汽车线束避免虹吸的设计与选型

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汽车线束作为汽车的神经网络,起到电源分配和信号传递的作用,对汽车的安全驾驶至关重要。线束虹吸进水是汽车线束不易察觉的一种故障模式,因此在线束设计过程中对易产生虹吸的细节进行处理,提升插件防水性能和导线密封性能尤为重要。

本文线束工程师之家网以某车型汽车线束舱内防水接插件进水故障为例,采用鱼骨图的方式找出其舱内插件进水的原因。从线束布置、防水接插件的选用及防水要求、合点布置要求及密封处理3个层面讲述如何防止虹吸现象,为线束防虹吸设计提供参考。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/avoid-siphonation-of-design-and-selection-of-automotive-wire-harnesses/

01
虹吸进水失效案例分析

1.1 案例描述文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/avoid-siphonation-of-design-and-selection-of-automotive-wire-harnesses/

汽车间歇性无法挂倒挡问题严重影响汽车的正常使用。某车型舱内主线与底盘线对接防水接插件进水,导致12V电源线串电至5V换挡信号线,是造成该车型间歇性无法挂挡的主要原因。舱内对接插件有明显水珠,端子腐蚀产生铜绿,如图1红框所示。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/avoid-siphonation-of-design-and-selection-of-automotive-wire-harnesses/

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1.2 插件进水原因分析文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/avoid-siphonation-of-design-and-selection-of-automotive-wire-harnesses/

技术人员通过鱼骨图(图2) 分析,检查了线束零件来料情况,排除了线束运输及装配过程进水的可能性。同时排查故障车舱内进水情况,未发现舱内地毯饰板等处有水渍及进水的痕迹。最终通过理论分析及实验验证锁定了舱内防水插件进水的途径:虹吸进水。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/avoid-siphonation-of-design-and-selection-of-automotive-wire-harnesses/

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解剖主线与底盘线束对接插件后发现,线束导线之间干燥洁净,无进水痕迹。继续把接插件后面这段导线剥皮,发现铜丝发黑,有进水的迹象。解剖完底盘线束所有导线,沿着导线铜丝发黑路径追踪,发现并不是接插件内所有导线都有进水的痕迹,而是只有部分导线进水,铜丝发黑。这些导线分别对应舱外左右后组合灯的转向、制动及位置信号线。于是怀疑左右后组合灯防水接插件因密封不合格进水,水通过导线多股线芯之间的间隙,在左右后组合灯同防水接插件的高度差和舱内防水接插件内触点发热冷却后的温度变化引起的压差作用下(虹吸现象的机理) 渗透到导线内部,继而渗透到主线与底盘线束对接处的接插件,如图3所示。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/avoid-siphonation-of-design-and-selection-of-automotive-wire-harnesses/

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为证实这种猜测,主线与底盘线束接插件吹干后,将其与左右后组合灯相关线路挑出,放到一个新增加的防水接插件上单独密封,同时原车接插件用盲堵密封相应的后组合灯孔位。整车淋雨10min后,开暖气30min,放置一晚后,发现原车主线与底盘对接插件无水,新增的防水接插件后组合灯导线进水,遇测水试剂变红(橙色试剂遇水变红)。这说明舱外组合灯接插件进水后,水在高度差和内外压差的作用下虹吸进入到防水接插件内,导致其积水。为了证实舱内选用防水接插件会加速虹吸现象,将进水的相关回路分别调出到防水接插件和非防水接插件上,在相同条件下和相同时间内观察其进水量,发现防水接插件内进水量显著,非防水接插件内几乎无进水现象。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/avoid-siphonation-of-design-and-selection-of-automotive-wire-harnesses/

02
防虹吸现象的设计与选型

汽车线束作为汽车的神经网络,对用电器功能的实现起到举足轻重的作用。如上述案例中舱外接插件密封不到位及舱内接插件选型不合理,导致虹吸进水后直接影响电器性能,成为汽车安全驾驶中的不可控因素,因此对线束中易产生虹吸的细节进行处理尤为重要。下文从线束布置、防水接插件的选用及防水要求、合点布置要求及密封处理3个方面讲述如何在线束设计前期对易产生虹吸现象的细节进行处理,防止进水后虹吸。

2.1 线束布置

线束设计时,线束的三维布置应考虑其走向布置对防水性能的影响,在走向上切断虹吸进水的路径。首先搭铁点、接插件位置尽可能布置在干区或非水流区域。其次整车搭铁是防水较薄弱的环节,水容易从其渗入电器系统,需使防水电器接插件安装点高于搭铁点,且线束搭铁安装方向朝下,这样就能利用安装位置的优势,有效防止搭铁进水后在大气压差及液压差的作用下虹吸进水,水流入防水接插件内影响电器性能。同时湿区接插件的安装朝向也需向下或水平布置,避免接插件朝上导致尾部蓄水。其次在湿区导线合点及搭铁点等位置使用热缩管时,线束布置方式也有一定的要求,均建议采用垂直布置方式,以防止热缩管内积水,影响其电气性能。

线束在干湿区之间的钣金过孔时一般会采用橡胶件密封。此处线束的布置方式及走向需防止进水,从根源上切断虹吸进水路径也尤为重要。一是根据水往低处走的原理,干区的线束需高于湿区的线束,以防湿区的水进入干区后虹吸。对于车门橡胶件之类的双头橡胶件,则需要静态侧的垫圈孔高于动态侧的垫圈孔,且对中心点高度偏移量也有一定的要求,防止水进入干区,从而在根源上防止虹吸进水。二是为了防止出现虹吸现象,干区的线束靠近橡胶件的区域有一段采用稀绕或者不使用包裹物,并选用不吸水的包裹物,比如PVC。

2.2 防水接插件的选用及防水要求

整车可分为湿区和干区两部分,一般驾驶舱、行李舱为干区,而被水淋到的前舱及后保等为湿区。由于密封的影响,防水型接插件工作时会在接触点产生热量,导致温升,一般认为防水接插件的工作温度等于环境温度与接点温升之和。

因此线束回路上不能将防水型接插件放置在舱内干区,非防水型接插件放在湿区或水流路径上。防止线束进水后在大气压差及液压差的作用下发生虹吸进水,水流进入到舱内接插件内影响电气性能甚至影响整车安全行驶。

如舱内接插件不可避免存在漏水风险,可采用非防水接插件加防水胶套的方式来达到防水目的,如图4所示。

图 4  非防水接插件+防水胶套的防水方式

汽车湿区接插件在选型时一般需选用防护等级为IPX7及以上的防水型接插件。线径的选择应在接插件允许范围内。同时防水接插件需配备密封垫、防水栓及盲栓,密封垫可以保证线束接插件与用电器接插件之间的密封;防水栓用于端子压接时将其压在导线绝缘皮外,防止水从接插件孔位渗入;盲堵则是对接插件的空余孔位进行密封防水。

2.3 合点布置要求及密封处理

合点应尽可能布置在干区或者非水流路径上。由于电器模块工作前后存在温差,温度升高后下降导致内部压力减小,布置在湿区非水流路径上的合点若密封不到位,水从此处渗入线束中,在压差作用下顺着多股铜导线间的间隙渗入舱外低洼处防水型密封接插件内,引起电器模块故障。应对此虹吸现象,除湿区使用防水接插件外,对合点进行密封也尤为重要,最常用的方式是使用双臂热缩管进行密封。

双臂热缩管,外层采用优质、柔软的交联聚烯烃材料,内层则为热熔胶复合加工而成。外层材料具有绝缘、防腐和耐磨等优点,内层具有低熔点、防水、密封和高粘接性等优点。其耐压等级600V,防火等级VW-1,收缩比例有2 ∶ 1、3 ∶ 1、4 ∶ 1,收缩温度70~125℃,工作温度-45℃±125℃。

热缩管在工作时,高分子材料随着温度由低到高经历玻璃态到高弹态,玻璃态时性能接近塑料,而高弹态时性能接近橡胶。生产时,将热缩管加热到高弹态,并对其施加一定的载荷使其扩张后快速冷却,使其进入到玻璃态稳固。应用时再次加热,热缩管恢复为高弹态,在没有外加载荷时,迅速回缩,冷却后进入到玻璃态固定,从而起到绝缘密封的作用。

对于双臂热缩管密封过的合点,必须保证两端有溢出的胶且合点处应位于热缩管中间位置进行烘烤密封以确保其防水性能,不允许在烘烤热缩管的过程中出现线皮被烤化、热缩管被刺破露铜丝的现象,如图5所示。

03
 结   论

本文结合某车型虹吸进水案例,提出从线束布置、防水接插件的选用及防水要求和合点布置要求及密封处理3个方面对线束防虹吸的细节进行处理。为今后汽车线束防虹吸设计及接插件进水故障排查提供了参考方向。

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