JP3898051B2 - 電線または電線束の屈曲寿命予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、導体線を絶縁層にて被覆してなる電線であって、自動車や産業機器およびそれらに装着される電気・電子機器の電気信号や電源からの電力を供給する電線またはそれらの電線束（ワイヤーハーネス）の屈曲による断線に至るまでの屈曲寿命を予測する方法に関する。

周知のように、自動車や産業機器には多くの電線が使用されている。電線または複数の電線を束ねた電線束（以下、電線および電線束を総称して「電線等」とする）には、例えば自動車のドア部やシート部のように屈曲を受ける位置に配置されているものもあり、このような電線等については、繰り返し曲げ変形を受けることによって断線に至ることがある。

このため電線等の屈曲性能を評価することは重要であり、従来より、曲がり具合等からある程度の屈曲寿命（電線等が屈曲によって断線に至るまでの屈曲の回数）を経験的に予想することは行われていた。また、特に屈曲性能が重視されるときには、製品条件が変更されるごとに実際に試験を行って、屈曲寿命を評価していた。

しかしながら、経験的に屈曲寿命の予想を行っていたのでは正確かつ客観的な評価を行うことはできず、また、製品条件が変更されるごとに実際に試験を行っていたのではワイヤーハーネスの設計に多大な費用と時間とを要することになる。

このため、理論的根拠に基づいた電線等の屈曲寿命を予測する方法の開発が望まれており、例えば特開平８−１６６３３３号公報に開示されているような技術が提案されている。かかる技術では、電線の導体部の最大歪み量に基づいて屈曲寿命の予測を行っている。しかし、導体部の最大歪み量が計算できるのはフラットワイヤーのような単線だけであって、一般的な電線（導体部を撚り合わせた電線）には適用することができない。

＜発明の目的＞
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電線等の製品条件によらずその屈曲寿命を正確に予測することができる電線または電線束の屈曲寿命予測方法を提供することを目的とする。

＜発明の構成および作用＞
この発明は、導体線を絶縁層にて被覆してなる電線の屈曲による断線に至るまでの屈曲寿命を予測する電線の屈曲寿命予測方法であって、電線（１）に繰り返し曲げを施して、予めその絶縁層表面の歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を得る工程と、予測対象となる電線（１）の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）を算出する工程と、算出された予測対象電線の前記絶縁層表面の歪み変化量（Δε）を前記相関関係に照合することによって該予測対象電線の屈曲寿命を予測する工程と、を備える。

あるいは、導体線を絶縁層にて被覆してなる電線を複数本束ねた電線束（２）の屈曲による断線に至るまでの屈曲寿命を予測する電線束の屈曲寿命予測方法であって、前記電線束（２）を構成する電線に繰り返し曲げを施して、予めその絶縁層表面の歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を得る工程と、予測対象となる電線束（２）の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）を算出する工程であって、前記導体線と前記絶縁層を断面積比率によって重み付け平均した１本の仮想的線部材を想定し、その仮想的線部材の表面の歪み変化量を、予測対象となる電線束（２）の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）として算出する工程と、算出された予測対象電線束の絶縁層表面の前記歪み変化量（Δε）を前記相関関係に照合することによって該予測対象電線束の屈曲寿命を予測する工程と、を備える。

望ましくは、前記相関関係を得る工程は、複数の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）について前記電線を繰り返し曲げを施して、断線に至るまでの屈曲回数を実際に測定することにより前記相関関係を求める。

また望ましくは、前記相関関係を得る工程は、温度毎に前記測定を実施することにより前記相関関係を求める。

ここで、前記電線（１）の屈曲寿命を予測する場合、予測対象となる前記電線の前記絶縁層の歪み変化量（Δε）を算出する工程において、前記電線（１）の半径をｒとし、前記電線（１）の屈曲を受ける領域内で最も大きく屈曲変化する位置において最も屈曲した状態の前記電線（１）の曲げ半径をＲ₁とし、最も伸長した状態の前記電線（１）の曲げ半径をＲ₂として、次式により前記絶縁層表面の歪み変化量（Δε）を算出する。

Δε＝ｒ・（１／Ｒ₁−１／Ｒ₂）

これによって、電線に繰り返し曲げを施して、予めその歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を得た上で、予測対象となる電線の絶縁層表面の歪み変化量を算出し、その算出された予測対象電線の絶縁層表面の歪み変化量を上記相関関係に照合することによって予測対象電線の屈曲寿命を予測しているため、電線の製品条件によらずその屈曲寿命を正確に予測することができる。

あるいは、電線束（２）の屈曲寿命を予測する場合、前記相関関係を得る工程は、１本の電線について、複数の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）について前記電線を繰り返し曲げを施して、断線に至るまでの屈曲回数を実際に測定することにより前記相関関係を求め、予測対象となる前記電線束（２）の絶縁層表面の前記歪み変化量（Δε）を算出する工程において、前記導体線と前記絶縁層を断面積比率によって重み付け平均した１本の仮想的線部材を想定し、当該仮想的線部材を１本の前記電線として、前記仮想的線部材の半径をｒとし、前記仮想的線部材の屈曲を受ける領域内で最も大きく屈曲変化する位置において最も屈曲した状態の前記仮想的線部材の曲げ半径をＲ₁とし、最も伸長した状態の前記仮想的線部材の曲げ半径をＲ₂として、次式により前記仮想的線部材の表面の歪み変化量を算出し、これを予測対象となる電線束（２）の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）として算出する。

Δε＝ｒ・（１／Ｒ₁−１／Ｒ₂）

これによって、電線束を構成する１本の電線に繰り返し曲げを施して、予めその絶縁層表面の歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を得た上で、予測対象となる電線束の歪み変化量を算出し、その算出された予測対象電線束の歪み変化量を上記相関関係に照合することによって予測対象電線束の屈曲寿命を予測しているため、電線束の製品条件によらずその屈曲寿命を正確に予測することができる。

この発明の他の目的および特徴は、以下の説明の中で明らかにされる。

＜第１実施例＞
まず、本発明の基本的な考え方について説明する。本発明者等は、電線等の屈曲寿命を支配する因子について鋭意検討を行った。その結果、特に低温下においては、絶縁層の疲労破壊によりクラックが生じると、そのクラックが生じた部分の導体部に局部的な応力がかかりやすくなることから、電線等の断線は導体部を被覆する絶縁層の疲労破壊に主として支配されるものであり、絶縁層の疲労破壊はその表面歪みの変化量と強い相関を有することを究明した。すなわち、電線等の屈曲寿命と曲げ変化時の絶縁層表面の歪み変化量との間に強い相関関係が存在するという知見を得たのである。ただし、電線が実際に自動車のドア部やシート部等に設置される場合には、Ｓ字形やＵ字形等の様々な形状で設置される。そして、その形状によって、電線１への応力のかかり方も変化する。しかしながら、電線１が様々な形状で設置されるにも拘わらず、電線等の屈曲寿命と歪み変化量との間の相関関係は電線等の形状には依存せず、幅広い屈曲形状において一定であるとの知見も得た。

従って、電線の屈曲寿命と歪み変化量との間の相関関係を予め実験的に求めておけば、様々な製品条件下の電線等についてその歪み変化量を解析するだけで電線等の屈曲寿命を予測することができることとなる。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものであり、以下その具体的な屈曲寿命予測方法について説明する。

第１図は、本発明にかかる電線等の屈曲寿命予測方法の手順を示すフローチャートである。まず、電線の屈曲寿命と歪み変化量との相関関係を示すマスターカーブを予め取得する（ステップＳ１）。マスターカーブは、単品の電線に繰り返し曲げを施して、その歪み変化量を例えばＣＡＥ解析等によって解析し、様々な歪み変化量について、屈曲寿命を実際に測定することによって取得される。

第２図は、電線の歪み変化量について説明するための図である。導体線を絶縁層にて被覆してなる電線１の半径をｒとする。電線１は曲げ変形を受けており、その曲げ半径をＲとすると、曲率ＫはＫ＝１／Ｒで表される。このときに電線１の絶縁層の表面に生じている歪みεは次の｛１｝式のように表される。

ε＝２π（Ｒ＋ｒ）／２πＲ−１
＝（Ｒ＋ｒ）／Ｒ−１ …｛１｝

ここで、ドア部やシート部等の屈曲を受ける位置に配置される電線１において、その屈曲を受ける位置で最も屈曲した状態の電線１の曲げ半径をＲ₁とし、最も伸長した状態の電線１の曲げ半径をＲ₂として、この最も屈曲した状態と最も伸長した状態との間で電線１に繰り返し曲げを施したときの絶縁層表面の歪み変化量をΔεとすると、Δεは次の｛２｝式にて表される。

Δε＝（Ｒ₁＋ｒ）／Ｒ₁−（Ｒ₂＋ｒ）／Ｒ₂
＝ｒ・（１／Ｒ₁−１／Ｒ₂）
＝ｒ・ΔＫ …｛２｝

なお、｛２｝式においてΔＫは電線１に繰り返し曲げを施したときの曲率の変化量であり、繰り返し曲げ時の電線１の形状変化からコンピュータを用いた解析（いわゆるＣＡＥ解析(computer-aided engineering)）によって算出することができる。その算出されたΔＫを、電線１の各部位についてリストアップし、最も値の大きいΔＫを採用して、｛２｝式から絶縁層表面の歪み変化量Δεを求めることができる。

一方、屈曲寿命については、電線１に繰り返し曲げを施して、断線に至るまでの屈曲回数を実際に測定することによって求める。上述の如く、低温下における電線等の断線は導体部を被覆する絶縁層の疲労破壊に主として支配されているものであり、屈曲寿命には温度依存性がある。従って、屈曲寿命の測定については必要な温度ごとに行うこととなる。

第３図は、得られたマスターカーブの一例を示す図である。同図の横軸は絶縁層表面の歪み変化量を示し、縦軸は屈曲寿命を示している。第３図に示すように、温度が低下するほど屈曲性能が低下、すなわち同じ歪み変化量における屈曲寿命が短くなっている。

第１図に戻り、マスターカーブを取得した後、ステップＳ２に進み、屈曲寿命を予測する対象としている電線等の歪み変化量を算出する。予測対象としている電線等の歪み変化量は、基本的には第２図について説明したのと同様の考え方によって求められる。具体的には、予測対象としている電線等の歪み変化量は、コンピュータを用いた形状シミュレーションによって算出され、その電線等の取り付け状態、取り付け形状および取り付け後に受ける曲げ変形の態様等に基づいてＣＡＥ解析により算出する。なお、ここで算出する歪み変化量は、マスターカーブを取得したときと同様に、導体部を被覆する絶縁層の表面の歪み変化量である。

次に、算出された予測対象となる電線等の歪み変化量を上記のマスターカーブ（第３図）に照合することによってその電線等の屈曲寿命を予測する（ステップＳ３）。既述したように、電線等の屈曲寿命と歪み変化量との間の相関関係自体は電線等の形状に依存しない。従って、電線等の歪み変化量を算出することができれば、電線等の製品条件（例えば、単品の電線であるか複数の電線からなる電線束であるか、フラットワイヤーであるか導体部を撚り合わせた電線であるか、取り付け状態や取り付け形状等）によらず、その屈曲寿命を正確に予測することができるのである。なお、このことは本発明にかかる電線等の屈曲寿命予測方法が電線等の製品条件を全く考慮していないことを意味しているのではなく、予測対象としている電線等の歪み変化量を算出する段階においてそれを考慮している。

このようにすれば、電線等の製品条件によらず、その屈曲寿命を正確に予測することができるため、ワイヤーハーネスの設計等にその予測結果を反映することによって事前に机上検討が可能となり、最適設計、開発期間の短縮を図ることができる。また、屈曲寿命測定のために実際に行う試験を削減することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、これを具体的に実施した実施例について以下に説明する。上記した｛２｝式及び第３図は、１本の導体部の周囲を絶縁層で被覆した電線１について適応したものであるが、このことをさらに応用し、ここでは、一例として、自動車のドア部分に適用される電線束の構造を有したワイヤーハーネスの屈曲寿命を予測する場合について説明する。

第４図は、自動車のドア部分に使用されているワイヤーハーネスを示す図である。このワイヤーハーネス２は、ドア内部の電気機器と自動車のボディとを電気的に接続する配線として用いられるものである。従って、ワイヤーハーネス２には、ドア内に配設される領域Ａと、ボディ内に配設される領域Ｃと、ドアとボディとの間に配設される領域Ｂとが存在する。これらのうちワイヤーハーネス２の領域Ｂについては、ドア開閉時に繰り返しの曲げ変形を受けるとともに外気に曝される領域であるためグロメット３が設けられている。そして、ワイヤーハーネス２の領域Ｂが繰り返しの曲げ変形によって断線に至る可能性のある領域であり、屈曲寿命を予測する対象となる。

ワイヤーハーネス２の屈曲寿命を予測するときには、ワイヤーハーネス２の領域Ｂについて歪み変化量を算出する。ワイヤーハーネス２の領域Ｂの歪み変化量は、ドアおよびボディへのワイヤーハーネス２の取り付け状態やその形状、ドア開閉時にワイヤーハーネス２が受ける曲げ変形の態様、およびグロメット３の位置や長さ等に基づいてＣＡＥ解析により算出する。ここで、ワイヤーハーネス２は、上述の通り、複数の電線を束ねた電線束であり、ある程度の太さを有するため、第５図に示すようにその表面の４カ所を設定し、それぞれの部分２ａについてＣＡＥ解析を行う。また、このＣＡＥ解析においては、例えば、導体部の金属材料と、被覆層の絶縁材料の曲げ弾性係数を、その断面積比率によって重み付け平均し、導体部の金属材料と被覆層の絶縁材料とを平均化した仮想的な材料を想定する。そして、かかる仮想的な材料を１本の線部材（以下「仮想的線部材」と称す）として、その仮想的線部材の半径ｒ及びその曲げ半径Ｒ（第２図）を想定し、｛２｝式に示したＲ₁（最も屈曲した状態の仮想的線部材の曲げ半径）及びＲ₂（最も伸長した状態の仮想的線部材の曲げ半径）を考慮して、ワイヤーハーネス２の歪み変化量（｛２｝式中のΔε）を算出する。この際、ＣＡＥ解析によって、様々な歪み変化量がリストアップされるが、最も大きな値を示した歪み変化量を採用する。

次に、ＣＡＥ解析によって算出されて採用されたワイヤーハーネス２の歪み変化量をマスターカーブに照合させる。マスターカーブは、ワイヤーハーネス２を構成する電線単品について予めその屈曲寿命と歪み変化量との相関関係を示すものとして取得しておく。ここでは、第３図と同様のマスターカーブが得られているものとする。

第６図は、ワイヤーハーネス２についてのマスターカーブへの照合結果を示す図である。このマスターカーブは、ワイヤーハーネス２を構成する電線単品について、−３０℃雰囲気における屈曲寿命と歪み変化量との相関関係を示すものである（第３図中の−３０℃のマスターカーブと同じ）。そして、図中の黒点はワイヤーハーネス２の屈曲寿命について実測した結果である。第６図に示すように、マスターカーブに照合して得られた結果と、実測結果とは良く整合しており、本発明にかかる方法によって電線等の屈曲寿命を正確に予測することができるのが確認された。

なお、本実施例では、複数の電線を束ねた電線束であるワイヤーハーネス２について実施していたが、単品の電線についてもマスターカーブと良好に整合し、その屈曲寿命を正確に予測することができることはいうまでもない。

以上この発明の各実施例について説明したが、この発明の範囲は上記実施例に限られるものではなく、添付された請求の範囲によって規定される。

第１図は、本発明にかかる電線等の屈曲寿命予測方法の手順を示すフローチャートである。 第２図は、電線の歪み変化量について説明するための図である。 第３図は、得られたマスターカーブの一例を示す図である。 第４図は、自動車のドア部分に使用されているワイヤーハーネスを示す図である。 第５図は、第４図のワイヤーハーネスの歪み変化量を解析するときの分割の様子を示す図である。 第６図は、第４図のワイヤーハーネスについてのマスターカーブへの照合結果を示す図である。

Claims (6)

1. 導体線を絶縁層にて被覆してなる電線の屈曲による断線に至るまでの屈曲寿命を予測する電線の屈曲寿命予測方法であって、
   電線（１）に繰り返し曲げを施して、予めその絶縁層表面の歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を得る工程と、
   予測対象となる電線（１）の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）を算出する工程と、
   算出された予測対象電線の前記絶縁層表面の歪み変化量（Δε）を前記相関関係に照合することによって該予測対象電線の屈曲寿命を予測する工程と、
   を備えることを特徴とする電線の屈曲寿命予測方法。
2. 請求項１記載の屈曲寿命予測方法であって、
   前記相関関係を得る工程は、複数の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）について前記電線（１）を繰り返し曲げを施して、断線に至るまでの屈曲回数を実際に測定することにより前記相関関係を求めることを特徴とする電線の屈曲寿命予測方法。
3. 請求項１記載の屈曲寿命予測方法であって、
   前記相関関係を得る工程は、温度毎に前記測定を実施することにより前記相関関係を求めることを特徴とする電線の屈曲寿命予測方法。
4. 請求項１記載の屈曲寿命予測方法であって、
   予測対象となる前記電線（１）の前記絶縁層表面の歪み変化量（Δε）を算出する工程において、前記電線（１）の半径をｒとし、前記電線（１）の屈曲を受ける領域内で最も大きく屈曲変化する位置において最も屈曲した状態の前記電線（１）の曲げ半径をＲ₁とし、最も伸長した状態の前記電線（１）の曲げ半径をＲ₂として、次式により前記絶縁層表面の歪み変化量（Δε）を算出することを特徴とする電線束の屈曲寿命予測方法。
   Δε＝ｒ・（１／Ｒ₁−１／Ｒ₂）
5. 導体線を絶縁層にて被覆してなる電線を複数本束ねた電線束（２）の屈曲による断線に至るまでの屈曲寿命を予測する電線束の屈曲寿命予測方法であって、
   前記電線束（２）を構成する電線に繰り返し曲げを施して、予めその絶縁層表面の歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を得る工程と、
   予測対象となる電線束（２）の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）を算出する工程であって、前記導体線と前記絶縁層を断面積比率によって重み付け平均した１本の仮想的線部材を想定し、その仮想的線部材の表面の歪み変化量を、予測対象となる電線束（２）の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）として算出する工程と、
   算出された予測対象電線束の絶縁層表面の前記歪み変化量（Δε）を前記相関関係に照合することによって該予測対象電線束の屈曲寿命を予測する工程と、
   を備えることを特徴とする電線束の屈曲寿命予測方法。
6. 請求項５記載の屈曲寿命予測方法であって、
   前記相関関係を得る工程は、１本の電線について、複数の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）について前記電線を繰り返し曲げを施して、断線に至るまでの屈曲回数を実際に測定することにより前記相関関係を求め、
   予測対象となる前記電線束（２）の絶縁層表面の前記歪み変化量（Δε）を算出する工程において、前記導体線と前記絶縁層を断面積比率によって重み付け平均した１本の仮想的線部材を想定し、当該仮想的線部材を１本の前記電線として、前記仮想的線部材の半径をｒとし、前記仮想的線部材の屈曲を受ける領域内で最も大きく屈曲変化する位置において最も屈曲した状態の前記仮想的線部材の曲げ半径をＲ₁とし、最も伸長した状態の前記仮想的線部材の曲げ半径をＲ₂として、次式により前記仮想的線部材の表面の歪み変化量を算出し、これを予測対象となる電線束（２）の絶縁層表面の歪み変化量（Δε）として算出することを特徴とする電線束の屈曲寿命予測方法。
   Δε＝ｒ・（１／Ｒ₁−１／Ｒ₂）

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