进一步提高缆芯的抗弯曲能力。

绝热挤出成型采用挤压模具,将绝缘层紧密包覆在导体外部,加强绝缘层与导体之间的粘接强度-挤包过程中,绝缘层如果出现划伤":形弯"的击穿等不良现象,不得对绝缘线芯进行修整处理,尽量消除绝缘线芯存在的安全隐患,外护套改进在柔性抗弯电缆中具有十分重要的作用它不仅起到保护绝缘线芯的作用,另外还要承受很大的载荷弯曲应力所以柔性耐弯曲电缆外护套一般极高的抗拉强度'撕裂强度优良的耐磨性能耐老化材料,如TPU。

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