Diseño de mazos de cables para aeronaves 101

Nov 15, 2023

Entonces, eres un nuevo ingeniero recién salido de la universidad. Ha sido contratado en un gran OEM para diseñar arneses de cables y conjuntos de cajas de cableado. Al no tener la formación adecuada en la universidad, te preguntas: "¿Por dónde empiezo?" Las posibilidades son ilimitadas.

¡No hay problema! Estamos aquí para ayudar.

Cada avión normalmente tiene una especificación de vehículo aéreo (AVS). Este es un documento muy extenso que el OEM escribe antes de diseñar la aeronave. Contiene toneladas de información sobre todos los aspectos de la aeronave, incluido el diseño del arnés de cables. Pregunte si existe un AVS o documento similar. Si lo hay, lea todas las secciones que tratan sobre el diseño de sistemas eléctricos.

El siguiente documento que debe revisar es el cableado de vehículos aeroespaciales estándar AS50881 de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE). Anteriormente MIL-STD-5088 y revisado por última vez en 2015, este documento cubre información como la capacidad de transporte de corriente del cable; cómo se deben identificar, marcar, enrutar y sostener los cables en aeronaves militares; y cientos de otras pautas y requisitos. Puede encontrarlo en www.sae.org.

Hay miles de números de pieza para elegir al diseñar un arnés de cables. ¿Cómo decide qué partes seleccionar?

Lo primero que debe comprender es la diferencia entre las piezas estándar, las piezas no estándar y las piezas comerciales listas para usar (COTS).

Una parte estándar es una parte militar. Está controlado por el ejército estadounidense. Estas piezas a menudo se denominan piezas MIL SPEC (abreviatura de especificación militar).

Muchos de estos números de pieza comienzan con "M", que es la abreviatura de militar. Un ejemplo es M39029/4-110. Este es el número de parte militar para un contacto de metal que se inserta en conectores eléctricos. Otros números de pieza militares comienzan con "MS", que significa especificación militar. Un ejemplo es MS3154, que es un alivio de tensión para cables que ingresan a un conector. Otros prefijos incluyen "NAS", que significa Estándar Aeroespacial Nacional. Un ejemplo es NAS514, que es un tornillo para máquina de cabeza plana. Existen otros prefijos de números de pieza militares, pero estos son los más comunes para la fabricación de arneses de cables.

Cada número de pieza militar tiene una especificación asociada. Estas especificaciones están disponibles en línea en http://www.dscc.dla.mil/programs/MilSpec/DocSearch.aspx. Desde finales de la década de 1990, el control de estas especificaciones se transfirió de la Marina de los EE. UU. a la SAE.

Una cosa buena de las piezas militares es que son comunes en muchas plataformas aeroespaciales. Por ejemplo, el conector M83723/72W1212N podría usarse en los F-35, V-22, F-16, F-15, C-130 y C-17. Es un conector muy común en la industria aeroespacial.

En la mayoría de los casos, el gobierno de los EE. UU. solo aprueba a ciertos proveedores y fabricantes para fabricar una pieza en particular. Estos proveedores figuran en una lista de piezas cualificadas (QPL) para ese número de pieza.

Una pieza no estándar se basa en una pieza militar, pero se modifica ligeramente con respecto a la especificación militar. Por ejemplo, Lockheed Martin podría querer usar un conector militar en un ensamblaje de mamparo. Debido a que la profundidad de un mamparo es ligeramente más gruesa que el tamaño del conector militar, Lockheed debe diseñar un nuevo conector basado en el conector militar, aumentando ligeramente su tamaño para que pueda encajar en el mamparo. En este caso, Lockheed escribe y controla una especificación y le da al conector un nuevo número de pieza.

Por lo general, el OEM también designará qué proveedores están aprobados para fabricar piezas no estándar. La especificación generalmente se denomina dibujo de control de fuente o dibujo de control de especificación.

Lo bueno de las piezas no estándar es que satisfacen una necesidad del OEM, y el OEM controla las especificaciones y los proveedores que pueden fabricarlas. Lo malo es que estas piezas suelen ser más caras, ya que se requieren menos en toda la industria y, en muchos casos, se utilizan en un solo avión.

La tercera categoría de piezas son las piezas comerciales listas para usar (COTS). Estas piezas están diseñadas y controladas por un fabricante. Según los estudios de marketing y la necesidad de los artículos en productos comerciales y militares, un fabricante diseñará y fabricará sus propios números de pieza. El fabricante controla las revisiones de la especificación y cuándo publicar las revisiones. Ni el ejército de EE. UU. ni el OEM de la aeronave tienen control sobre estas piezas.

Lo bueno de las piezas COTS es que están fácilmente disponibles y son menos costosas que las piezas estándar y no estándar. Son menos costosos porque no están calificados por el ejército de EE. UU., SAE u OEM. Lo malo de ellos es que el fabricante puede cambiar sus propias especificaciones en cualquier momento sin la aprobación de una fuente externa. El fabricante también es la única fuente de sus piezas COTS, por lo que controla el precio y la distribución.

Cuando se diseña el sistema eléctrico de una aeronave, el punto de partida está en el nivel del sistema. Un esquema del sistema muestra los componentes más grandes y cómo están conectados. En el esquema del sistema, simplemente se conectan entre sí con una línea, pero el tamaño y la especificación del cable no se mencionan. Además, el esquema del sistema no muestra dónde hay roturas en el cable, como cuando pasa a través de un mamparo a través de dos conectores. Aunque es un diseño muy básico, el esquema indicará los tipos de señales que transportará el cable (por ejemplo, CA, CC, datos o radio). Además, el esquema muestra dónde se necesitan hilos o cables blindados, así como pares trenzados, tripletes y cuádruples.

Deberá elegir un cable según el tipo de señal que transmitirá y la cantidad de corriente que transportará. En general, debe elegir el cable de calibre más pequeño que pueda transportar con éxito la corriente requerida. SAE AS50881 enumera la capacidad de transporte de corriente para los calibres de cable más comunes. Además, un buen software CAD calculará automáticamente la capacidad de transporte de corriente de cada tamaño de calibre.

En la década de 1970, el cable más común para aeronaves era el cable aislado con Kapton. Kapton es un nombre comercial de DuPont. Hoy en día, el cableado de las aeronaves suele estar aislado con teflón, Tefzel, Cross Link Tefzel o TKT (Teflon-Kapton-Teflon). Por lo general, el AVS de una aeronave enumera el tipo de aislamiento de cables que se utilizará en toda la aeronave. Por ejemplo, el OEM podría decidir que se usará TKT, con algunas excepciones, como cables de radio y cables con aislamiento de teflón en ensamblajes en caja.

Ahora que conoce el esquema, el tipo de señales que se transmitirán, la cantidad de corriente en el circuito y el aislamiento recomendado, puede elegir qué número de pieza de cable usar.

Luego, utilizando un sistema CAD 3D, se pueden rastrear las rutas de los cables en toda la aeronave. Además, las rutas de los cables normalmente comienzan y terminan en un conector cuando pasan a través de un mamparo. Cada cable en un segmento de cable se puede identificar de forma única y se puede desarrollar un diagrama de cable detallado. El diagrama de cables muestra todos los segmentos de cables, números de identificación y desconexiones.

Cada segmento de cable en un avión debe tener su propio identificador único. Incluso el escudo de alambre blindado tiene su propio identificador único. En pocas palabras, cada conductor de corriente debe identificarse de forma única. Por ejemplo, un par trenzado que está blindado y encamisado contiene tres conductores: el par trenzado y el blindaje exterior.

SAE AS50881 describe cómo se debe identificar y marcar un cable. Un identificador de cable contiene la letra de la función del circuito, el número de cable, la letra del segmento y el calibre del cable. Por ejemplo, P215A4 es un cable de un solo conductor.

Existe un método alternativo para identificar cables. Consiste en la letra "W", seguida del número de mazo de cables, el número de identificación del cable y el calibre del cable. Por ejemplo, un cable de un solo conductor podría llamarse W192-06-22. Un par trenzado blindado y encamisado podría llamarse W192-020-22.

InterConnect ha estado en el negocio por más de 25 años. Después de tanto tiempo, podría pensar que habríamos ingresado cada número de pieza de conector militar que se haya desarrollado en nuestro sistema de planificación de recursos empresariales. Desafortunadamente, esto no es verdad. Casi todas las semanas, ingresamos nuevos números de conector en nuestro sistema. Hasta la fecha, hemos identificado más de 3200 números de pieza para conectores militares. Con tantos números de pieza posibles, ¿cómo decide qué número de pieza usar al diseñar un arnés de cables?

La buena noticia es que solo hay unas pocas series comunes de conectores militares. Según nuestra experiencia en la industria aeroespacial militar, las series más comunes de conectores militares son:

Tenga en cuenta que existen otras series de conectores, así como conectores no estándar y conectores COTS.

En general, es mejor seleccionar una serie de conectores que tenga tantas cavidades de contacto como sea posible. Uno de los favoritos en la industria militar es la serie de conectores MIL-DTL-38999, ya que estos suelen tener muchas cavidades de contacto. El siguiente paso es analizar la siguiente información y decidir qué sistemas (es decir, cables) desea que pasen por un conector:

Una vez que se conoce esta información, puede revisar diferentes arreglos de inserción (especialmente el tamaño de las cavidades de contacto para un conector). Luego, según los tamaños de los cables y los contactos, puede elegir un conector. Es mejor comenzar con la polarización normal del conector. Si se utiliza el mismo número de pieza del conector básico cerca de otro conector, se debe seleccionar una polarización diferente.

Un designador de referencia identifica un componente en un diagrama esquemático y de cableado del sistema. Los designadores de referencia para conectores suelen comenzar con:

Por ejemplo, un designador de referencia podría ser 3315P706. Estará conectado a 3315J706.

Un gato es un conector que está montado en el fuselaje. Se puede sujetar al fuselaje con tornillos y tuercas o con anillos de tuerca. Un conector macho se acopla a un jack. No está montado físicamente en la estructura del avión, excepto al estar conectado al gato.

Hay algunos otros componentes que se pueden encontrar en los arneses de cables de las aeronaves. Los empalmes (también llamados ataduras de cables) tienen una notación designadora de referencia de "WT". Otros componentes (y sus notaciones) incluyen resistencias (R), condensadores (C), bloques de tierra (GD), diodos (CR), interruptores (S), relés (K) y disyuntores (CB).

La terminación del blindaje se refiere a cómo el blindaje de un cable blindado termina en otro componente. Hay una gran variedad de métodos de terminación. Éstas incluyen:

El propósito de un escudo en un cable blindado es eliminar la interferencia electromagnética (EMI) causada por la corriente eléctrica en un cable. Asimismo, un escudo limita la EMI causada por otros cables cercanos. Los escudos eliminan la diafonía entre los cables para que tenga una señal clara.

La práctica más común en la industria aeroespacial es terminar los blindajes en un cable de puente y luego conectar el cable de puente a un punto de tierra. En muchos casos, el punto de conexión a tierra es la carcasa trasera de un conector y, en última instancia, el fuselaje.

Una pregunta común en la industria aeroespacial es: "¿Cuál es la mejor manera de unir un manojo de cables?" Hay cinco métodos principales que se utilizan en la industria aeroespacial: ataduras de cuerdas, envolturas de ataduras, manguitos trenzados expandibles, tubos termorretráctiles y trenzados.

Cada uno tiene ventajas y desventajas. El método menos costoso (y de menor peso) son las ataduras de hilo. Los arneses de cables de mejor apariencia son los trenzados (especialmente con una variedad de colores). El OEM generalmente especificará qué método usar.

También conocidas como cordones de cables, las ataduras de cuerdas consisten en un cordón delgado, tradicionalmente hecho de lino encerado, que une un grupo de alambres mediante una serie de puntadas continuas. Este método es económico, fácil de modificar y reparar, liviano y permanece atado durante décadas. En el lado negativo, no protege el haz de cables. Algunos cables pueden salirse accidentalmente del paquete durante la instalación o los programas de actualización. Los paquetes de cables pueden potencialmente perder su forma. Y la instalación requiere mucho tiempo.

Las cintas para corbatas están disponibles en una variedad de materiales, estilos, largos, anchos y colores. Son económicos, fáciles de modificar y reparar, ligeros y de rápida instalación. Pero, al igual que las ataduras de cuerdas, no protegen el haz de cables. Además, pueden romperse (creando un problema de desechos de objetos extraños) y su uso entra en conflicto con los requisitos de SAE AS50881.

Los manguitos trenzados expandibles ofrecen cierta protección al haz de cables. Sin embargo, pueden ser costosos y agregan peso. En la mayoría de los casos, no proporcionan un ajuste perfecto alrededor de un haz de cables y lleva tiempo empujar un haz de cables a través del manguito.

El tubo termorretráctil ofrece una muy buena protección al haz de cables y dura mucho tiempo. Pero, al igual que las fundas, puede ser costoso y agrega peso. De manera similar, se necesita tiempo para empujar un haz de cables a través de la tubería y se necesita tiempo para encoger la tubería sobre el paquete. La mayor desventaja es que no puede acceder a los cables debajo de la tubería después de que se haya encogido.

El trenzado tiene muchas ventajas. Ofrece una excelente protección al haz de cables. Aumenta la apariencia física del mazo de cables. Dura mucho tiempo y compacta el haz de cables para ayudar en la instalación.

El trenzado codificado por colores ayuda a identificar fácilmente un arnés de cables y el trenzado de metal proporciona protección EMI.

En el lado negativo, el trenzado agrega peso y es costoso trenzar a mano cada mazo de cables. Si se necesitan cables adicionales en un arnés de cables, deben estar "apilados". Es decir, deben trenzarse individualmente y correr fuera de la trenza del conjunto de paquetes existente.

Pruebas

Los arneses de cables de las aeronaves se prueban utilizando equipos automáticos comúnmente llamados analizadores de cableado. Muchas empresas fabrican analizadores de cableado. Los programas únicos le dicen al analizador qué pruebas ejecutar, cuánta corriente y voltaje usar, y cuánto tiempo aplicar la corriente. Un técnico conecta el analizador de cableado al mazo de cables mediante cables adaptadores.

Las dos pruebas más comunes son la continuidad y la resistencia de aislamiento. Pero, los analizadores de cableado también pueden realizar otras pruebas, incluidas pruebas de cavidad de contacto vacía, pruebas dieléctricas de CA, encender luces, energizar relés, medir capacitancia, medir resistencia y garantizar que los diodos funcionen correctamente.

Las pruebas de continuidad aseguran que cada cable esté conectado de acuerdo con el diseño. Por ejemplo, si se supone que se debe conectar un cable desde el conector 1 en el pin 13 al conector 2 en el enchufe 34, la prueba de continuidad verificará que el cable esté allí. Las pruebas de continuidad se realizan a 0,5 amperios con un voltaje constante y un tiempo de permanencia mínimo de 0,2 segundos.

La prueba de resistencia de aislamiento (también llamada prueba de megaohmios) busca cortocircuitos. Por ejemplo, si dos cables tienen muescas en el aislamiento y están cerca uno del otro, la prueba de resistencia del aislamiento mostrará un cortocircuito. Si un conector no se fabricó correctamente y no hay suficiente material para separar dos contactos, la prueba de resistencia de aislamiento también mostrará este cortocircuito.

Las pruebas de resistencia de aislamiento se realizan a 1500 V CC con una corriente constante y un tiempo de permanencia mínimo de 0,15 segundos. La prueba de resistencia de aislamiento hace lo que su nombre sugiere: asegura que haya suficiente resistencia entre dos o más conductores para que no se produzca un cortocircuito. Si la resistencia es superior a 100 megaohmios, pasa la prueba.

La mayoría de los OEM especificarán cómo probar los arneses de cables. El estándar de prueba militar común es MIL-STD-202.

Se aplican innumerables estándares de fabricación a los arneses de cables aeroespaciales. Los siguientes son los más comunes:

Para obtener más información sobre el diseño y ensamblaje de arneses de cables para la industria aeroespacial, llame al 817-377-9473 o visite www.interconnect-wiring.com.