汽車線束系統(tǒng)的水管理設(shè)計(jì)及應(yīng)用案例

張鶴、馮禮志

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

0 汽車線束系統(tǒng)的水管理概念

車線束是汽車電路的網(wǎng)絡(luò)主體，通過導(dǎo)線、插接器等導(dǎo)電材料，把電源、用電器連接成回路，實(shí)現(xiàn)電氣連接功能的電氣系統(tǒng)。不論是過去的傳統(tǒng)燃油車，還是近幾年市場(chǎng)勢(shì)頭強(qiáng)勁的新能源車，汽車線束系統(tǒng)在整車的作用舉足輕重。汽車線束系統(tǒng)在整個(gè)電氣中扮演重要角色，除了要實(shí)現(xiàn)電路穩(wěn)定、可靠的連接外，還要滿足整車的水管理要求[1]。其中，底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)艙部位的線束容易受到道路面的水滴飛濺影響，會(huì)造成局部電流或信號(hào)傳遞失效。

汽車線束系統(tǒng)的水管理是指線束系統(tǒng)在整車中對(duì)水的適應(yīng)能力，是整車密封水管理的重要組成部分，主要體現(xiàn)為整車在淋雨、涉水以及高壓清洗等工況下[2]，防止水進(jìn)入線束或進(jìn)入后的排出能力。本文將通過對(duì)汽車線束系統(tǒng)的水管理設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行分析，說明線束系統(tǒng)水管理設(shè)計(jì)中的優(yōu)化和防水注意事項(xiàng)等。

1 汽車線束系統(tǒng)的水管理設(shè)計(jì)

汽車線束系統(tǒng)的水管理嚴(yán)格按照整車的水密封區(qū)域來區(qū)分管理，而汽車線束根據(jù)在整個(gè)車身上的布線位置，分為干區(qū)和濕區(qū)[3]。例如汽車的駕駛室和駕駛室有車門膠條和飾板等防護(hù)，不容易受外界環(huán)境的水滴影響，經(jīng)常被稱為干區(qū)。該區(qū)域的線束不需要增加額外的密封防水要求，設(shè)計(jì)難度相對(duì)較低。而汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙和底盤區(qū)域，經(jīng)常暴露在水滴飛濺的潮濕環(huán)境中，線束系統(tǒng)中電信號(hào)傳遞的穩(wěn)定性容易受到外界環(huán)境影響。因此，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙和底盤區(qū)域線束防水性能，有著更苛刻更嚴(yán)格的要求。

汽車線束是由多個(gè)子零件集成的系統(tǒng)總成，該系統(tǒng)的水管理設(shè)計(jì)，更多的依賴于各個(gè)子零件之間的密封和相互配合。經(jīng)過多個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景探究，汽車線束系統(tǒng)的水管理需要重點(diǎn)關(guān)注3 項(xiàng)內(nèi)容：插接器匹配選型、管線布置和搭鐵點(diǎn)防護(hù)。本文將對(duì)這幾項(xiàng)內(nèi)容逐一探討分析。

1.1 插接器匹配選型

汽車插接器是線束系統(tǒng)總成中最核心的零部件之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，一套汽車線束系統(tǒng)中的插接器種類高達(dá)130 多種，所占成本比例高達(dá)40%以上。不過插接器的故障頻次也位于線束系統(tǒng)中所有零部件的首要位置，其選型的好壞直接決定了電連接性能的穩(wěn)定可靠。

線束插接器是由金屬端子、塑件護(hù)套、鎖片以及密封圈等多個(gè)附件組成，通過機(jī)械插拔方式來實(shí)現(xiàn)電流導(dǎo)通和隔斷的作用。在線束設(shè)計(jì)前期，通常根據(jù)車身的不同區(qū)域來選擇不同防水等級(jí)的插接器。像發(fā)動(dòng)機(jī)艙和底盤等濕區(qū)的線束插接器，防水等級(jí)至少要達(dá)到IPX7 要求；而在車身局部暴露位置的插接器，防水等級(jí)甚至要達(dá)到IPX9K 的要求（圖1）。

一般在整車的前期設(shè)計(jì)階段，就需要考慮插接器的防水性能。位于駕駛室或者整個(gè)車廂內(nèi)的插接器，不需要有防水要求；所有駕駛室外的插接器，都應(yīng)使用防水端子或護(hù)套。插接器處無回路線的空針腳，要采用防水栓封堵，確保插接器的防水性能滿足其安裝位置的防水等級(jí)要求。插接器要有良好的密封，防水栓密封堵的選擇非常重要。一般插接器防水栓密封堵的外徑尺寸要與護(hù)套的內(nèi)圓孔徑尺寸形成過盈配合，過盈配合量應(yīng)控制在0.4 ～1.0 mm 比較合適。

1.2 管線布置設(shè)計(jì)

汽車線束系統(tǒng)的管線布置設(shè)計(jì)，除了要兼顧美觀、防振、電磁兼容以及維修方便等需求，還要滿足整車的防水和防泥性能要求。整車線束的布置，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離車體上容易積水積泥的部位，避讓水流路線。汽車線束系統(tǒng)的管線布置設(shè)計(jì)，要優(yōu)先考慮如下幾點(diǎn)。

（1）線束接點(diǎn)或者接插接器應(yīng)盡量布置在干區(qū)或低濕區(qū)。

（2）布置在高濕區(qū)的線束或者接插接器，須做好防水處理，如增加防水橡膠件或者護(hù)板等。

（3）線束主干若穿過車身鈑金孔由濕區(qū)到干區(qū)，須采用擋水橡膠件或防水泥保護(hù)處理。

（4）車身線束的分支或主干應(yīng)避開水流直沖區(qū)域，必要時(shí)增設(shè)滴水環(huán)，避免水流倒灌進(jìn)入插接器或者駕駛艙內(nèi)。

1.3 搭鐵點(diǎn)防護(hù)

汽車線束系統(tǒng)的水管理，搭鐵點(diǎn)防護(hù)是非常重要的一部分。在國(guó)內(nèi)的汽車行業(yè)，整車大多采用負(fù)極搭鐵設(shè)計(jì)。蓄電池負(fù)極與車體相連，正極電從蓄電池正極經(jīng)過各功能電器后，與車身相接通，汽車車身、底盤及發(fā)動(dòng)機(jī)等金屬殼體作為整車負(fù)極的共用導(dǎo)線。線束回路導(dǎo)線通過壓接端子的形式，與金屬外殼體直接連接，這樣的連接點(diǎn)就被稱為搭鐵點(diǎn)[4]。線束的搭鐵回路線一般選擇黑色，搭鐵點(diǎn)是通過螺栓緊固方式連接在車身鈑金或者金屬殼體上。

汽車線束系統(tǒng)搭鐵點(diǎn)安裝位置的選擇，應(yīng)避免強(qiáng)飛濺和積水區(qū)域。搭鐵點(diǎn)本身要進(jìn)行熱縮保護(hù)，不能直接裸露在積水濕區(qū)。如果線束搭鐵點(diǎn)保護(hù)不當(dāng)或直接暴露在空氣中，會(huì)造成線束接點(diǎn)處銅絲發(fā)黑或者接點(diǎn)進(jìn)水，影響電導(dǎo)通，甚至造成接觸不良故障。

根據(jù)整車的行駛工況，汽車搭鐵點(diǎn)安裝位置分為干區(qū)和濕區(qū)。如圖2 所示，涉水線以下部位為濕區(qū)，濕區(qū)經(jīng)常會(huì)受到水滴飛濺、道路積水等影響，涉水線以上部分為干區(qū)，受水滴影響的風(fēng)險(xiǎn)較小。因此，搭鐵點(diǎn)安裝位置的選擇原則，離地面的高度要大于涉水深度。位于干區(qū)的搭鐵點(diǎn)只需要采用PVC 膠帶包纏，就能滿足干區(qū)的使用性能要求；位于濕區(qū)的搭鐵點(diǎn)則要增加灌膠熱縮管或丁基膠進(jìn)行熱縮保護(hù)，才能達(dá)到濕區(qū)的密封防水的效果。

圖2 整車涉水深度圖示

2 汽車線束系統(tǒng)水管理的應(yīng)用

2.1 插接器的選型應(yīng)用

整車插接器在工作時(shí)因接觸電阻會(huì)產(chǎn)生一定熱量，使插接器的內(nèi)部空氣出現(xiàn)較大壓力。當(dāng)停止工作后，溫度下降，插接器內(nèi)部氣壓值減小，與外界空氣形成了負(fù)壓差。如果整個(gè)線路密封不良，空氣中的水氣會(huì)沿著導(dǎo)線多股銅線的縫隙被吸入到插接器內(nèi)部，造成插接器內(nèi)部的電絕緣失效，這種現(xiàn)象被稱之為“虹吸現(xiàn)象”。

我司某車型出現(xiàn)了間歇性無法掛擋故障，故障碼顯示整車擋位同時(shí)有效，即汽車線束系統(tǒng)中同時(shí)存在多個(gè)換擋信號(hào)指令，導(dǎo)致整車換擋運(yùn)算邏輯混亂而無法正常掛擋。問題分析團(tuán)隊(duì)通過排查電路原理，查找故障點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，整車線束的X204 插接器進(jìn)水，其內(nèi)部的端子生銹腐蝕，導(dǎo)致控制換擋信號(hào)的多個(gè)回路線之間相互竄電。

團(tuán)隊(duì)成員繼續(xù)查找問題，剖開尾燈到X204 插接器之間的導(dǎo)線絕緣膠皮，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線的銅絲間存在水滴殘留，且銅絲氧化發(fā)黑，因此鎖定了進(jìn)水路徑（圖3）。原來是尾燈處的水滴通過導(dǎo)線股絲虹吸進(jìn)入到X204 插接器，造成內(nèi)部回路線相互竄電，從而影響到整車的換擋功能。

圖3 虹吸現(xiàn)象的水流路徑

問題原因鎖定后，通過更改尾燈的線束插接器型號(hào)，增加防水密封性。同時(shí)把X204 插接器由自密封防水結(jié)構(gòu)改為非防水和防護(hù)膠帽結(jié)構(gòu)，確保X204 插接器內(nèi)部氣壓與外界氣壓值一致，徹底解決了“虹吸現(xiàn)象”的問題。

2.2 管線布置優(yōu)化運(yùn)用及案例

汽車線路的布置方案，要充分考慮到整車的水管理。線束系統(tǒng)的走向應(yīng)該順暢、無扭曲，插接器、搭鐵點(diǎn)應(yīng)盡量避開高濕區(qū)。在任何可能的滴水區(qū)域，線束接插接器和搭鐵點(diǎn)都要有防水措施，避免積水腐蝕。

在某車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙線束總成上，有一段穿過鈑金孔的線束主干（圖4）。初始的設(shè)計(jì)按照方案一布線，結(jié)果淋雨試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)駕駛室內(nèi)有進(jìn)水痕跡。檢查發(fā)現(xiàn)鈑金孔的膠塞位于低谷位置，水流會(huì)沿著線束主干在重力作用下流入到鈑金的橡膠套環(huán)處[5]。橡膠套環(huán)承受的阻斷水流壓力非常大，當(dāng)無法承受時(shí)，水流會(huì)沿著線束回路線進(jìn)入到乘員艙內(nèi)部。

圖4 方案二的布線方式優(yōu)于方案一

問題分析團(tuán)隊(duì)經(jīng)過分析和試驗(yàn)后，優(yōu)化管線布置，按照方案二進(jìn)行布線后，解決了駕駛室進(jìn)水問題。采用方案二布線，橡膠套環(huán)前方的線束主干彎曲向下，呈滴水環(huán)狀，出水點(diǎn)位于線束主干的滴水環(huán)最低位置處。當(dāng)水滴沿著線束主干流動(dòng)時(shí)，就會(huì)在滴水環(huán)最低出水點(diǎn)處被排出，不會(huì)流動(dòng)到橡膠套環(huán)位置，大大降低了水滴流入到車身內(nèi)側(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。

除了采用方案二的布線方式增設(shè)滴水環(huán)外，團(tuán)隊(duì)還采取了鞏固措施，在橡膠件安裝位置適當(dāng)灌膠或者增加防水泥，以排除電線束之間的空隙。這樣能確保內(nèi)部回路線之間相互接觸密封，進(jìn)一步加固了防水和密封效果。

2.3 搭鐵點(diǎn)防護(hù)運(yùn)用及案例

線束搭鐵點(diǎn)與車身件的連接穩(wěn)固可靠，確保了電流信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。搭鐵點(diǎn)防護(hù)不僅要考慮到安裝位置的選擇，還有考慮端子表面的包覆保護(hù)。

我司某款車型出現(xiàn)ESC 故障燈亮，影響整車行駛。經(jīng)過拆解排查發(fā)現(xiàn)，車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）控制單元的接插接器內(nèi)部進(jìn)水，出現(xiàn)了回路線短接故障。該車型ESC 控制單元的搭鐵點(diǎn)搭接在左前大梁上，離地高度約400.0 mm，在涉水線高度附近。當(dāng)雨天工況行駛時(shí)，雨滴會(huì)流過固定雨刮安裝板和上安裝飾板的縫隙，進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部，最終滴落到車輛線束ESC 控制單元分支線束的搭鐵點(diǎn)表面。再加上道路面水滴飛濺，ESC 分支線束的搭鐵點(diǎn)處產(chǎn)生大量積水。這些積水沿著搭鐵點(diǎn)分支流入到ESC控制單元插接器內(nèi)部，造成進(jìn)水短路故障。

問題分析團(tuán)隊(duì)更改了ESC 控制單元搭鐵點(diǎn)的安裝位置，離地高度由原來的400.0 mm 提高到600.0 mm，同時(shí)遠(yuǎn)離高濕區(qū)，徹底解決了ESC 控制單元插接器進(jìn)水短路故障（圖5）。

圖5 搭鐵點(diǎn)位置優(yōu)化，避免水滴直滴

因此，搭鐵點(diǎn)防護(hù)應(yīng)當(dāng)慎重選擇安裝位置，避免被水流直滴。除此之外，還需要做好端子表面的包覆保護(hù)。搭鐵端子表面的包覆保護(hù)，在汽車線束的制造過程中要重點(diǎn)考慮和關(guān)注。QC/T 29106-2014《汽車電線束技術(shù)條件》中有明確要求，對(duì)于熱縮管包覆的搭鐵端子，熱縮管應(yīng)緊密套在連接部位，無位移、脫開現(xiàn)象；熱縮后的外觀無鼓包、損傷等；線端溢膠量要完全包覆外露銅絲但不影響裝配。熱縮管保護(hù)線纜絕緣皮的長(zhǎng)度應(yīng)在10.0 ～30.0 mm。下對(duì)于有質(zhì)量缺陷的搭鐵端子要提前預(yù)防和避免（圖6）。

圖6 搭鐵端子質(zhì)量缺陷

3 結(jié)束語

汽車線束系統(tǒng)的水管理設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜和重要的工程，要兼顧插接器的匹配選型、整車管線布置以及搭鐵點(diǎn)防護(hù)等多個(gè)方面。同時(shí)，還要充分考慮并滿足整車涉水防飛濺、防雨防潮以及商業(yè)洗車等性能要求，以及整車的使用工況、周邊環(huán)境和用戶駕駛習(xí)慣等多個(gè)因素，選擇最優(yōu)的水管理方案。