汽車線束系統(tǒng)的水管理設計及應用案例

張鶴 馮禮志

關鍵詞：線束系統(tǒng)；水管理；插接器匹配；管線布置；搭鐵點防護

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)絡主體，通過導線、插接器等導電材料，把電源、用電器連接成回路，實現(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，還是近幾年市場勢頭強勁的新能源車，汽車線束系統(tǒng)在整車的作用舉足輕重。汽車線束系統(tǒng)在整個電氣中扮演重要角色，除了要實現(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)動機艙部位的線束容易受到道路面的水滴飛濺影響，會造成局部電流或信號傳遞失效。

汽車線束系統(tǒng)的水管理是指線束系統(tǒng)在整車中對水的適應能力，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]，防止水進入線束或進入后的排出能力。本文將通過對汽車線束系統(tǒng)的水管理設計缺陷進行分析，說明線束系統(tǒng)水管理設計中的優(yōu)化和防水注意事項等。

1 汽車線束系統(tǒng)的水管理設計

汽車線束系統(tǒng)的水管理嚴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，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，設計難度相對較低。而汽車的發(fā)動機艙和底盤區(qū)域，經(jīng)常暴露在水滴飛濺的潮濕環(huán)境中，線束系統(tǒng)中電信號傳遞的穩(wěn)定性容易受到外界環(huán)境影響。因此，對于發(fā)動機艙和底盤區(qū)域線束防水性能，有著更苛刻更嚴格的要求。

汽車線束是由多個子零件集成的系統(tǒng)總成，該系統(tǒng)的水管理設計，更多的依賴于各個子零件之間的密封和相互配合。經(jīng)過多個實驗場景探究，汽車線束系統(tǒng)的水管理需要重點關注3 項內(nèi)容：插接器匹配選型、管線布置和搭鐵點防護。本文將對這幾項內(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，一套汽車線束系統(tǒng)中的插接器種類高達130 多種，所占成本比例高達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、塑件護套、鎖片以及密封圈等多個附件組成，通過機械插拔方式來實現(xiàn)電流導通和隔斷的作用。在線束設計前期，通常根據(jù)車身的不同區(qū)域來選擇不同防水等級的插接器。像發(fā)動機艙和底盤等濕區(qū)的線束插接器，防水等級至少要達到IPX7 要求；而在車身局部暴露位置的插接器，防水等級甚至要達到IPX9K 的要求（圖1）。

一般在整車的前期設計階段，就需要考慮插接器的防水性能。位于駕駛室或者整個車廂內(nèi)的插接器，不需要有防水要求；所有駕駛室外的插接器，都應使用防水端子或護套。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套的內(nèi)圓孔徑尺寸形成過盈配合，過盈配合量應控制在0.4 ～ 1.0 mm 比較合適。

1.2 管線布置設計

汽車線束系統(tǒng)的管線布置設計，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，應盡量遠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)的管線布置設計，要優(yōu)先考慮如下幾點。

（1）線束接點或者接插接器應盡量布置在干區(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處理。

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

1.3 搭鐵點防護

汽車線束系統(tǒng)的水管理，搭鐵點防護是非常重要的一部分。在國內(nèi)的汽車行業(yè)，整車大多采用負極搭鐵設計。蓄電池負極與車體相連，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)動機等金屬殼體作為整車負極的共用導線。線束回路導線通過壓接端子的形式，與金屬外殼體直接連接，這樣的連接點就被稱為搭鐵點[4]。線束的搭鐵回路線一般選擇黑色，搭鐵點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)搭鐵點安裝位置的選擇，應避免強飛濺和積水區(qū)域。搭鐵點本身要進行熱縮保護，不能直接裸露在積水濕區(qū)。如果線束搭鐵點保護不當或直接暴露在空氣中，會造成線束接點處銅絲發(fā)黑或者接點進水，影響電導通，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)，受水滴影響的風險較小。因此，搭鐵點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)的搭鐵點則要增加灌膠熱縮管或丁基膠進行熱縮保護，才能達到濕區(qū)的密封防水的效果。

2 汽車線束系統(tǒng)水管理的應用

2.1 插接器的選型應用

整車插接器在工作時因接觸電阻會產(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壓差。如果整個線路密封不良，空氣中的水氣會沿著導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有效，即汽車線束系統(tǒng)中同時存在多個換擋信號指令，導致整車換擋運算邏輯混亂而無法正常掛擋。問題分析團隊通過排查電路原理，查找故障點發(fā)現(xiàn)，整車線束的X204 插接器進水，其內(nèi)部的端子生銹腐蝕，導致控制換擋信號的多個回路線之間相互竄電。

團隊成員繼續(xù)查找問題，剖開尾燈到X204 插接器之間的導線絕緣膠皮，發(fā)現(xiàn)導線的銅絲間存在水滴殘留，且銅絲氧化發(fā)黑，因此鎖定了進水路徑（圖3）。原來是尾燈處的水滴通過導線股絲虹吸進入到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。

問題原因鎖定后，通過更改尾燈的線束插接器型號，增加防水密封性。同時把X204 插接器由自密封防水結構改為非防水和防護膠帽結構，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)的走向應該順暢、無扭曲，插接器、搭鐵點應盡量避開高濕區(qū)。在任何可能的滴水區(qū)域，線束接插接器和搭鐵點都要有防水措施，避免積水腐蝕。

在某車型的發(fā)動機艙線束總成上，有一段穿過鈑金孔的線束主干（圖4）。初始的設計按照方案一布線，結果淋雨試驗后發(fā)現(xiàn)駕駛室內(nèi)有進水痕跡。檢查發(fā)現(xiàn)鈑金孔的膠塞位于低谷位置，水流會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，當無法承受時，水流會沿著線束回路線進入到乘員艙內(nèi)部。

問題分析團隊經(jīng)過分析和試驗后，優(yōu)化管線布置，按照方案二進行布線后，解決了駕駛室進水問題。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，出水點位于線束主干的滴水環(huán)最低位置處。當水滴沿著線束主干流動時，就會在滴水環(huán)最低出水點處被排出，不會流動到橡膠套環(huán)位置，大大降低了水滴流入到車身內(nèi)側的風險。

除了采用方案二的布線方式增設滴水環(huán)外，團隊還采取了鞏固措施，在橡膠件安裝位置適當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，進一步加固了防水和密封效果。

2.3 搭鐵點防護運用及案例

線束搭鐵點與車身件的連接穩(wěn)固可靠，確保了電流信號的穩(wěn)定傳輸。搭鐵點防護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。

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)部進水，出現(xiàn)了回路線短接故障。該車型ESC 控制單元的搭鐵點搭接在左前大梁上，離地高度約400.0 mm，在涉水線高度附近。當雨天工況行駛時，雨滴會流過固定雨刮安裝板和上安裝飾板的縫隙，進入到發(fā)動機艙內(nèi)部，最終滴落到車輛線束ESC 控制單元分支線束的搭鐵點表面。再加上道路面水滴飛濺，ESC 分支線束的搭鐵點處產(chǎn)生大量積水。這些積水沿著搭鐵點分支流入到ESC控制單元插接器內(nèi)部，造成進水短路故障。

問題分析團隊更改了ESC 控制單元搭鐵點的安裝位置，離地高度由原來的400.0 mm 提高到600.0 mm，同時遠離高濕區(qū)，徹底解決了ESC 控制單元插接器進水短路故障（圖5）。

因此，搭鐵點防護應當慎重選擇安裝位置，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。搭鐵端子表面的包覆保護，在汽車線束的制造過程中要重點考慮和關注。QC/T 29106-2014《汽車電線束技術條件》中有明確要求，對于熱縮管包覆的搭鐵端子，熱縮管應緊密套在連接部位，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。熱縮管保護線纜絕緣皮的長度應在10.0 ～ 30.0 mm。下對于有質(zhì)量缺陷的搭鐵端子要提前預防和避免（圖6）。

3 結束語

汽車線束系統(tǒng)的水管理設計是一項非常復雜和重要的工程，要兼顧插接器的匹配選型、整車管線布置以及搭鐵點防護等多個方面。同時，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)境和用戶駕駛習慣等多個因素，選擇最優(yōu)的水管理方案。