于華舟
摘要:為縮減汽車前洗滌噴嘴的產(chǎn)品種類,提高產(chǎn)品互換性。本文對前洗滌噴嘴的通用化進(jìn)行研究。通過對噴嘴的噴射角度、噴射位置等關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析,得出可行性結(jié)論,并選型出噴嘴的通用化產(chǎn)品,以降低整車開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。
關(guān)鍵詞:前洗滌噴嘴;通用化;噴射角度;流體;雷諾數(shù);通用化選型
0 ?引言
前洗滌噴嘴是汽車風(fēng)窗玻璃的表面清洗設(shè)備,通過導(dǎo)管連接到洗滌罐中,利用水泵將洗滌罐中的洗滌液壓入噴嘴后,通過噴嘴口徑的縮小,形成強大的沖擊力,對汽車風(fēng)窗玻璃進(jìn)行清洗。近年來,平臺化、通用化開發(fā)已經(jīng)是各大整車企業(yè)降低研發(fā)成本,縮短開發(fā)周期的重要手段之一[1]。
1 ?現(xiàn)狀調(diào)查
通過對現(xiàn)有前洗滌噴嘴進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)所有車型的洗滌噴嘴均為直接噴射式噴嘴,通過銅球頭進(jìn)出口的截面變化,提高流體流速,實現(xiàn)噴射;噴射球頭均為四向可調(diào),能實現(xiàn)噴射方向在一定角度范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。噴嘴本體采用掛鉤簡易安裝式結(jié)構(gòu),直接按壓即可完成安裝。有些噴嘴的安裝底座還配備了橡膠墊片,提高了噴嘴的安裝穩(wěn)定性。但不同車型所使用的洗滌噴嘴在產(chǎn)品尺寸、噴頭結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)流量等方面均不盡相同,通用化需求較為強烈。前洗滌噴嘴按噴頭結(jié)構(gòu)分為柱狀噴嘴和扇形噴嘴兩類;扇形噴嘴通道大而流暢,減少了阻塞現(xiàn)象,且流體覆蓋性、均勻性較好,應(yīng)用越來越普及。按噴嘴安裝位置分為機艙蓋噴嘴和風(fēng)窗蓋板噴嘴,風(fēng)窗蓋板噴嘴屬于隱藏式噴嘴,整車美觀性較好,多應(yīng)用于發(fā)動機艙蓋造型面連續(xù)設(shè)計的車輛。
2 ?可行性分析
要實現(xiàn)前洗滌噴嘴通用的可行性,應(yīng)保證選型的目標(biāo)噴嘴在安裝到其他車輛后,仍能將洗滌液準(zhǔn)確、有力地噴射到玻璃上的目標(biāo)區(qū)域內(nèi);噴嘴的噴射點應(yīng)在雨刮的刮刷區(qū)域之內(nèi),避免雨刮在刮刷時因沒有足夠的洗滌液而發(fā)生干刮的現(xiàn)象。同時,還應(yīng)與前部視野點位置保持一定的距離。如果出水軌跡與雨刮等零件無干涉現(xiàn)象,噴射點可設(shè)計在B區(qū)的2/5偏下處,同時也在A區(qū)的偏下區(qū)域內(nèi)。如圖1所示。
另外,還應(yīng)保證噴嘴噴射出來的水柱與前風(fēng)擋玻璃處在一個相對適宜的夾度范圍之內(nèi),角度過小會導(dǎo)致噴嘴出水柱與玻璃近乎相切,使水柱容易打滑噴射到車輛頂棚上去。若噴射角度過大,會導(dǎo)致洗滌液在噴射到玻璃上時發(fā)生比較嚴(yán)重的飛濺現(xiàn)象,夾角一般建議在8~16°之間。
噴射點位置和水柱與前風(fēng)擋夾角主要取決于噴嘴的布置位置和噴射角度。噴嘴的布置位置在已定型的車輛上變更成本較高,更改性不強。而前噴嘴的噴射角度指的是噴嘴球頭與安裝臺面之間的夾角,球頭在上、下、左、右四個方向上均能實現(xiàn)一定角度內(nèi)的調(diào)節(jié)。不同車型受布置位置、安裝臺面與前風(fēng)擋夾角關(guān)系等影響,各車型所需的噴射角度均不盡相同,方向可調(diào)的噴嘴球頭,使通用化具備可行性。
除了噴射角度之外,噴射的液柱高度也決定了洗滌液能否順利到達(dá)玻璃上的噴射點。對于洗滌液這種液態(tài)工質(zhì)來說,其液流的形態(tài)和液柱的高度受到噴射壓力與噴嘴結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)液體壓力升高,噴射速度增大,在液體表面張力、粘性及空氣阻力相互作用下,液體由滴落、平滑流、波狀流向噴物流過渡。圖2為不同噴射速度下,上述液流狀態(tài)時液柱長度的變化狀態(tài)。從遷移流到波狀流過渡到轉(zhuǎn)折點的雷諾數(shù)Re=1800~2400,與液流的層流和紊流的轉(zhuǎn)折點是一致的。[2]雷諾數(shù)Re的計算公式如下:
式中:Re為雷諾數(shù),是一種用來表征流體流動情況的無量綱數(shù);d0為噴嘴孔徑,mm;VL為流體流速,m/s;ρL為流體密度,kg/m3;μ為流體粘度,kg/m·s。
為了使液柱具有足夠的高度,洗滌液流體應(yīng)一直處于層流狀態(tài),不能發(fā)生霧化現(xiàn)象。在更換通用化噴嘴后,應(yīng)使雷諾數(shù)Re不發(fā)生大幅變化,更不能使Re超過2400而發(fā)生明顯的霧化,導(dǎo)致液柱顯著縮短。洗滌系統(tǒng)的總流量Q由洗滌水泵決定,流量與流速(噴射速度)之間的關(guān)系式如下:
式中:Q為單個噴頭的流量,m3/s;n為全車前噴嘴的噴頭個數(shù),無量綱數(shù);VL為流體流速,m/s;A為洗滌噴頭截面積,m2,截面積可通過噴嘴孔徑d0計算出來。
根據(jù)流量與流速關(guān)系式,可將雷諾數(shù)Re的計算公式表示如下:
式中:Re為雷諾數(shù),是一種用來表征流體流動情況的無量綱數(shù);Q為單個噴頭的流量,m3/s;n為全車前噴嘴的噴頭個數(shù),無量綱數(shù);d0為噴嘴孔徑,mm;ρL為流體密度,kg/m3;μ為流體粘度,kg/m·s。
在洗滌液流體介質(zhì)不變的條件下,系統(tǒng)的雷諾數(shù)Re由噴頭個數(shù)n、系統(tǒng)流量Q和噴嘴孔徑d0決定。通過調(diào)查現(xiàn)有車型的洗滌系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的流量差別不大;扇形噴嘴只有1個噴頭,孔徑為1.9mm;柱狀噴嘴有2個噴頭,孔徑為0.8mm;可以看出,各噴嘴之間的互換不會導(dǎo)致雷諾數(shù)Re大幅變化。
除了滿足功能要求之外,還應(yīng)在安裝結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)替代。對比各車型噴嘴安裝介質(zhì)的截面結(jié)構(gòu),各截面幾何形狀相同,尺寸相近??v向上,安裝介質(zhì)的厚度決定了噴嘴卡爪到安裝臺面的高度,由于噴嘴的安裝介質(zhì)為鈑金件或塑料件,料厚一般為0.7mm或2.5mm;對于安裝介質(zhì)相同的噴嘴,縱向上無差異;對于安裝介質(zhì)不同的噴嘴,可通過更改橡膠軟墊來實現(xiàn)安裝。
綜上所述,前洗滌噴嘴如能滿足噴射角度和安裝結(jié)構(gòu)的要求,可以實現(xiàn)通用化。
3 ?通用化選型
在進(jìn)行通用化選型時,應(yīng)圍繞噴嘴的縱向角度調(diào)節(jié)范圍和安裝結(jié)構(gòu)尺寸兩方面進(jìn)行重點考慮。
3.1 噴射角度
現(xiàn)有車型前洗滌噴嘴噴射角度統(tǒng)計如表1所示。通用化選型的噴嘴其縱向角度調(diào)節(jié)范圍應(yīng)較廣,能適用于更多的車型。噴嘴B、D、F和G的縱向角度調(diào)節(jié)范圍較廣,能滿足現(xiàn)有車型前噴嘴噴射角度的要求,對后續(xù)新車型開發(fā)的適配性也更強。作為前噴嘴通用化選型的潛在目標(biāo)最合適。
3.2 安裝結(jié)構(gòu)
洗滌前噴嘴及安裝過孔的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示,噴嘴柱體與過孔直徑存在尺寸配合關(guān)系,噴嘴柱體直徑應(yīng)小于過孔直徑;卡爪間距與過孔卡接處寬度存在尺寸配合關(guān)系,噴嘴卡爪在自由狀態(tài)下的間距應(yīng)大于卡接處寬度,才能使卡爪在卡入安裝孔內(nèi)時受力變形,卡接緊密而不松動;而卡接高度與安裝介質(zhì)厚度有關(guān),通過增加或更改軟墊的方式進(jìn)行調(diào)整。
各車型影響噴嘴與過孔裝配的主要尺寸如表2所示,因噴嘴A、C、E的噴射角度調(diào)節(jié)范圍較小,不考慮將其作為通用化噴嘴進(jìn)行分析。
通過對噴嘴與過孔在各項尺寸配合下進(jìn)行分析,各噴嘴適用于現(xiàn)有各車情況如表3所示。
在通用化選型時,考慮將扇形噴嘴和柱狀噴嘴各保留一個作為通用化產(chǎn)品,將噴嘴B選型為柱狀噴嘴的通用化產(chǎn)品;將噴嘴D選型為扇形噴嘴的通用化產(chǎn)品。
4 ?總結(jié)
本文主要對汽車洗滌前噴嘴進(jìn)行了通用化選型分析,確定了噴嘴通用化的可行性。并根據(jù)前噴嘴尺寸結(jié)構(gòu)與安裝界面的關(guān)聯(lián)分析,選型出了2款能適用于大部分車型的前噴嘴產(chǎn)品。不僅能縮減現(xiàn)有噴嘴產(chǎn)品的種類和數(shù)量,降低管理成本;還能在后續(xù)新產(chǎn)品開發(fā)時節(jié)省洗滌噴嘴的開發(fā)成本,節(jié)約開發(fā)時間。
參考文獻(xiàn):
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