自動車用ワイヤーハーネスを構築する驚くべき手作業のプロセス

自動車時代のごく初期の頃から、乗用車とトラックは機械設計と電気設計のハイブリッドでした。 シリンダー内でピストンが上下にスライドするたびに、エンジンを作動させるために適切なタイミングで点火する必要がある点火プラグがあり、ブレーキ ペダルを踏むと同時にブレーキ ライトが点灯するようにする必要があります。油圧によってホイールローターがブレーキパッドの間に挟まれます。

電気接続がなければ、実用的な自動車を作ることは事実上不可能です。 電気が車両の燃料として選ばれるようになるずっと前から、車両システムの実行に必要なコンピューター、センサー、アクチュエーター、インジケーターを接続する配線は年々複雑になってきました。 自動車の配線と電子機器は、エンジンとフレームに次いで 3 番目に高価なコンポーネントであり、2010 年の 30% から 2030 年までには平均的な自動車コストの完全に半分が電気システムに固定されると推定されています。

これらすべての信号が確実に目的地に到達し、安全かつ信頼性の高い方法でそれを行うのが、現代の自動車のありとあらゆる領域を占有しているように見えるワイヤーの束である車両のワイヤー ハーネスの仕事です。 ワイヤー ハーネスの設計と製造は、特殊なソフトウェア、ある程度の自動化、そして驚くほどの人力に依存する複雑なプロセスです。

この記事のアイデアは、エリオット ウィリアムズとの会話、および自動車のワイヤー ハーネスを設計するソフトウェアを作成するエンジニアとの雑談の何気ない言及から生まれました。 最初に思ったのは、「そんなことをするソフトウェアがあるのか​​？」ということでした。 これにはすぐに「もちろん、それを行うためのソフトウェアがあります!」が続きました。 現代の車両を動かすために必要な配線は、その場限りでできるものではありません。ワイヤー ハーネスは、電気的に課せられる要求に対処するために高度に設計されており、利用可能なスペースに収まるだけでなく、機械的にも設計されています。困難な環境条件下でおそらく数十年間使用された過酷な環境にも耐えられます。

ワイヤー ハーネスも別個のコンポーネントとして製造可能である必要があります。 自動車やトラックの製造は、最終組立プロセスのみとなりつつあり、そこでは契約製造業者が製造した部品を車両のフレームに追加してラインに送り出す作業が行われます。 実際、ワイヤー ハーネスは、誕生したばかりの車両に追加される最初のコンポーネントの 1 つであり、これは完成品に対するワイヤー ハーネスの重要性の証拠であると同時に、後で整備が必要になった場合に一部のワイヤー ハーネスにアクセスすることがいかに難しいかを説明しています。 。

ワイヤー ハーネスの設計は、複雑な回路設計とほぼ同じように、回路図から始まります。 最新の車両では、点火タイミングや燃料噴射から HVAC 制御やインフォテインメント システムの設定に至るまで、ほぼすべてのものが車両の周囲に点在するおそらく数十個の電子制御モジュールのうちの 1 つまたは複数と通信し、あらゆるものを制御します。 ワイヤー ハーネスは、負荷に合わせたワイヤーのサイズ設定、適切なアース接続の提供、適切なコネクタの使用の確認を考慮して、各センサーとアクチュエーターに電力とデータの接続を提供するために、ECM ごとに設計する必要があります。

ワイヤー ハーネスの初期設計プロセスでは多かれ少なかれ標準的な EDA ツールを使用できますが、最終的にはハーネスの 2 次元の概略図を車両の 3 次元構造に変換する必要があります。 この作業には、より専門化された EDA ツールと CAD ツールが使用されます。 この世界の主要なプレーヤーは、ダッソー・システムズの CATIA のようです。これには、2D 回路図を作成するだけでなく、それを車両シャーシの 3D 空間に変換するために必要なツールがあります。 これらのツールを使用すると、設計者はワイヤの束を作成し、コネクタを追加し、メインの束から分岐を定義し、各束が敷設されるパスを設定し、ハーネスと車両の残りの構造の間の競合を探すことができます。 。 また、設計者は、ワイヤーをどのように束ねるか (テープラップとワイヤー織機など)、ハーネスを車両のどこにどのように取り付けるかを指定することもできます。

ハーネスを物理的に拘束すると、たるみという別の重要な設計上の考慮事項が生じます。 ワイヤー ハーネスの各束と枝に適切な量のたるみを持たせることが重要です。 たるみが多すぎると、余分なワイヤに必要な銅の点でも、余分な重量による燃料効率の低下の点でも無駄です。 過度のたるみは、車体やフレーム部材の磨耗、道路の危険物に引っ掛かったり、乗員に踏まれたりすることによって、ハーネスに物理的な損傷を引き起こす可能性もあります。 たるみが不十分であることも問題です。ある程度の余裕がないワイヤーは、車両のフレームがねじれたり曲がったりするときに伸びて破損する可能性があります。また、ワイヤーがきつすぎると、修理のためにコネクターを外すのが困難になる可能性があります。 ハーネス EDA ツールは、束の適切な緩み量を計算し、適切な場所にホールドダウンと拘束を配置して、ワイヤが適度に曲がりすぎないようにすることができます。

ハーネスの 3D モデルが完成したら、そのデザインを製造可能なものに変換する必要があります。 また、ワイヤー ハーネスに使用される主な製造方法はすべてネイル ボードの使用に依存しているため (詳しくは後述します)、骨の折れる 3D 設計を 2D 図面に平坦化する必要があります。 CATIA には平坦化のための自動ツールがあり、最終的には、束内の各ワイヤがどこに行くのか、どのコネクタのどのピンで終端するのか、保持クリップやグロメットなどの付属品の場所と種類を正確に詳細に示す 2D 図面が作成されます。 、ケーブルタイ、または摩耗保護スリーブが追加されます。 平坦化プロセスからの出力は、委託製造業者に送信できる作業指示の完全なセットを表します。

ほぼすべての製造が自動化されており、特に自動車では数十万単位の生産が珍しくないため、ワイヤー ハーネスの製造は完全に自動化されなければならないと考えるかもしれません。 結局のところ、受託製造業者は、特に無駄のない方法論とジャストインタイム生産の場合、現代の自動車工場で必要とされるハーネスの量にどうやって対応すると期待できるでしょうか? 確かに、作業指示書を使用してワイヤを巻き取り、すべてを束ねる巨大な CNC マシンがあるに違いありません。

間違っている。 設計段階の後は、ほぼすべてのワイヤー ハーネス製造は厳密に実践的な企業になります。 結局のところ、人間の器用さや目と手の協調性をロボットに合わせるのは非常に難しいのです。 ワイヤー ハーネス工場では、何千人もの労働者がワイヤー ハーネスのほぼすべての部品を手作業で組み立てています。 はい、役立つツールはありますが、そのほとんどはワイヤを切断、剥ぎ取り、終端処理し、巻き取るために使用され、最終的には人間の作業者が一度に 1 本ずつハーネスを構築するために使用されます。

ワイヤー ハーネスを構築する伝統的な方法は、ネイルボード上にあります。 フォーム ボードまたはハーネス ボードとも呼ばれるこれは、本質的にはワイヤやコネクタを一時的に保持するためのさまざまな固定具が取り付けられる大きな平らな面です。 固定具はハーネスの平らなデザインを表すようにレイアウトされており、基板に印刷された指示にはどのワイヤをどこに配線するかが示されています。 通常、ボードは垂直に作業され、ワイヤーが固定される前に脱落しないようにわずかな角度で後ろにもたれかかります。

1 人の作業者がワイヤー ハーネス全体を製造することはほとんどありません。 代わりに、同一のネイルボードのチェーンが動力付きメリーゴーランドに乗って工場の床に巻き付けられ、ゆっくりと絶えずある労働者から次の労働者へと移動します。 各ワーカーは、ボードが異なるタスクのセットを持つ次のワーカーに移動する前に、成長するハーネスに特定のワイヤのセットを追加します。 一部の作業者は、ワイヤを配置することに加えて、ケーブルタイで束を固定したり、保護スリーブを追加したり、束の一部を織機テープで巻いたりする責任を負います。

こうした細かい運動能力が、ワイヤー ハーネス製造の完全自動化を困難な課題にしているのです。 プラスチック製のワイヤー織機にワイヤーを通すことは、ほとんどの人間にとっては簡単な作業ですが、それを実行できるロボットを構築するのは困難です。 しかし、これが当てはまるのは主に、比較的低賃金でそのような仕事を喜んで行う人々がたくさんいるためであるということは注目に値します。 矢崎総業のような企業は現在、ワイヤーハーネス生産の世界市場の約30％を占めており、世界中で、特に発展途上地域で数十万人の従業員を雇用している。 現在、経済力はこのモデルの継続を支持していますが、これまで何度も見てきたように、最終的には誰もが自分が作ったものを他の人のために購入できるようにしたいと考えているため、この種の仕事を喜んで行う労働者の供給は減少しています。低賃金では限界がある。 おそらく、ワイヤーハーネス生産チェーン全体の完全自動化に投資することが合理的になるでしょう。