汽車搭鐵可靠性研究及一種搭鐵失效故障分析
發(fā)布時間：03/08 —— 2022
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在汽車用電器工作過程中，發(fā)電機與蓄電池正極作為電源輸入提供了電流的來源，而蓄電池負極、車身、用電器負極之間相互連通則保證了電氣回路的完整性。在負極回路中，連接點稱為搭鐵點，連接的導線稱為搭鐵線。
單線制搭鐵方式是目前多數(shù)汽車所采用的一種接地處理方式，本文主要論述的內容也是基于此種搭鐵方式。搭鐵作為整個電流回路的一部分，其可靠性直接影響著用電器功能的實現(xiàn)。若搭鐵設計不好，不僅會導致回路電壓降增大、不同搭鐵之間的串擾、引發(fā)用電器故障，更嚴重的還會導致線束燒蝕等問題。因此，汽車搭鐵的可靠性及合理性就顯得尤為重要。本文將從用電器類型、搭鐵的種類、搭鐵線的接法、搭鐵端子的防護、搭鐵端子的緊固、搭鐵點的涂裝遮蔽、搭鐵端子的防轉等方面來探究提高可靠性的方法。（1）主搭鐵需要單獨進行搭鐵，比如發(fā)動機的搭鐵、車身的搭鐵。（2）重要零部件、大電流用電器、有特殊要求的用電器需要單獨搭鐵，比如ECU、TCU、氣囊、EPS電動轉向系統(tǒng)、WCBS線控制動系統(tǒng)等。（3）在共用搭鐵的設計時，為了避免不同類型負載通過搭鐵線互相干擾，需要將信號類搭鐵和功率類搭鐵分開；而在信號型用電器的搭鐵設計時，盡量將模擬信號和數(shù)字信號的搭鐵線分開；在功率型用電器設計時，盡量將電阻型和電感型的搭鐵線分開。在整車的回路中，電流都會沿最近的路線回到電源負極。所以在布置搭鐵點的位置時，大的原則是就近原則。這里將從普通搭鐵和主搭鐵兩個方面分別論述。（1）普通搭鐵。搭鐵點需盡量設計在距離電器件較近的地方。搭鐵分支設計時要盡量減少搭鐵回路長度，這樣就能降低電線上的電壓降。
（2）主搭鐵。比如車身到蓄電池負極的搭鐵、發(fā)動機缸體的搭鐵。由于搭鐵線上的電壓降會直接影響到發(fā)動機的起動，尤其是冷啟動。一方面可以從縮短搭鐵回路的長度來降低電壓降，比如合理布置搭鐵線的走向來縮短線束長度。另一方面可以通過發(fā)動機缸體直接接到電池負極的方式來減少搭鐵點處的電壓降。圖1的搭鐵方式為發(fā)動機缸體直接連接蓄電池負極，在搭鐵線上焊接搭鐵片，搭鐵片通過螺栓固定到車身上，實現(xiàn)車身與蓄電池負極的連接。此種搭鐵方式要比圖2中的搭鐵方式更能降低起動回路的電壓降。
這兩種搭鐵線的接法各有優(yōu)缺點，對比情況及使用建議詳見表1。
無論使用哪種方法，都要綜合考慮盡可能地減短搭鐵線的長度、節(jié)省成本和提高可靠性。對于如蓄電池負極線、發(fā)動機搭鐵線等導線截面積較大的線束，一定要控制好線長及走向，減小電壓降。對于處于濕區(qū)或者可能會漏水區(qū)域的搭鐵點，需要考慮到濕區(qū)環(huán)境對搭鐵點的影響，可從主被動兩方面來同時防護。主動方面，搭鐵端子首先避免布置于濕區(qū)或者漏水區(qū)域。如不能避免或者車身的結構較難更改，可以將搭鐵點分支走向設計為U型結構，這樣水流不會順著導線流到搭鐵端子處，如圖5所示。被動方面，對于濕區(qū)位置的搭鐵端子，使用雙層熱縮管或者浸錫的方式對端子與導線的壓接部位進行密封處理，避免液體進入到導線內部造成導線氧化和腐蝕。同時，對于搭鐵分支的包覆方式更改為PVC膠帶實纏后再包布基膠帶。
目前主流車型采用兩種裝配方式，一種是車身鈑金焊有背母，用螺栓來固定搭鐵端子。另一種是車身鈑金上焊植焊螺柱，用螺母來固定搭鐵端子。在實際應用時，為了保證搭鐵的良好，一般使用前一種方式，使用刮漆螺栓來固定搭鐵端子。搭鐵端子的固定力矩需要根據(jù)實際使用的標準件來確定。目前汽車上一般使用M6和M8兩種規(guī)格的螺栓和螺母，其中發(fā)動機搭鐵和車身到蓄電池負極的主搭鐵一般使用M8的，其余使用M6的。M8的緊固力矩一般設定為17±1Nm，M6的緊固力矩一般設定為9±1Nm。車身在涂裝工藝處理在制造過程中，搭鐵點涂裝遮蔽這一點容易被忽視。但如果處理不當，可能會導致搭鐵失效或更為嚴重的燒蝕故障，務必引起重視。針對此種現(xiàn)象，建議在車身進入涂裝車間之前，利用工藝螺栓進行預安裝遮蔽，涂裝完成后拆除，進入總裝后再配合使用刮漆螺栓。但是要注意的是，工藝螺栓的使用次數(shù)不可太多，當遮蔽效果下降時必須要更換工藝螺栓。目前越來越多的車型上使用的搭鐵端子都是帶有防轉結構的，如圖6所示。使用防轉結構的端子有兩點優(yōu)勢。一方面可以保證在緊固過程中端子不隨轉，這樣就能使緊固力矩更好地實施，增強了緊固效果。另一方面，在實際裝配過程中，普通搭鐵端子的隨轉可能會對裝配工人造成手部傷害。
本小節(jié)介紹一個在實際開發(fā)過程中遇到的搭鐵失效的故障，以供參考。在某車型的騾車試制階段，某一輛騾車裝配完成點火起動時，起動機拖動5秒左右后停止。再次點火起動時，起動機無反應。測試此輛問題車發(fā)動機缸體對蓄電池負極電阻為1歐，用手甚至可以轉動發(fā)動機到車身的搭鐵端子，而同批次其他正常起動車輛為0~0.1歐。初步判斷為發(fā)動機搭鐵不良，導致電壓降過高，無法滿足起動需求電流。但是再次點火起動時，起動機無反應，說明并非單純是起動電流不足的原因，需要繼續(xù)排查。測量與點火有關的線束通斷情況，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機線束與機艙線束的對接件某針腳發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，如圖7所示。測量點火控制線后發(fā)現(xiàn)開路，將線束拆開后發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機臺架測試接地線（此接地線僅為便于發(fā)動機臺架測試時用，通過發(fā)動機艙線車身搭鐵點回到蓄電池負極。此接地線僅在開發(fā)階段的試制樣車上用，屬于冗余的搭鐵線）燒蝕，連同附近針腳的點火控制線一并燒斷。圖8為此車型的搭鐵拓撲示意圖。
至此，原因查明：由于發(fā)動機到車身的主搭鐵不良，車輛起動時部分起動電流經冗余搭鐵線與蓄電池負極形成回路，造成線路過載燒蝕。由于是騾車，此故障做特殊處理。首先，對燒斷的點火信號線重新接線，保證起動控制回路的正常。其次，剪斷發(fā)動機線束上冗余的這個搭鐵線，以消除隱患，發(fā)動機臺架測試時，單獨再接一根搭鐵線。最后，對問題搭鐵點重新緊固到位，并復核同批次的其他車輛此處的緊固力矩，確定搭鐵良好。
搭鐵可靠性對于汽車電路系統(tǒng)的可靠性而言十分重要。同時，各種原因導致的搭鐵不良現(xiàn)象時有發(fā)生，比如搭鐵緊固件失效導致的松動、搭鐵接觸面由于銹蝕或噴涂等原因導致的接觸不良而增大電阻等。這些故障導致電壓降不正常而影響用電器的工作，或者導致電流分流到其他回路而影響其他電路，嚴重的有可能會導致線束燒蝕。因此，汽車搭鐵在設計時尤其要引起重視并遵循正確的設計原則，方能切實提高搭鐵的可靠性。
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