10.16638/jki.1671-7988.2021.05.025
轿车行李箱水管理及防水设计
周星栋，冯方智
（上汽大众汽车有限公司，上海201805）
摘要：文章结合具体典型问题，详细阐释了轿车行李箱盖水管理及相关防水设计。结构开发设计、CAE仿真模拟和防水测试实验结合，不仅阐释了各类水问题和排水的渠道，也提供了典型的漏水问题以及相应的解决方案。为行李箱盖漏水问题提供了解决的思路和设计参考。
关键词：行李箱；水管理；CAE；漏水；密封条
中图分类号：U469.11 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)05-86-06
Water management and waterproof design of the trunk of the sedan
三厢车Zhou Xingdong, Feng Fangzhi
( SAIC V olkswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805 )
Abstract: Based on the specific typical problems, the paper explains in detail the water management and related waterproof design of the trunk of the sedan. The combination of structural development design, CAE simulation and waterproof test experiment not only explains kinds of water problems and drainage channels, but also provides typical leakage problems and corresponding solutions. It provides the idea and design reference to solve the problem of trunk leakage.
Keywords: Trunk; Water management; CAE; Leakage; Seal
CLC NO.: U469.11 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)05-86-06
引言
轿车又称为三厢车，由发动机舱、乘员舱、行李箱三部分组成。行李箱基本位于轿车车身的后部，因此又俗称为后备箱。行李箱是轿车上独立存在的空间结构，与乘员舱之间刚性或者半刚性互相分隔。行李箱由车身后部钣金件、内饰件、行李箱盖钣金及内饰以及其他附件、行李箱灯等电器及线路零件等组成。
整车厂往往在行李箱里配备三角警示牌、医疗急救包、备胎、千斤顶、修车工具等，消费者在行李箱
中会装载私人的各种物品，为了各类物品以及电路免受水的侵蚀，行李箱内部需要完整的防水密封，轿车行李箱的水管理及防水设计尤为重要。
1 轿车行李箱干湿区
汽车干区一般是指不允许水进入的区域，如汽车乘员舱及行李箱等。水一旦不受限制地进入干区，会引起线路短路、钣金腐蚀、内饰异味等一系列质量问题，也会给客户带来巨大困扰。
汽车湿区一般是指可以允许水进入或者途经的区域，如汽车发动机舱、汽车外表面等。湿区的零件一般做好针对性的腐蚀防护措施，如PVC密封、油漆保护或者使用塑料零件等，水在进入汽车湿区后，并不会引起零件和功能的损坏，也不会影响客户的正常使用。
作者简介：周星栋，男，硕士研究生，2007年毕业于上海交通大学工程力学专业，现担任上汽大众汽车有限公司产品研发部车身研发前后盖设计经理；精通前后盖系统设计，擅长利用CAE计算和试验验证结合的方式解决各种车身工程问题。
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轿车行李箱的密封主要由整圈的密封条实现，密封条在行李箱盖关闭时，使得水被隔绝在密封条以外区域，在密封条以内形成了干区、密封条以外是湿区。
图1  轿车行李箱示意图
在车身上密封条以外的区域，也即湿区的零件在设计时必须考虑进水和腐蚀的风险：
（1）如果上面的孔可以通过某些渠道连通到干区，则该孔必须通过闷盖等方式封闭；
（2）如果有钣金切边裸露，必须通过涂层、油漆或者PVC 材料覆盖，避免钣金的腐蚀；
（3）如果有总装零件通过螺栓固定，必须考虑螺栓孔进水风险，在总装件上做好密封设计；
（4）如果需要线束接插或者通过，最好通过零件配合形成一个局部的小干区，并将接插件布置在局部的干区范围内。
2 水管理
2.1 遇水类型
汽车行李箱在使用过程中遇到的水包括自然降水、洗车、泼溅水等。
自然降水包括雨水、露水、化霜、化雪等。雨水又根据降水量可以分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨等。其中特大暴雨是指24小时内降雨量达到250mm 以上。沿海及南方地区是特大暴
雨的高发区，汽车防水必须按照特大暴雨或者更高的强度来设计。
常见的洗车方式包括大量水浇水洗车、高压冲洗、水管手动冲洗、自动洗车机清洗等形式，不同的洗车方式对位置的考验是不同，强度要求也不一致，比如高压冲洗将直接将压力施加到缝道周围及密封条上，自动洗车机需要对汽车进行长时间多次清洗。
汽车在使用中还会遇到泼溅水的情况，比如涉入路面较深的积水或被旁边车辆溅起的水等[1]。
不同类型的水对汽车密封的考验是不同的，设计时需要满足各种遇水的考验，测试时也需要针对不同类型水设计不同的测试项目和测试条件。 2.2 排水设计
为保证密封条以内的干区，以及降低对密封条的考验，要在湿区及时将水排出车外。汽车行李箱部位的水有几条典型排水途径如下：
（1）大部分水流通过侧围钣金旁边的流水槽从上部流到下部，最后从行李箱盖与后保蒙皮间的缝隙流出车外，如下图2的途径①。
（2）部分水从A 灯与车身钣金间的间隙流入内部，最后从车身钣金与后保间的间隙流出，如下图2途径②。
（3）后保蒙皮与密封条间预留一定的匹配间隙，水量过大来不及排出或者洗车水流直冲此处时，水流从此流入后保蒙皮内部，再流出车外，如下图2途径③。
图2  轿车行李箱排水途径
对于主排水途径①为了能及时地排出水流，流水槽要保证一定的宽度，一般要求在30mm 以上；对于途径③，由于外观匹配要求密封条与后保蒙皮间隙往往较小，由于水表面张力的原因，不利于水流排出，因此要在车身钣金上预留排水凹坑，如下图3。
图3  后尾板上排水凹坑
3 防水设计
3.1 密封条设计
密封条是行李箱盖防水密封的主要承担零件，密封条设计和制造的好坏往往决定了行李箱的密封水平。密封条的影响因素和出现的问题种类很多[2]，典型及细节的设计要求及问题如下。
（1）密封软泡截面形状
（a ）原始设计
（b ）更改后状态
图4  密封条自由和压缩截面
软泡的形状和各处料厚要进行充分的理论分析和样件的
汽车实用技术
88 试验验证。理想的软泡形状应该能够在行李箱盖钣金下压过程中提供尽量均匀的支撑力；行李箱盖
完全关闭后，密封条软泡被充分压缩时，此时，截面尽可能多的部分与行李箱盖钣金匹配，保证尽量宽的软泡与钣金相贴合。压缩状态下，软泡有向车外的趋势，可以抵挡高压水柱冲刷时的力，而不至于向车内“倒塌”，从而出现漏水问题[3]
。
值得指出的是，软泡形状的细微调整便可以得到差别巨大的压缩形态，下图是某款车型上因漏水问题调整软泡形状的实际例子。
（2）钣金止口
造成钣金止口处漏水的原因主要有切边长度、焊接质量、钣金角度的控制不足，导致止口处密封条内腔与钣金匹配不到位。[4]下图是某款车型钣金止口处质量不合格的例子。
（a ）存在焊渣              （b ）内层倒高
图5  钣金止口不合格示意图
常见措施是控制钣金质量，保证密封条与钣金的良好匹配效果，也可以在搭接处增加不干胶，保证密封条与钣金匹配的牢固性。
（a ）原始设计                  （b ）增加不干胶
图6  不干胶示意图
（3）密封条长度
图7  密封条安装褶皱
当密封条长度或者钣金止口长度控制不达标。密封条相对钣金止口过长或过短都会导致密封条最终安装不到位，而无法与行李箱盖钣金良好匹配而产生漏水风险。图7是密封条安装后出现褶皱而出现漏水风险的例子。
3.2 高压水流设计校核
高压冲洗洗车时，高压水流如果直接冲到密封条软泡上，将会对密封条施加巨大的压力。若密封条软泡在此作用下发生“倒塌”而脱离与钣金的压缩匹配状态，则面临很大的漏水风险。因此，在设计时要避免水流可以直冲密封条软泡的情况。
高风险区域主要集中在行李箱盖底部与后保蒙皮缝道区域以及顶部与后风窗匹配缝隙区域。
对于行李箱盖底部，可以通过更改缝道形式或者后保蒙皮上面的造型特征来避免水流直冲密封条软泡[5]。如图8左有很大的漏水风险，下图右则是较为安全的设计。
图8  行李箱底部冲水检查
对于行李箱盖顶部与后风窗缝隙区域，可以通过增加额外一道塑料件或者橡胶件的形式来抵挡直冲密封条的水流，如图9左有很大的漏水风险，下图右则是较为安全的设计。
图9  行李箱顶部冲水检查
3.3 残留水
在考虑行李箱盖关闭时的防水设计的同时，也需要考虑行李箱盖打开时的进水风险。
首先要保证行李箱打开过程中外轮廓在密封条范围以外，以保证行李箱盖表面残留水在打开过程中不会流入行李箱。如下图10所示，要保证行李箱盖打开过程中水流流到密封条以外。
图10  行李箱盖打开流水示意图
其次要考虑车身表面及后风挡表面残留水流入行李箱的风险。
下图11是某品牌车辆在行李箱盖打开时，后风挡玻璃表面残余水流流入行李箱的情况。
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图11  后风挡玻璃表面残留水流入行李箱
残留水从后风挡玻璃流下时，实际走势为抛物线形式，但为了设计方便以及更加安全，可以近似为后风挡玻璃的延长线。若密封条低于后风挡玻璃的延长线，则有较大的风险导致水流流入行李箱，如下图12所示。
图12  后风挡玻璃残留水校核
设计时必须保证密封条高于玻璃型面的延长线，如下图13左；或者在玻璃下端增加挡水条，如下图13右，（将残余水流导入两侧的流水槽通道，图2，途径①）
图13  后风挡玻璃残留水解决方案
4 水流模拟
4.1 无网格光滑粒子法
无网格光滑粒子法（Smoothed Particle Hydrodynamics ，SPH ）是处理流固耦合问题时的一类重要仿真方法。
无网格法不需要生成网格，它按照一些任意分布的离散粒子构造插值函数离散控制方程，进而模拟各种复杂形状的流场。系统状态由拥有场变量，如质量、位置的粒子点描述。对于每一个粒子，该点处的值由相邻粒子的值加权平均近似，粒子受控制方程控制演化，最终通过粒子运动分析系统运动。[6]
光滑粒子动力学离散的思路是：（1）核近似，用构造的核函数来近似狄拉克方程，得到近似积分；（2）粒子近似，将核近似所得的积分进一步近似为一系列相邻粒子的累计求和。[7]
连续函数可表述为：
（1） 其中x 和x '是两个自变量，Ω是积分域。 质量守恒可以表述为：
（2）
动量守恒可以表述为：
（3）
能量守恒可以表述为：
（4）
核近似可以表述为：
（5）
狄拉克函数作权函数时，函数值与积分结果完全相等；当核函数作权函数时，两者是近似关系。
通过泰勒展开可以估算核近似的误差：
（6）
其中Θ表示同阶无穷小。
粒子近似可将（5）离散成：
（7）
其中，m i 和ρi 为第i 点的质量和密度，并且体积V i =m i ⁄ρi 。 公式（7）表示，任一点处的函数值可以表达成支持域内所有粒子函数值的加权平均结果。 4.2 无网格流体计算法
无网格方法的基础是点的近似，因此可以完全或部分地消除网格，计算中无需划分和重构网格，不仅可以减少建模的人力时间也大大减小计算的难度，而且减少了操作人员对
求解的影响，相比于传统网格法具有更高的计算精度。[8]
FPM 软件只需要边界耦合节点处建立2D 单元来限定粒子边界。离散的粒子点被分成了边界和内部点两类。每个点与光滑长度h 范围内的点相连，如下图示意。通过近似在h 范围内的临近点上来求解。
图14  离散粒子无网格示意
光滑长度h 被附到一个点上，如下图所示，可以被定义为时间和空间的函数。互相连接性在每个周期会被重新计算，由于粒子间距离的变化，连接性可能与上个周期不同。
光滑长度h 选取较小时，由于支持域内粒子数目较少，没有足够多的粒子用于加权近似，往往导致精度偏低；但若h 选得太大，则支持域半径就越大，支持域内所含粒子越多，
计算量增大，而且由于核函数形状过于平缓，不能反映计算
粒子附近的局部信息，而局部特征的丢失，同样会影响计算精度。因此，光滑长度h 的大小不仅仅影响模拟精度，还决
汽车实用技术
90 定了计算量的大小。光滑长度h 需要根据研究对象的具体特点、要求的计算精度和计算能力的大小来具体确定。
图15  半径h 范围内粒子互相连接
4.3 无网格法在行李箱范围的应用场景
无网格法因其具有能够减少了流体域网格准备、对于复杂形状流体域特征能够进行自适应处理、解决传统有限元无法解决的大变形、大几何问题以及简化变量映射、快速求解流固耦合问题等优点，应用在多种场合。在轿车行李箱方面的应用，包括以下几个方面：
（1）模拟高压水流对车身附件的冲击
应用仿真的方法对车身附件进行高压水流模拟分析，可以得到附件的变形情况，与周围零件的配合情况以及作用力。若设置零件的公差，可以分析在尺寸恶劣情况下的附件受力情况。
如果分析对象是密封条，则可以得到密封条在水流作用下的变形和偏移情况，可以提前预判密封条的漏水风险。下图是玻璃挡水条在高压水流作用下的变形情况。
图16  玻璃挡水条在高压水流作用下的变形情况
（2）积水模拟
长时间雨淋或者大量水洗车时会造成积水风险。对易积水区域的局部模拟，可以得到积水情况，包括初始积水量、最终残留水量、进水途径、排水途径等。结合零件的性能，可以对该位置的腐蚀风险进行判断。对于不同的方案可以进行量化的对比。在设计时，规避后续腐蚀和进水的风险。
图17  积水模拟示意图
（3）模拟行李箱盖打开过程中行李箱盖中积水排水情况 对于行李箱盖中的残留水，可以模拟行李箱盖打开过程中的水流流出情况以及最终无法排出的残水量，如下图示意。
图18  行李箱盖打开过程中的排水情况模拟
对行李箱盖残留水在打开过程中滴落路线可以重点关注，以判断水流是否会流入行李箱干区范围，如下图示意。
图19  行李箱盖打开过程中水流路线示意图
5 防水测试
汽车厂家对出厂的产品车会进行各类防水测试，常见的有雨淋测试，洗车测试及路试。
雨淋测试是模拟自然界的降水，用以测试下雨天时行车及驻车工况下的车辆防水密封性能。雨淋测试又分为常规雨淋、长时间雨淋、高强度雨淋、极限雨淋、底板雨淋和负压雨淋。用以模拟汽车在自然界中遇到的强降水和超高强度及高于自然界强度的降水。[9]
洗车工况测试是模拟用户在各种洗车条件下的车辆防水密封性能。洗车测试包括浇水洗车、高压冲洗、水管冲洗、自动洗车机测试。覆盖了各种用户的洗车情况，检测在各类情况下是否会出现干区进水的问题。
道路测试包括高强度试验道路短距离测试和实际道路长距离测试。多类路面类型如各类颠簸路面等，试验道路上要进行多种行车操作如急加减速、倒车等，试验要在多类降水强度下进行。在各种道路环境下各种雨量环境下的实车道路测试。各种道路涵盖高速、乡路、坏路面如鹅卵石路、带坑路等，各种雨量包括小雨、连阴雨、阵雨、暴雨等。
下面是一些典型的测试类型 （1）常规雨淋
降水量往往超过自然界的特大暴雨降水，将自然界一天
的雨量集中短时间内施加到车辆上。并且对于车辆处于各种姿态时进行测试，如前倾、后倾、左倾、右倾、左前倾、右前倾、左后倾、右后倾，以及苛刻的颠簸路面时将各个轮胎分别抬高进行试验。以期模拟用户遇到的各种苛刻的雨天工况。试验实例如下图示意[10]。