Till och med från de allra tidigaste dagarna av bilåldern har bilar och lastbilar varit hybrider av mekanisk och elektrisk design. För varje kolv som glider upp och ner i en cylinder, finns det ett tändstift som måste tändas i precis rätt tid för att motorn ska fungera, och om du trampar på bromspedalen är det bättre att bromsljusen tänds samtidigt hydrauliskt tryck klämmer hjulrotorerna mellan bromsbeläggen.
Utan elektriska anslutningar är ett användbart motorfordon en praktisk omöjlighet. Till och med långt innan elektricitet började bli det bästa bränslet för fordon, blev ledningarna som ansluter datorer, sensorer, ställdon och indikatorer som behövs för att driva ett fordons system mer och mer komplicerade för varje år. Efter motorn och ramen är en bils ledningar och elektronik dess tredje dyraste komponent, och det uppskattas att år 2030 kommer hela hälften av det genomsnittliga fordonets kostnad att vara låst i dess elsystem, upp från 30 % 2010.
Att se till att alla dessa signaler kommer dit de ska, och att göra det på ett säkert och tillförlitligt sätt, är uppgiften för ett fordons kablage, buntarna av kablar som till synes upptar alla möjliga områden i en modern bil. Utformningen och tillverkningen av kablar är en komplex process som förlitar sig på specialiserad programvara, en viss grad av automatisering och en överraskande mängd människokraft.
Fler kablar än någonsin
Idén till den här artikeln kom från en konversation jag hade med Elliot Williams och ett direkt omnämnande av en chatt han hade med en ingenjör som gör mjukvara för att designa bilkablar. Min första tanke var: "Finns det programvara för att göra det?" som snabbt följdes av "Självklart finns det mjukvara för att göra det!". De kablar som behövs för att köra ett modernt fordon är inte något som kan göras ad hoc - kablage är mycket konstruerade, både för att klara de krav som kommer att ställas på dem elektriskt och mekaniskt konstruerade för att inte bara passa i det tillgängliga utrymmet utan för att överleva påfrestningarna av kanske flera decennier av användning under utmanande miljöförhållanden.
” data-medium-file=”https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/07/AdobeStock_295077254.jpeg?w=400″ data-large-file=”https://hackaday.com/wp -content/uploads/2022/07/AdobeStock_295077254.jpeg?w=800″ loading=”lazy” class=” wp-image-545551″ src=”https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/ 07/AdobeStock_295077254.jpeg?w=800″ alt width=”386″ height=”257″ srcset=”https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/07/AdobeStock_295077254jpeg/6000 /hackaday.com/wp-content/uploads/2022/07/AdobeStock_295077254.jpeg?resize=250,167 250w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/07/AdobeStockresize295077254 , https://hackaday.com/wp-content/uploads/400,267/400/AdobeStock_2022.jpeg?resize=07 295077254w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/800,533/800/AdobeStock.2022jpeg_07? resize=295077254 1536,1024w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/1536/2022/AdobeStock_07.jpeg?resize=295077254 2048,1365w" sizes="(max-width: 2048pvx) >
Kabelnät måste också kunna tillverkas som separata komponenter. Tillverkning av bilar och lastbilar är i allt högre grad bara en slutmonteringsprocess, där arbetare lägger till delar tillverkade av kontraktstillverkare till ett fordons ram när det rullar längs linjen. Och faktiskt är ledningsnät bland de allra första komponenterna som läggs till det nya fordonet, vilket både är ett bevis på deras betydelse för den färdiga produkten och förklarar hur svårt det kan vara att komma åt några av dem om de behöver servas senare .
Utformningen av en ledningsnät börjar i stort sett som alla komplexa kretsdesigner börjar: med ett schema. I de flesta moderna fordon talar i stort sett allt till en eller flera av kanske dussintals elektroniska styrmoduler, utspridda runt fordonet för att styra allt från tändningstid och bränsleinsprutning till VVS-kontroller och infotainmentsystem. Ledningsnät måste utformas för varje ECM, för att tillhandahålla ström- och dataanslutningar till varje sensor och ställdon, med hänsyn till att dimensionera kabeln för belastningen, tillhandahålla lämpliga jordanslutningar och se till att rätt anslutningar används.
Interdimensionell design
Medan den initiala designprocessen för en kabelstam kan använda mer eller mindre vanliga EDA-verktyg, måste till slut den tvådimensionella schematiska representationen av kabelnätet översättas till fordonets tredimensionella struktur. För det jobbet används mer specialiserade EDA- och CAD-verktyg. En stor aktör i den här världen verkar vara CATIA av Dassault Systèmes, som har de verktyg som behövs för att inte bara skapa 2D-schemat utan för att översätta det till 3D-utrymmet i ett fordonschassi. Dessa verktyg gör det möjligt för designern att skapa buntar av ledningar, lägga till kontakter, definiera förgreningar från huvudbunten, ställa in vägarna över vilka varje bunt ska läggas och leta efter eventuella konflikter mellan selen och resten av fordonets struktur. . De tillåter också konstruktören att specificera hur kablarna ska buntas ihop - tejplindning kontra trådväv, till exempel - och var och hur selen ska fästas på fordonet.
Fysisk fasthållning av selen ger upphov till en annan viktig designfaktor: slack. Det är viktigt att bygga in rätt mängd slack i varje bunt och gren av ett kabelnät. För mycket slack är slöseri, både vad gäller kopparn som behövs för den extra tråden och vad gäller minskad bränsleeffektivitet tack vare extra vikt. För mycket slack kan också leda till fysiska skador på selen tack vare nötning på fordonets kaross eller ramdelar, eller genom att fastna i vägfaror eller till och med bli trampad på av passagerare. Otillräckligt slack är också ett problem - kablar som inte ger något kan sträcka sig och gå sönder när fordonsramen vrids och böjs, och kablar som är för snäva kan göra det svårt att lossa kontakter för reparationer. Harness EDA-verktyg kan beräkna rätt mängd slack för en bunt, och att placera neddrag och begränsningar på rätt plats för att se till att ledningarna böjer sig tillräckligt mycket, men inte för mycket.
När 3D-modellen av selen är klar måste designen översättas till något som kan tillverkas. Och eftersom de huvudsakliga tillverkningsmetoderna som används för kablar alla är beroende av användningen av spikbrädor - mer om vilket nedan - måste den noggranna 3D-designen plattas tillbaka till en 2D-ritning. CATIA har automatiserade verktyg för tillplattning, med slutresultatet en 2D-ritning som beskriver exakt var varje ledning i ett bunt kommer att gå, vilket stift i vilket kontaktdon den kommer att sluta i, och var och vilken typ av tillbehör, som hållarklämmor, genomföringar , buntband eller nötningsskyddshylsor kommer att läggas till. Utdata från tillplattningsprocessen representerar en komplett uppsättning arbetsinstruktioner som kan skickas till en kontraktstillverkare.
Att hålla sig i god form
Med så automatiserad som nästan all tillverkning har blivit, särskilt för motorfordon, där produktioner i hundratusentals inte är ovanliga, skulle man kunna tro att tillverkning av kablage måste vara helt automatiserad. När allt kommer omkring, hur kan en kontraktstillverkare förväntas hålla jämna steg med volymen av selar som behövs för en modern bilfabrik, särskilt med slanka metoder och just-in-time-produktion? Visst måste det finnas massiva CNC-maskiner som använder arbetsinstruktionerna för att spola ut ledningar och bunta ihop dem alla — eller hur?
Fel. Efter designfasen är nästan all tillverkning av kablage helt och hållet ett praktiskt företag. Som det visar sig är mänsklig skicklighet och öga-hand-koordination verkligen svåra att matcha med robotar. Kabelnätsanläggningar sysselsätter tusentals arbetare för att för hand montera nästan varje del av en kabelhärva. Ja, det finns verktyg som hjälper, men de flesta av dem används för att klippa, strippa, avsluta och linda upp tråd som så småningom kommer att användas av mänskliga arbetare för att bygga selen, en tråd i taget.
Det traditionella sättet att bygga ett vajernät är på en spikbräda. Kallas även formbräda eller selebräda, detta är i huvudsak en stor plan yta som är fästa en mängd olika fixturer för att tillfälligt hålla ledningar och kontakter. Fixturerna är utlagda för att representera selens tillplattade design och instruktioner tryckta på tavlan visar vilka ledningar som ska dras vart. Brädor bearbetas vanligtvis vertikalt och lutar sig bakåt i en liten vinkel för att hålla kablar från att falla av innan de är säkrade.
En arbetare tillverkar sällan en hel kablage. Istället slingras en kedja av identiska spikbrädor runt fabriksgolvet på en motordriven karusell, som sakta och ständigt rör sig från en arbetare till en annan. Varje arbetare lägger till en specifik uppsättning ledningar till den växande selen innan brädet går vidare till nästa arbetare med en annan uppsättning uppgifter. Förutom att placera kablar är vissa arbetare ansvariga för att säkra buntar med buntband, lägga till skyddshylsor eller linda in buntens delar i vävtejp.
Det är dessa finmotoriska färdigheter som gör full automatisering av tillverkningen av kabelnät till ett svårt förslag. Att trä ledningar genom en längd av plasttrådsvävstol är en trivial uppgift för de flesta människor, men det skulle vara svårt att bygga en robot att göra. Det är dock värt att notera att detta är sant främst för att det finns gott om människor som är villiga att utföra sådant arbete för relativt låga löner. Företag gillar yazaki, som för närvarande har cirka 30 % av den globala marknaden för tillverkning av kablage, sysselsätter hundratusentals människor runt om i världen, särskilt i utvecklingsområden. Ekonomiska krafter föredrar för närvarande en fortsättning av denna modell, men som vi har sett gång på gång vill alla så småningom kunna köpa de saker de gör åt andra, så tillgången på arbetare som är villiga att utföra den här typen av arbete för låga löner är begränsad. Då kanske det är vettigt att investera i full automatisering upp och ner i produktionskedjan för kablage.
