隨著汽車排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，為達(dá)到歐Ⅲ、歐Ⅳ、歐Ⅴ的排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)需要采用電控噴射或后處理技術(shù)等先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，圖1為復(fù)雜的先進(jìn)排放的柴油機(jī)電控系統(tǒng)的構(gòu)成圖，圖2為國(guó)外某款新型柴油機(jī)外形圖，低排放的柴油機(jī)通過線束將先進(jìn)的傳感器、智能執(zhí)行器與ECU之間連接起來。作為柴油機(jī)電控系統(tǒng)中傳輸電流與電信號(hào)的重要元器件，柴油機(jī)線束的設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率將影響整個(gè)柴油機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與柴油機(jī)控制的可靠及信號(hào)的完整性。

　　筆者所在企業(yè)從很早之前就采用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行柴油機(jī)整機(jī)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，同時(shí)運(yùn)用PTC公司的Windchill系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)各種機(jī)型的管理，采用自頂向下和并行工程等先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)具有先進(jìn)水平的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的四氣門商用柴油機(jī)—CA6DL“奧威”柴油機(jī)，使我國(guó)汽車工業(yè)與國(guó)外先進(jìn)水平的差距一下縮短了20年。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，采用三維開發(fā)技術(shù)使得工程技術(shù)人員徹底甩開了圖板的束縛，構(gòu)建的數(shù)字虛擬模型很好地滿足了機(jī)械零部件的開發(fā)與應(yīng)用，而且構(gòu)建的柴油機(jī)數(shù)字三維模型可以進(jìn)行虛擬的裝配與運(yùn)動(dòng)仿真等消除干涉，避免了柴油機(jī)制造與裝配過程中的反復(fù)修改再設(shè)計(jì)，極大地縮短了開發(fā)周期，而且從設(shè)計(jì)的源頭降低了成本。

　　一、3D布線軟件應(yīng)用與現(xiàn)狀

　　柴油機(jī)線束包括了導(dǎo)線、接插件和線束外部材料(膠帶、波紋管、三通和護(hù)套等)。圖3為柴油機(jī)線束的外形圖，復(fù)雜的材料構(gòu)成以及線纜的柔性結(jié)構(gòu)為柴油機(jī)線束設(shè)計(jì)與裝配規(guī)劃提升了構(gòu)建數(shù)字模型的復(fù)雜度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者與工程師從20世紀(jì)80年代開始，開始利用CAD技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)線纜束數(shù)字化設(shè)計(jì)和規(guī)劃進(jìn)行研究。1992年，Caudell等提出了將虛擬環(huán)境與線纜布線相結(jié)合的思想，但礙于技術(shù)條件并沒有實(shí)現(xiàn)。Loock等在前人工作的基礎(chǔ)上提出了線纜彈簧模型，并對(duì)不同剛度的線纜在承受重力的狀態(tài)下進(jìn)行仿真模擬，取得了較好的效果。Hergenrother等從動(dòng)力學(xué)的角度，開發(fā)了一個(gè)虛擬環(huán)境下的實(shí)時(shí)線纜裝配布線系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過頭盔顯示器以及三維鼠標(biāo)等設(shè)備與系統(tǒng)交互，并對(duì)虛擬環(huán)境下進(jìn)行線纜布線的效率進(jìn)行了檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了線纜靜態(tài)干涉檢測(cè)，但只能驗(yàn)證線纜布局設(shè)計(jì)的可行性，并沒有對(duì)虛擬環(huán)境下的線纜布線規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行更深一步的研究，這些研究距離實(shí)際應(yīng)用仍有較大差距。

　　3D數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，使得線束的設(shè)計(jì)也進(jìn)入了數(shù)字化的階段。3D線束設(shè)計(jì)軟件很多，但由于我廠已經(jīng)在機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)采用了PTC公司的Pro/ENGINEER Wildfire3.0，所以在柴油機(jī)電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件時(shí)采用Pro/ENGINEER的Cabling模塊。作為大型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工程軟件，Pro/ENGINEER軟件在汽車柴油機(jī)、工業(yè)裝備、IT設(shè)備和家用電器等行業(yè)應(yīng)用廣泛。

　　Pro/ENGINEER軟件的線束設(shè)計(jì)模塊具有強(qiáng)大的線束設(shè)計(jì)功能，而且Pro/ENGINEER軟件的3D設(shè)計(jì)環(huán)境和2D線束工程圖生成環(huán)境是互相關(guān)聯(lián)的，在任何一個(gè)環(huán)境中所作的改變，都會(huì)體現(xiàn)在另一個(gè)環(huán)境中，這減少了更改機(jī)械及電訊設(shè)計(jì)時(shí)出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。Cabling可以從電原理圖和ASCⅡ文本文件中獲取電訊的接線信息，實(shí)現(xiàn)了與電訊數(shù)據(jù)的融合，圖4為Pro/ENGINEER軟件的線束設(shè)計(jì)工作流程圖，從邏輯圖中提取邏輯信息的能力極大地推動(dòng)了線束數(shù)字化設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。

　　二、柴油機(jī)線束數(shù)字化設(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)歐Ⅲ柴油機(jī)時(shí)，由于研發(fā)時(shí)間緊以及對(duì)Pro/ENGINEER Cabling的運(yùn)用還正在初始階段，所以一開始主要根據(jù)三維管道來確定柴油機(jī)線束的長(zhǎng)度，是否與柴油機(jī)其他零部件干涉等。雖然這樣能夠模擬出線束的走向，也可以為線束的二維設(shè)計(jì)提供幫助，但是柴油機(jī)機(jī)械三維與電氣線束三維不能很好地結(jié)合，也不能實(shí)際真實(shí)反映線束的連接情況，更為重要的是，線束的設(shè)計(jì)過程中無法根據(jù)三維線束模型生成柴油機(jī)線束的二維圖樣，線束模型的更改無法在原來獨(dú)立的CAD二維圖樣中進(jìn)行相應(yīng)更改，給開發(fā)歐Ⅲ甚至是歐Ⅳ、歐Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了不便。

　　柴油機(jī)線束數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)包括自動(dòng)布線和手工布線，圖5為自動(dòng)布線與手動(dòng)布線的示意圖，手動(dòng)布線無需設(shè)計(jì)Pro/Diagram原理邏輯圖，在布線時(shí)注意線束與傳感器之間的邏輯關(guān)系與名稱即可，這樣可以避免每次設(shè)置接插件的屬性，以和Pro/ENGINEER中的接插件對(duì)應(yīng)。

　　自動(dòng)布線需要根據(jù)Pro/Diagram設(shè)計(jì)好的邏輯關(guān)系圖，運(yùn)用Pro/Diagram畫原理接線圖，設(shè)計(jì)清晰的線束和接插件的邏輯關(guān)系。這樣雖然前期設(shè)計(jì)工作比較費(fèi)時(shí)，但是完整精確的邏輯關(guān)系圖可以極大地糾正線束連接出現(xiàn)錯(cuò)誤。而且在Pro/Diagram定義好的接插件的模型名屬性與Pro/ENGINEER環(huán)境中的模型名一一對(duì)應(yīng)之后，系統(tǒng)將根據(jù)其邏輯關(guān)系自動(dòng)布線，同時(shí)通過自動(dòng)布線創(chuàng)建的Network來規(guī)定線纜的共同路徑。NetWork功能類似于線束的公共路徑，系統(tǒng)在自動(dòng)布線時(shí)會(huì)自動(dòng)沿著這個(gè)路徑，以最短的距離將相應(yīng)的元器件連接起來。

　　如果自動(dòng)的路徑不能滿足要求，也可以人工制定。NetWork的一系列位置為自動(dòng)布線的電纜定義缺省路徑，使用“網(wǎng)絡(luò)操作”(Network Ops)→“布線”(Route) 命令來添加位置，如同敷設(shè)電纜時(shí)一樣，其區(qū)別在于沒有與正在定義的路徑相連的電纜，而是用一條虛線表示路徑，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)與活動(dòng)線束中的電纜相關(guān)聯(lián)。對(duì)于指定到組件中其他線束的電纜，直到將它們所在的線束激活后，才開始進(jìn)行布線。

　　Pro/Cabling設(shè)計(jì)過程中先定義NetWork路徑，然后再進(jìn)行線束布線，可以快速而準(zhǔn)確地進(jìn)行柴油機(jī)線束的三維幾何布線，使得其后期的布線更加方便。手動(dòng)布線與自動(dòng)布線各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)柴油機(jī)線束數(shù)字化設(shè)計(jì)的具體情況選擇布線方式。

　　圖6是我廠某款歐Ⅳ柴油機(jī)采用自動(dòng)布線電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)流程圖，利用Pro/ENGINEER軟件的Pro/Diargram與Cabling模塊進(jìn)行柴油機(jī)線束的數(shù)字化設(shè)計(jì)，將柴油機(jī)線束設(shè)計(jì)和繪制與現(xiàn)有的3D機(jī)械設(shè)計(jì)軟件完美地融合到一起，使得設(shè)計(jì)過程非常流暢，同時(shí)縮短了柴油機(jī)電氣設(shè)計(jì)的研發(fā)周期，降低了整個(gè)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)成本。

　　通過Pro/ENGINEER軟件的電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)與交互式設(shè)計(jì)，為柴油機(jī)線束的設(shè)計(jì)、制造提供了一個(gè)強(qiáng)有力的開發(fā)平臺(tái)，解決了柴油機(jī)電氣設(shè)計(jì)的快速布置線束的敷設(shè)問題，同時(shí)構(gòu)建了合理的三維線束模型，而且直接可以生成工程圖樣，提高柴油機(jī)線束的設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。經(jīng)過歐Ⅳ柴油機(jī)項(xiàng)目的順利開發(fā)，柴油機(jī)電氣的數(shù)字化設(shè)計(jì)極大地提高了柴油機(jī)集成開發(fā)的質(zhì)量與效率，保證了歐Ⅳ柴油機(jī)的復(fù)雜集成的電控系統(tǒng)的有效連接與精確控制。

　　三、結(jié)束語

　　在歐Ⅳ柴油機(jī)開發(fā)過程中，柴油機(jī)電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)成功開發(fā)與應(yīng)用的結(jié)果說明了以下幾點(diǎn)。

　　(1)柴油機(jī)電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)對(duì)于歐Ⅳ柴油機(jī)電控系統(tǒng)的開發(fā)，極大地提高了開發(fā)效率與質(zhì)量，降低了設(shè)計(jì)成本，由于Pro/ENGINEER電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛用在了我廠其他歐Ⅳ和歐Ⅴ的柴油機(jī)的開發(fā)過程中。

　　(2)將電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)與機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)結(jié)合在同一環(huán)境下開發(fā)歐Ⅳ柴油機(jī)，避免了數(shù)字模型不同格式轉(zhuǎn)化的繁瑣過程，進(jìn)一步提升了柴油機(jī)數(shù)字化開發(fā)質(zhì)量。

　　(3)柴油機(jī)電控系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)，完整一致的模型構(gòu)成也為以后進(jìn)行各種計(jì)算機(jī)輔助分析與二次開發(fā)提供了一個(gè)有效的平臺(tái)。