乘用車車身水管理設計綜述

李仲奎 樊樹軍 徐澤彬 陳禮杰

（東風汽車公司技術中心，武漢 430058）

主題詞：乘用車車身 水管理 密封 試驗驗證

0 引言

汽車的密封防水性能對于駕乘體驗和車輛質量有重要影響，一輛優秀的汽車不僅需要具備高質量的車身強度和動力性能，還需要具備出色的防水能力。車身如果防水性能不好，水便會沿著車身間隙進入車身內部，輕則影響駕乘體驗，重則水分滯留，持續并多次進水以后，車身容易出現鈑金腐蝕現象，或影響動力系統和電氣系統，構成安全風險[1]。近年來隨著汽車電動化、智能化、網聯化的快速發展，車身上安裝的電子元器件愈來愈多，防水對于新車型開發顯得尤為重要。

GB/T 18384.3——2015《電動汽車安全要求第3 部分：人員觸電防護》[2]在“防水”章節里對模擬清洗、模擬暴雨、模擬涉水都做了具體的要求。在國標之外，地方也有相關的涉水標準，并且更為嚴格，比如上海的《電動乘用車運行安全和維護保障技術規范》(DB 31/T634——2012)[3]，北京的《北京市示范應用新能源小客車生產企業及產品審核備案管理細則》[4]。試驗過程中除了考核對動力系統絕緣電阻值，相應的車身內部不允許進水或允許極少量進水也應該作為一項評價指標。因此，如何做好車身水管理工作是一個值得探討的課題，本文基于此開展乘用車車身水管理研究，以期提升乘用車車身的正向開發能力。

1 車身水管理概述

車身水管理主要包括2部分內容：（1）防止車外的水流進車內，（2）限定車外的水沿著預定的路線流走，避免車體結構隱蔽處積水。

1.1 車身干濕區定義及密封面

降落的雨水、洗車的噴灑水、低洼路面的積水，以及其它車輛駛過低洼路面引起的積水飛濺都會造成車身接觸水。乘用車車身上的不同部位根據功能要求和是否易接觸水可分為干區和濕區，干區為乘員艙、行李箱等不易接觸水和不易被水浸泡的區域，濕區為乘員艙、行李箱的外部易接觸水或易被水浸泡的區域。由于乘用車的乘員艙和行李箱之間只是通過后座椅靠背和后隔板隔開，因此乘員艙、行李箱一并可以稱之為車身內部。圖1(a)是乘用車的整車，圖1(b)是其乘員艙和行李箱。

圖1 乘用車整車及車身內部

進一步地，車身殼體的不同部位多由腔體構成，對于密封來說，一層板也就夠了，采用雙層密封勢必造成成本的增加；對于不同部位的腔體，是采用腔體的內板作為密封面，還是采用腔體外板作為密封面也是有講究的。一般情況下，側圍腔體在A、B、C 柱底端的膨脹片以上區域都是采用側圍外板作為密封面的，門檻梁腔體都是采用門檻梁內板作為密封面的，后圍腔體推薦采用后圍外板作為密封面，車門腔體都是采用車門內板貼防水膜作為密封面的[5]，行李箱蓋腔體也是采用行李箱蓋內板作為密封面的。在密封面的外側實際上都是濕區，例如：門檻梁腔體是屬于濕區。

1.2 車身濕區的水管理

車身濕區（即車身外部）的水管理，主要分為2 部分：（1）導水設計，（2）排水設計。

（1）導水設計

導水設計主要體現在車身外側開閉件周邊流水槽的設計，及擋水板的設計，讓水流沿著既定的路線流走。在流水線路附近盡量不開設孔洞，避免孔洞密封不到位，造成水沿孔洞流入車內。圖2 是2 廂車背門側邊流水槽設計，虛線箭頭是水流方向示意。

圖2 背門周邊流水槽

圖3 是側圍后部加油口蓋周邊的水流路線，在導水設計上需考慮避免積水，更要考慮避免水流到車身內部。

圖3 加油口蓋周邊流水路線

（2）排水設計

在車身上水流容易到達的凹洼部位，要設計排水孔或排水通道，避免積水。例如，在前圍上腔體的2側要開設排水口，因前風窗向下流的雨水量很大，排水孔也要夠大，并且盡量開設在前艙2側翼子板內板側壁上。若該位置排水孔開設在低洼區底部，容易造成車輪飛濺的泥水倒灌，即在前翼子板內板側壁上設置排水孔（圖4）。

圖4 前圍上腔體的排水孔

導水、排水的目的在于讓水在車身上沿著既定的路線流走，且能盡快流走，避免水進入車身內部，也避免水在車身外部滯留，或車外梁內滯留，否則對車身防腐不利。

1.3 車身水管理的難點

理論上，車身內部應是一個密閉的空間，能隔音、防水。但是若考慮到汽車零部件的具體功能需求、性能要求，以及制造工藝水平等實際情況，車身內部很難達到一個真正意義上的密閉空間。防止外界的水流入車身內部是車身水管理的重點和難點。與車身濕區的水管理相比，車身干區的水管理要復雜得多，下文主要圍繞車身干區的防水問題進行探討。

2 車身內部進水的途徑分類

水流入乘用車車身內部（乘員艙、行李箱）的途徑種類是多種多樣的，但是總結起來主要可以分為以下6種類型：

（1）車身密封面上通過孔；

（2）密封面上線束、管路、護板卡扣孔；

（3）密封面上防轉限位孔；

（4）密封面上螺母孔、螺栓孔；

（5）密封面上工藝孔；

（6）密封面上焊縫孔。

2.1 車身密封面上通過孔

車身內外相隔的密封面上不可避免地要布置一些通過孔，例如轉向軸過孔、換擋器過孔、制動器過孔、駐車制動拉索過孔、空調管路孔、線束過孔、電纜過孔、油箱檢修口、動力電池箱檢修口等。這些孔處于涉水線以下[6]，若密封措施不到位，都易成為進水的風險點。

2.2 密封面上線束、管路、護板卡扣孔

車身前后地板面、中通道、后圍板、前圍擋板、門檻梁內板上通常要布置一些線束、管路或新能源汽車的電纜，其固定結構多采用卡扣卡孔的方式。此外，門檻梁內板上護板安裝也多采用卡扣孔固定。若卡扣不帶有密封結構，極易造成卡扣孔處漏水。故此，車身內外相隔的密封面上的卡扣孔也是艙內進水的一大隱患。

2.3 密封面上防轉限位孔

隨著電子技術的發展，乘用車上安裝的電器件越來越多，很多電器件在車身上都需要搭鐵點。搭鐵點的固定方式一般采用螺栓、螺母固定，為防止搭鐵接頭點隨擰緊螺栓轉動，多采用在搭鐵點旁邊設置防轉孔，用卡鉤卡孔達到防轉的目的。若是搭鐵點位于密封面上，其與卡鉤匹配的孔就極易進水。類似這種防轉限位的方式，駕駛員側及副駕駛員側的安全帶下固定點也往往采用，若這種安全帶下固定點布置在門檻梁內板上就成了進水的通道。

2.4 密封面上螺母孔、螺栓孔

車身地板面、中通道、邊縱梁內板、前圍板、后圍板上有時焊接螺母或采用螺栓連接，因螺母多為凸點焊，部分螺栓也為凸點焊，很容易造成螺母、螺栓與密封面鈑金間有縫隙，致使存在漏水的可能。此外，螺母、螺栓有時先焊接在加強板上，加強板再與密封面鈑金焊接，由于貼合焊接的2層板之間也存在縫隙，因此加強板與密封面鈑金之間也可能進水。

2.5 密封面上工藝孔

為了滿足焊裝、涂裝、總裝的工藝可行性，車身鈑金上通常要設置一些工藝孔，包括焊接定位孔、焊接通過孔、涂裝排液孔、排氣孔、防電磁屏蔽孔、總裝通過孔等。這些工藝孔在使用之后都需要進行封堵，杜絕車身工藝孔進水的風險。

2.6 密封面上焊縫孔

由于乘用車車身是由眾多鈑金件焊接而成，鈑金件與鈑金件搭接的地方都會有縫隙，多數區域都可以在涂裝階段涂抹焊縫密封膠進行密封。少量區域，或被附近的零件遮擋，或處于隱蔽區域，很難通過涂裝焊縫膠實現密封。對此，往往采用點焊密封膠在焊裝階段對局部區域進行提前密封。但是，涂抹點焊密封膠對操作有較高要求，處于站立焊接的鈑金豎直面上較難粘附膠，膠很易掉落，影響密封質量。此外，涂抹點焊密封膠影響生產節拍，增加設備投資和增加單車成本。因此車門止口、行李箱門止口以及側圍前端與前圍2側邊焊接的地方也易成為進水風險點。

3 水管理的解決方案

3.1 車身密封面上通過孔的密封

車身密封面上通過孔的密封很重要，一旦密封不嚴實就會有大量的水進入車內。各種通過孔的密封分析如下：

⑴轉向軸過孔的密封

一般是通過擠壓橡膠護套進行密封的。由于轉向軸護套與車身之間靠彈性擠壓進行密封，但是車輪跳動及轉向變形易帶動轉向器跟隨有微量振動，進而導致有水沿著轉向軸護套與車身鈑金之間通過轉向軸過孔進入艙內。圖5是轉向軸護套與車身上安裝通過孔的配合結構。圖6 是轉向軸護套的密封改進結構，由平面貼合改為帶有擋水紋路的結構，以增加密封性。

圖5 轉向軸護套與車身

圖6 轉向軸護套的改進

⑵換擋器過孔的密封

早期的車型，換擋器在車身中通道上安裝處設置有對應的過孔，是通過螺栓連接壓緊橡膠墊密封的。在換擋器與鈑金貼合之間一般設置有密封墊圈，當進行換擋器安裝時，螺栓、螺母匹配擰緊后密封墊壓緊可達到密封效果。采用類似的密封結構還有制動器過孔。另外有些車型換擋器的安裝位置不設置過孔，而是在換擋拉索穿過鈑金的位置設置過孔，密封原理類似，通過螺栓固定，壓緊護套蓋進行密封，見圖7。密封護套蓋的周邊設置鋸齒形斷面結構，以此提升密封效果。

圖7 換擋器拉索密封結構

（3）空調管路孔的密封

空調管路過孔主要是前圍上的孔，前圍內側是空調箱體，在管路過孔的周邊靠近空調箱體側設置密封墊，采用擠壓貼合密封。圖8是空調管路穿過車身前圍板的密封結構，在空調箱體端設置有橡膠密封墊，借助與前圍板的擠壓進行密封，圖8中橡膠墊是壓縮前的松弛狀態。

圖8 空調管路過孔的密封

（4）線束過孔的密封

線束過孔的密封多是通過護套卡接孔口密封的，采用類似的密封結構還有電纜過孔、駐車拉索過孔等。與換擋器拉索過孔的密封結構不同的是線束護套是直接卡接到孔口上的，不需要用螺栓固定到鈑金上（圖9）。需要注意的是，護套與孔的尺寸要匹配，避免安裝不到位或安裝松動的情況，切實做到密封防水的效果。

圖9 線束過孔密封護套結構

（5）動力電池箱檢修口的密封

對于車身上很少使用的檢修孔，如油箱檢修孔、高壓電池檢修孔，在設計安裝堵蓋密封時需要考慮密封性能。圖10 是高壓電池檢修孔增加密封墊和增加固定螺栓來提升密封性能的實例。更改前涉水試驗是進水的，更改后可達到完全密封的效果，密封墊實現鈑金與鈑金之間的無縫隙。

圖10 電池箱檢修口密封性改進

綜上，車身密封面上設置的通過孔需做好密封設計，密封結構因具體的零部件結構而不同，但是都需要達到密封的效果。

3.2 密封面上線束、護板、管路卡扣孔的密封

車身密封面上的卡扣孔，包括線束卡扣孔、護板卡扣孔、電纜卡扣孔需要自帶密封結構。門檻梁內板上一般布置有門檻護板卡扣孔、座艙線束卡扣孔，若卡扣不自帶密封結構就會存在進水的風險。圖11是左前門護板總成安裝結構，是由3個卡扣固定，卡扣不具有密封功能，因此車輛進入深水區后緊急制動，門檻梁內腔里的水可能會流入車身內部。

圖11 左前門檻護板安裝結構

若要解決門檻梁內板上的卡扣孔進水問題，只要將卡扣改為自帶密封結構，或者取消卡扣卡孔，采用其它的固定結構代替就行了。圖12 是某車型門檻護板、座艙線束在門檻梁內板上的固定結構。門檻梁內板上無門檻護板卡扣孔，取而代之的是門檻護板卡夾先卡在門止口上，再將門檻護板卡在卡夾上固定。線束卡扣增加橡膠密封墊實現密封，而不是采用純粹的塑料卡扣。純塑料卡扣很難達到密封的效果。

圖12 某車型門檻梁內板的密封

此外，制動管路在車身密封面上固定若采用卡扣卡孔的方式，也極易進水。圖13是涉水試驗中某車型后地板處制動管路卡扣孔處涌入水的情況。尤其是車輛在深水區后退時極易進水。

圖13 制動管路卡口處進水

為了解決圖13所示的進水問題，將制動管路卡扣卡孔固定改為卡扣卡螺柱固定，無開孔，自然就不會進水。圖14是制動管路固定結構更改前后對比圖。

圖14 制動管路固定結構改善

3.3 密封面上防轉限位孔的密封

電器件在車身上的搭鐵點、約束系統的安全帶下固定點，通常由一個螺栓固定。為防止擰緊螺栓時被固定端跟著轉動，一般通過卡鉤插入防轉孔中限位。其防轉孔若是位于車身密封面上，就容易發生進水，并且進水量很大，如水柱般涌入。搭鐵點防轉孔結構見圖15，固定點旁邊設置有防轉孔和防轉卡鉤，該位置是在門檻梁內板上。駕駛員側安全帶下固定點防轉結構見圖16，固定點旁邊設置有防轉孔和防轉卡鉤，該位置也是在門檻梁內板上。

圖16 安全帶下固定點防轉結構

對于防轉卡鉤配合防轉孔的結構，其孔等同于敞開的，不具有密封性，極易進水。故此，車身密封面上嚴禁開設防轉孔，必須防轉的地方需采用其它無孔的防轉結構替代。

3.4 密封面上螺母孔、螺栓孔的密封

車身密封面上也不可避免地會焊接螺母或螺栓，其中，常見的凸點焊螺母、凸點焊螺栓，及圓嶺焊螺栓結構見圖17 所示。可以看出凸點焊螺母、凸點焊螺栓與鈑金焊接之后，僅凸點位置溶化，其余部分非溶化，就會存在縫隙，而圖17(c)圓嶺焊螺栓焊接之后整個周圈溶化，可達到螺栓與鈑金之間密封的效果，因此在密封要求高的地方盡量選擇周圈溶化焊接的標準件。此外零件安裝固定之后螺栓與螺母的螺紋處也存在微量縫隙，也有進水的風險。對此，對密封要求比較高的地方，可以在螺紋處涂抹密封蠟提升密封性能。

圖17 螺母、螺栓結構

對于部分固定點強度要求較高的地方，一般螺母要先焊接在螺母板上，在通過螺母板焊接到車身密封面上。對固定點強度要求極高的地方，也有將螺母板先焊接加強板上，再將加強板焊接到車身密封面上。例如，后排安全帶下固定點結構，見圖18。受到零件制造工藝水平的限制，零件表面不可能極度平整和光滑，因此在螺母板與加強板之間、加強板與后地板之間也會存在微量間隙。一般情況下該位置處也不會進水，但是當車輛在深水區浸泡之后行駛就會存在進水的風險。對于密封要求較高的地方，可以在板與板之間增加點焊密封膠定義來改善密封效果。

圖18 安全帶固定點加強結構

對于標準件、螺母板引起的進水，由于進水量很小，可根據實際情況進行改善，在密封要求不高，并且帶來成本增加的地方可以不做處理。

3.5 密封面上工藝孔的密封

車身密封面上的焊接定位孔、焊接通過孔、涂裝排液孔、排氣孔、防電磁屏蔽孔、總裝通過孔等，這些工藝孔的密封措施一般依據具體區域來定。圖19 是車身乘員艙、行李箱的下半部結構。對于受水沖擊比較大的車身前后地板上的工藝孔，因環境較為惡劣，一般選用熱熔型塑料堵蓋進行封堵；對于前圍板、后圍板上的工藝孔，由于受到動力總成及動力總成下護板、后保的遮擋，環境相對較好，一般選用橡膠堵蓋或普通塑料堵蓋進行密封；對于側壁的工藝孔，由于所處環境相對最好，一般選用粘貼堵片進行密封。

圖19 車身艙下部

對于地板上總裝工藝需要使用的通過孔，見圖20，安裝扭力桿縱擺臂式半獨立懸架，該工藝孔就不能選用熱熔型塑料堵蓋進行封堵，由于所處位置較高，可選用可拆卸的塑料堵蓋或橡膠堵蓋。此外，類似的工藝孔有非承載式車身懸置點安裝工藝孔，盡管在地板上，也不能用熱熔型塑料堵蓋，只能選用可拆卸式堵蓋。

圖20 總裝工藝孔

3.6 密封面上焊縫孔的密封

常見的鈑金搭接結構見圖21，涂抹焊縫密封膠也比較容易，除非個別區域被遮擋，無操作空間，造成無法涂抹焊縫密封膠進行密封的狀況。可考慮增加點焊密封膠進行密封。

圖21 常見的搭接結構

對于圖22(a)所示的腔體結構，由上邊沿、下邊沿焊接構成的閉合結構，該結構很難涂抹焊縫密封膠密封。由于焊接面處于豎立狀態，涂膠很容易滑落，致使也很難涂抹點焊密封膠密封。此外，若腔體的里外板鈑金有一處分塊焊接時，該腔體上下邊沿的水平斷面結構如圖22(b)所示，就會有接頭縫隙。對此，較好的解決方案是盡量將搭接面設計成平面，盡量減少分塊，或者將分塊接頭設置在不影響密封的地方。

圖22 腔體搭接結構

4 試驗驗證

將上述各類進水途徑的解析應用到實車設計上，并進行充分分析，查漏補缺，找到所有可能進水的途徑，再將前文描述中各類解決方案應用到實車密封防水上，確保從理論上分析無進水的風險。之后仍要做模擬沖洗、模擬暴雨、模擬涉水來驗證車輛具體的防水性能，見圖23、圖24、圖25。直到所有與防水相關的試驗都滿足要求，才算真正做到車輛有較優的防水性能。

圖23 淋雨試驗

圖24 沖洗試驗

圖25 涉水試驗

5 結束語

車身水管理是個龐大的課題，可分為車身外部濕區的水管理和車身內部干區的水管理。車身外部濕區的水管理包含車身外飾件、機構件、開閉件，以及車身外部結構件等的水管理，文中主要探討了車身外部結構件的導水、排水設計。車身內部干區的水管理，主要是探討車身外界的水進入車身內部的各類途徑，包含車身密封面上各種功能件的通過孔、卡扣孔、防轉限位孔、標準件孔、工藝孔、焊縫孔等，只要將這些進水途徑的密封措施做到位就基本上能解決車身內部進水的問題。哪怕經歷再嚴苛的淋雨、沖洗、涉水試驗，也能保證車身乘員艙、行李箱不進水的效果。進一步的導水、排水設計也能提升車身的防腐性能。