轎車行李箱水管理及防水設(shè)計

周星棟，馮方智

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

引言

轎車又稱為三廂車，由發(fā)動機艙、乘員艙、行李箱三部分組成。行李箱基本位于轎車車身的后部，因此又俗稱為后備箱。行李箱是轎車上獨立存在的空間結(jié)構(gòu)，與乘員艙之間剛性或者半剛性互相分隔。行李箱由車身后部鈑金件、內(nèi)飾件、行李箱蓋鈑金及內(nèi)飾以及其他附件、行李箱燈等電器及線路零件等組成。

整車廠往往在行李箱里配備三角警示牌、醫(yī)療急救包、備胎、千斤頂、修車工具等，消費者在行李箱中會裝載私人的各種物品，為了各類物品以及電路免受水的侵蝕，行李箱內(nèi)部需要完整的防水密封，轎車行李箱的水管理及防水設(shè)計尤為重要。

1 轎車行李箱干濕區(qū)

汽車干區(qū)一般是指不允許水進入的區(qū)域，如汽車乘員艙及行李箱等。水一旦不受限制地進入干區(qū)，會引起線路短路、鈑金腐蝕、內(nèi)飾異味等一系列質(zhì)量問題，也會給客戶帶來巨大困擾。

汽車濕區(qū)一般是指可以允許水進入或者途經(jīng)的區(qū)域，如汽車發(fā)動機艙、汽車外表面等。濕區(qū)的零件一般做好針對性的腐蝕防護措施，如PVC密封、油漆保護或者使用塑料零件等，水在進入汽車濕區(qū)后，并不會引起零件和功能的損壞，也不會影響客戶的正常使用。

轎車行李箱的密封主要由整圈的密封條實現(xiàn)，密封條在行李箱蓋關(guān)閉時，使得水被隔絕在密封條以外區(qū)域，在密封條以內(nèi)形成了干區(qū)、密封條以外是濕區(qū)。

圖1 轎車行李箱示意圖

在車身上密封條以外的區(qū)域，也即濕區(qū)的零件在設(shè)計時必須考慮進水和腐蝕的風(fēng)險：

（1）如果上面的孔可以通過某些渠道連通到干區(qū)，則該孔必須通過悶蓋等方式封閉；

（2）如果有鈑金切邊裸露，必須通過涂層、油漆或者PVC材料覆蓋，避免鈑金的腐蝕；

（3）如果有總裝零件通過螺栓固定，必須考慮螺栓孔進水風(fēng)險，在總裝件上做好密封設(shè)計；

（4）如果需要線束接插或者通過，最好通過零件配合形成一個局部的小干區(qū)，并將接插件布置在局部的干區(qū)范圍內(nèi)。

2 水管理

2.1 遇水類型

汽車行李箱在使用過程中遇到的水包括自然降水、洗車、潑濺水等。

自然降水包括雨水、露水、化霜、化雪等。雨水又根據(jù)降水量可以分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨等。其中特大暴雨是指24小時內(nèi)降雨量達到250mm以上。沿海及南方地區(qū)是特大暴雨的高發(fā)區(qū)，汽車防水必須按照特大暴雨或者更高的強度來設(shè)計。

常見的洗車方式包括大量水澆水洗車、高壓沖洗、水管手動沖洗、自動洗車機清洗等形式，不同的洗車方式對位置的考驗是不同，強度要求也不一致，比如高壓沖洗將直接將壓力施加到縫道周圍及密封條上，自動洗車機需要對汽車進行長時間多次清洗。

汽車在使用中還會遇到潑濺水的情況，比如涉入路面較深的積水或被旁邊車輛濺起的水等[1]。

不同類型的水對汽車密封的考驗是不同的，設(shè)計時需要滿足各種遇水的考驗，測試時也需要針對不同類型水設(shè)計不同的測試項目和測試條件。

2.2 排水設(shè)計

為保證密封條以內(nèi)的干區(qū)，以及降低對密封條的考驗，要在濕區(qū)及時將水排出車外。汽車行李箱部位的水有幾條典型排水途徑如下：

（1）大部分水流通過側(cè)圍鈑金旁邊的流水槽從上部流到下部，最后從行李箱蓋與后保蒙皮間的縫隙流出車外，如下圖2的途徑①。

（2）部分水從 A燈與車身鈑金間的間隙流入內(nèi)部，最后從車身鈑金與后保間的間隙流出，如下圖2途徑②。

（3）后保蒙皮與密封條間預(yù)留一定的匹配間隙，水量過大來不及排出或者洗車水流直沖此處時，水流從此流入后保蒙皮內(nèi)部，再流出車外，如下圖2途徑③。

圖2 轎車行李箱排水途徑

對于主排水途徑①為了能及時地排出水流，流水槽要保證一定的寬度，一般要求在30mm以上；對于途徑③，由于外觀匹配要求密封條與后保蒙皮間隙往往較小，由于水表面張力的原因，不利于水流排出，因此要在車身鈑金上預(yù)留排水凹坑，如下圖3。

圖3 后尾板上排水凹坑

3 防水設(shè)計

3.1 密封條設(shè)計

密封條是行李箱蓋防水密封的主要承擔(dān)零件，密封條設(shè)計和制造的好壞往往決定了行李箱的密封水平。密封條的影響因素和出現(xiàn)的問題種類很多[2]，典型及細(xì)節(jié)的設(shè)計要求及問題如下。

（1）密封軟泡截面形狀

圖4 密封條自由和壓縮截面

軟泡的形狀和各處料厚要進行充分的理論分析和樣件的試驗驗證。理想的軟泡形狀應(yīng)該能夠在行李箱蓋鈑金下壓過程中提供盡量均勻的支撐力；行李箱蓋完全關(guān)閉后，密封條軟泡被充分壓縮時，此時，截面盡可能多的部分與行李箱蓋鈑金匹配，保證盡量寬的軟泡與鈑金相貼合。壓縮狀態(tài)下，軟泡有向車外的趨勢，可以抵擋高壓水柱沖刷時的力，而不至于向車內(nèi)“倒塌”，從而出現(xiàn)漏水問題[3]。

值得指出的是，軟泡形狀的細(xì)微調(diào)整便可以得到差別巨大的壓縮形態(tài)，下圖是某款車型上因漏水問題調(diào)整軟泡形狀的實際例子。

（2）鈑金止口

造成鈑金止口處漏水的原因主要有切邊長度、焊接質(zhì)量、鈑金角度的控制不足，導(dǎo)致止口處密封條內(nèi)腔與鈑金匹配不到位。[4]下圖是某款車型鈑金止口處質(zhì)量不合格的例子。

圖5 鈑金止口不合格示意圖

常見措施是控制鈑金質(zhì)量，保證密封條與鈑金的良好匹配效果，也可以在搭接處增加不干膠，保證密封條與鈑金匹配的牢固性。

圖6 不干膠示意圖

（3）密封條長度

圖7 密封條安裝褶皺

當(dāng)密封條長度或者鈑金止口長度控制不達標(biāo)。密封條相對鈑金止口過長或過短都會導(dǎo)致密封條最終安裝不到位，而無法與行李箱蓋鈑金良好匹配而產(chǎn)生漏水風(fēng)險。圖7是密封條安裝后出現(xiàn)褶皺而出現(xiàn)漏水風(fēng)險的例子。

3.2 高壓水流設(shè)計校核

高壓沖洗洗車時，高壓水流如果直接沖到密封條軟泡上，將會對密封條施加巨大的壓力。若密封條軟泡在此作用下發(fā)生“倒塌”而脫離與鈑金的壓縮匹配狀態(tài)，則面臨很大的漏水風(fēng)險。因此，在設(shè)計時要避免水流可以直沖密封條軟泡的情況。

高風(fēng)險區(qū)域主要集中在行李箱蓋底部與后保蒙皮縫道區(qū)域以及頂部與后風(fēng)窗匹配縫隙區(qū)域。

對于行李箱蓋底部，可以通過更改縫道形式或者后保蒙皮上面的造型特征來避免水流直沖密封條軟泡[5]。如圖8左有很大的漏水風(fēng)險，下圖右則是較為安全的設(shè)計。

圖8 行李箱底部沖水檢查

對于行李箱蓋頂部與后風(fēng)窗縫隙區(qū)域，可以通過增加額外一道塑料件或者橡膠件的形式來抵擋直沖密封條的水流，如圖9左有很大的漏水風(fēng)險，下圖右則是較為安全的設(shè)計。

圖9 行李箱頂部沖水檢查

3.3 殘留水

在考慮行李箱蓋關(guān)閉時的防水設(shè)計的同時，也需要考慮行李箱蓋打開時的進水風(fēng)險。

首先要保證行李箱打開過程中外輪廓在密封條范圍以外，以保證行李箱蓋表面殘留水在打開過程中不會流入行李箱。如下圖10所示，要保證行李箱蓋打開過程中水流流到密封條以外。

圖10 行李箱蓋打開流水示意圖

其次要考慮車身表面及后風(fēng)擋表面殘留水流入行李箱的風(fēng)險。

下圖11是某品牌車輛在行李箱蓋打開時，后風(fēng)擋玻璃表面殘余水流流入行李箱的情況。

圖11 后風(fēng)擋玻璃表面殘留水流入行李箱

殘留水從后風(fēng)擋玻璃流下時，實際走勢為拋物線形式，但為了設(shè)計方便以及更加安全，可以近似為后風(fēng)擋玻璃的延長線。若密封條低于后風(fēng)擋玻璃的延長線，則有較大的風(fēng)險導(dǎo)致水流流入行李箱，如下圖12所示。

圖12 后風(fēng)擋玻璃殘留水校核

設(shè)計時必須保證密封條高于玻璃型面的延長線，如下圖13左；或者在玻璃下端增加擋水條，如下圖13右，（將殘余水流導(dǎo)入兩側(cè)的流水槽通道，圖2，途徑①）

圖13 后風(fēng)擋玻璃殘留水解決方案

4 水流模擬

4.1 無網(wǎng)格光滑粒子法

無網(wǎng)格光滑粒子法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）是處理流固耦合問題時的一類重要仿真方法。

無網(wǎng)格法不需要生成網(wǎng)格，它按照一些任意分布的離散粒子構(gòu)造插值函數(shù)離散控制方程，進而模擬各種復(fù)雜形狀的流場。系統(tǒng)狀態(tài)由擁有場變量，如質(zhì)量、位置的粒子點描述。對于每一個粒子，該點處的值由相鄰粒子的值加權(quán)平均近似，粒子受控制方程控制演化，最終通過粒子運動分析系統(tǒng)運動。[6]

光滑粒子動力學(xué)離散的思路是：（1）核近似，用構(gòu)造的核函數(shù)來近似狄拉克方程，得到近似積分；（2）粒子近似，將核近似所得的積分進一步近似為一系列相鄰粒子的累計求和。[7]

連續(xù)函數(shù)可表述為：

其中x和x"是兩個自變量，Ω是積分域。

質(zhì)量守恒可以表述為：

動量守恒可以表述為：

能量守恒可以表述為：

核近似可以表述為：

狄拉克函數(shù)作權(quán)函數(shù)時，函數(shù)值與積分結(jié)果完全相等；當(dāng)核函數(shù)作權(quán)函數(shù)時，兩者是近似關(guān)系。

通過泰勒展開可以估算核近似的誤差：

其中Θ表示同階無窮小。

粒子近似可將（5）離散成：

其中，mi和ρi為第i點的質(zhì)量和密度，并且體積Vi=mi／ρi。

公式（7）表示，任一點處的函數(shù)值可以表達成支持域內(nèi)所有粒子函數(shù)值的加權(quán)平均結(jié)果。

4.2 無網(wǎng)格流體計算法

無網(wǎng)格方法的基礎(chǔ)是點的近似，因此可以完全或部分地消除網(wǎng)格，計算中無需劃分和重構(gòu)網(wǎng)格，不僅可以減少建模的人力時間也大大減小計算的難度，而且減少了操作人員對求解的影響，相比于傳統(tǒng)網(wǎng)格法具有更高的計算精度。[8]

FPM軟件只需要邊界耦合節(jié)點處建立2D單元來限定粒子邊界。離散的粒子點被分成了邊界和內(nèi)部點兩類。每個點與光滑長度h范圍內(nèi)的點相連，如下圖示意。通過近似在h范圍內(nèi)的臨近點上來求解。

圖14 離散粒子無網(wǎng)格示意

光滑長度h被附到一個點上，如下圖所示，可以被定義為時間和空間的函數(shù)?；ハ噙B接性在每個周期會被重新計算，由于粒子間距離的變化，連接性可能與上個周期不同。

光滑長度h選取較小時，由于支持域內(nèi)粒子數(shù)目較少，沒有足夠多的粒子用于加權(quán)近似，往往導(dǎo)致精度偏低；但若h選得太大，則支持域半徑就越大，支持域內(nèi)所含粒子越多，計算量增大，而且由于核函數(shù)形狀過于平緩，不能反映計算粒子附近的局部信息，而局部特征的丟失，同樣會影響計算精度。因此，光滑長度h的大小不僅僅影響模擬精度，還決定了計算量的大小。光滑長度h需要根據(jù)研究對象的具體特點、要求的計算精度和計算能力的大小來具體確定。

圖15 半徑h范圍內(nèi)粒子互相連接

4.3 無網(wǎng)格法在行李箱范圍的應(yīng)用場景

無網(wǎng)格法因其具有能夠減少了流體域網(wǎng)格準(zhǔn)備、對于復(fù)雜形狀流體域特征能夠進行自適應(yīng)處理、解決傳統(tǒng)有限元無法解決的大變形、大幾何問題以及簡化變量映射、快速求解流固耦合問題等優(yōu)點，應(yīng)用在多種場合。在轎車行李箱方面的應(yīng)用，包括以下幾個方面：

（1）模擬高壓水流對車身附件的沖擊

應(yīng)用仿真的方法對車身附件進行高壓水流模擬分析，可以得到附件的變形情況，與周圍零件的配合情況以及作用力。若設(shè)置零件的公差，可以分析在尺寸惡劣情況下的附件受力情況。

如果分析對象是密封條，則可以得到密封條在水流作用下的變形和偏移情況，可以提前預(yù)判密封條的漏水風(fēng)險。下圖是玻璃擋水條在高壓水流作用下的變形情況。

圖16 玻璃擋水條在高壓水流作用下的變形情況

（2）積水模擬

長時間雨淋或者大量水洗車時會造成積水風(fēng)險。對易積水區(qū)域的局部模擬，可以得到積水情況，包括初始積水量、最終殘留水量、進水途徑、排水途徑等。結(jié)合零件的性能，可以對該位置的腐蝕風(fēng)險進行判斷。對于不同的方案可以進行量化的對比。在設(shè)計時，規(guī)避后續(xù)腐蝕和進水的風(fēng)險。

圖17 積水模擬示意圖

（3）模擬行李箱蓋打開過程中行李箱蓋中積水排水情況

對于行李箱蓋中的殘留水，可以模擬行李箱蓋打開過程中的水流流出情況以及最終無法排出的殘水量，如下圖示意。

圖18 行李箱蓋打開過程中的排水情況模擬

對行李箱蓋殘留水在打開過程中滴落路線可以重點關(guān)注，以判斷水流是否會流入行李箱干區(qū)范圍，如下圖示意。

圖19 行李箱蓋打開過程中水流路線示意圖

5 防水測試

汽車廠家對出廠的產(chǎn)品車會進行各類防水測試，常見的有雨淋測試，洗車測試及路試。

雨淋測試是模擬自然界的降水，用以測試下雨天時行車及駐車工況下的車輛防水密封性能。雨淋測試又分為常規(guī)雨淋、長時間雨淋、高強度雨淋、極限雨淋、底板雨淋和負(fù)壓雨淋。用以模擬汽車在自然界中遇到的強降水和超高強度及高于自然界強度的降水。[9]

洗車工況測試是模擬用戶在各種洗車條件下的車輛防水密封性能。洗車測試包括澆水洗車、高壓沖洗、水管沖洗、自動洗車機測試。覆蓋了各種用戶的洗車情況，檢測在各類情況下是否會出現(xiàn)干區(qū)進水的問題。

道路測試包括高強度試驗道路短距離測試和實際道路長距離測試。多類路面類型如各類顛簸路面等，試驗道路上要進行多種行車操作如急加減速、倒車等，試驗要在多類降水強度下進行。在各種道路環(huán)境下各種雨量環(huán)境下的實車道路測試。各種道路涵蓋高速、鄉(xiāng)路、壞路面如鵝卵石路、帶坑路等，各種雨量包括小雨、連陰雨、陣雨、暴雨等。

下面是一些典型的測試類型

（1）常規(guī)雨淋

降水量往往超過自然界的特大暴雨降水，將自然界一天的雨量集中短時間內(nèi)施加到車輛上。并且對于車輛處于各種姿態(tài)時進行測試，如前傾、后傾、左傾、右傾、左前傾、右前傾、左后傾、右后傾，以及苛刻的顛簸路面時將各個輪胎分別抬高進行試驗。以期模擬用戶遇到的各種苛刻的雨天工況。試驗實例如下圖示意[10]。

圖20 典型常規(guī)雨淋示意圖

（2）負(fù)壓雨淋

負(fù)壓雨淋是更為苛刻的車輛密封性能檢測手段，將車內(nèi)抽成負(fù)壓的情況下，對車輛進行雨淋測試。在負(fù)壓情況下，密封條受到比大氣壓強更大的氣壓力，在雨淋時更容易發(fā)現(xiàn)密封不嚴(yán)的區(qū)域。試驗實例如下圖示意。

圖21 負(fù)壓雨淋示意圖

（3）高壓洗車

高壓洗車采用高于普通洗車用高壓水槍的測試設(shè)備，可以對車輛各個苛刻位置進行集中高強度測試，并且可以調(diào)整水槍到車輛的距離以及各種噴射角度。在高壓水柱作用下，測試車輛密封零件是否出現(xiàn)變形或匹配問題，進而導(dǎo)致車輛進水。試驗實例如下圖示意。

圖22 高壓沖洗示意圖

（4）自動洗車測試

自動洗車測試模擬市面上常用全自動洗車設(shè)備對車輛的清洗情況，測試時采用超過一般洗車次數(shù)的往復(fù)次數(shù)，對車輛進行多次反復(fù)清洗，考驗車輛的密封能力。試驗實例如下圖示意。

圖23 自動洗車測試示意圖

6 結(jié)束語

本文結(jié)合相關(guān)典型問題從產(chǎn)品設(shè)計及問題解決方面對轎車行李箱的水管理進行了闡釋，項目開發(fā)前期對各類遇水情況周全考慮，通過光滑粒子法對水問題進行模擬仿真分析，對問題進行量化研究，并做相應(yīng)的設(shè)計開發(fā)；后期結(jié)合完整且高于實際使用強度的防水測試，才能保證產(chǎn)品具有良好的防水表現(xiàn)。對于新項目以及從業(yè)人員設(shè)計和解決行李箱蓋漏水問題提供了解決的思路和參考。