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        汽車線束系統(tǒng)的水管理設(shè)計及應用案例

        2022-05-30 16:04:46張鶴馮禮志
        汽車與駕駛維修(維修版) 2022年11期

        張鶴 馮禮志

        關(guān)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(luò)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(shè)計缺陷進行分析,說明線束系統(tǒng)水管理設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)計

        汽車線束系統(tǒng)的管線布置設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)改為非防水和防護膠帽結(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(shè)計按照方案一布線,結(jié)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(cè)的風險。

        除了采用方案二的布線方式增設(shè)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(guān)注。QC/T 29106-2014《汽車電線束技術(shù)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(jié)束語

        汽車線束系統(tǒng)的水管理設(shè)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。

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