面向智能駕駛車輛探頭清洗的機(jī)械式水路分配器設(shè)計(jì)與研究

摘 要：采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)代替原有的電磁閥結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種面向智能汽車車輛探頭清洗的水路分配器裝置。介紹該裝置的工作機(jī)理與控制邏輯，論述分水器運(yùn)行結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)方法。利用ABAQUS仿真軟件對(duì)分水器的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)合分析結(jié)果對(duì)進(jìn)水閥蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；運(yùn)用流體仿真軟件Fluent對(duì)出水閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行出口流速仿真計(jì)算，結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)水路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：汽車探頭；智能清洗；水路分配器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1671-5276（2024）04-0093-04

Design and Research of Mechanical Waterway Distributor for Probe Cleaning of Intelligent Driving Vehicles

LU Xiaoqin¹， WANG Lubin²， LU Zhaokuan²， LIANG Shiwen²

（1. Ningbo Huaxiang Automotive Technology Co.， Ltd.， Ningbo 315033，China； 2. Ningbo Institute of Dalian University of Technology，Ningbo 315016， China）

Abstract：A water distributor device for intelligent vehicle probe cleaning is designed with the adoption of mechanical rotating structure in place of the original magnetic valve structure.The working mechanism and control logic of the device are introduced， and the operation structure and function realization of the water distributor are discussed. ABAQUS simulation software was applied to check the overall structure strength of the water distributor. Combined with the analysis results， the design and optimization of the water inlet valve cover are carried out. The fluid simulation software Fluent is used to simulate the outlet velocity of the outlet valve structure. The waterway structure is optimized by combination of the simulation results， which meets the design requirements.

Keywords：car probe; intelligent cleaning; water dispenser; structural design

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，智能無人駕駛汽車已經(jīng)成為車輛工程領(lǐng)域重要的組成部分和汽車增長的新動(dòng)力，無人駕駛汽車及其相關(guān)的智能技術(shù)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)^[1-3]。汽車在行駛過程中經(jīng)過泥濘路面或者雨天等情況時(shí)，不可避免的會(huì)有泥沙、污漬、水滴等覆蓋到攝像頭和傳感器表面。如果沒有及時(shí)清除這些污垢，就會(huì)嚴(yán)重影響攝像頭采集圖像信息的質(zhì)量^[4]，大大降低雷達(dá)等傳感器的識(shí)別能力^[5]，造成駕駛者判斷失誤或車載計(jì)算機(jī)識(shí)別錯(cuò)誤信息，引發(fā)意外事故。因此，在車輛行駛環(huán)境中保持清晰的視野對(duì)于攝像頭捕捉行車環(huán)境和提供數(shù)據(jù)至關(guān)重要^[6-7]。

目前對(duì)于智能駕駛汽車探頭清洗裝置的研究主要集中在電磁閥式控制的清洗裝置上。TANAKA等^[8]利用車載攝像頭采集到的圖像信息來控制清洗裝置工作，清洗裝置內(nèi)部設(shè)置有電磁閥，通過電磁閥控制噴射清洗液，清洗液流入攝像頭清洗模塊，清洗完畢控制模塊控制電磁閥關(guān)閉，阻斷清洗液供給。羅小平等^[9]發(fā)明了一種車載攝像頭清洗裝置，該裝置在流體管路中加入用于控制流體通斷的電磁閥，通過控制開關(guān)控制電磁閥向鏡頭外端面噴射清潔介質(zhì)以清洗鏡頭。采用電磁閥式的清洗水路分配方式具有控制方便、空間占用量小、集成化程度較高等優(yōu)點(diǎn)。但是電磁閥通常只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，無法對(duì)水路進(jìn)行精準(zhǔn)控制^[10]。同時(shí)，電磁閥的增多必定會(huì)造成系統(tǒng)質(zhì)量和成本的增加。有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)控制系統(tǒng)中存在多路電磁閥時(shí)會(huì)出現(xiàn)因電磁閥故障導(dǎo)致裝置無法使用的現(xiàn)象，故電磁閥數(shù)量與故障率成正比^[11]。同時(shí)，電磁閥的增多也會(huì)導(dǎo)致耗電量增加，這對(duì)于目前主流使用的以電能為動(dòng)力能源的智能駕駛車輛來說，非常不友好。所以，研究一種不依賴于電磁閥的智能駕駛清洗水路分配裝置具有重要的意義和價(jià)值。

為此設(shè)計(jì)一種采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)式的水路集中分配器裝置。本文介紹了該裝置的系統(tǒng)連接、運(yùn)行結(jié)構(gòu)和工作邏輯，對(duì)工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，并結(jié)合出水閥道設(shè)計(jì)，對(duì)水路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 工作機(jī)理與控制邏輯

本裝置為汽車風(fēng)窗洗滌系統(tǒng)中的一個(gè)升級(jí)模塊，整個(gè)升級(jí)系統(tǒng)由清洗模塊（洗滌液罐、洗滌泵、噴嘴）、中央控制模塊（智能分水器）及需求模塊（攝像頭鏡片清晰度傳感器）三大模塊組成。三大模塊相互連接，由智能分水器中的中央控制模塊負(fù)責(zé)接收需求模塊的需求信息并控制清洗模塊工作，形成一個(gè)整體清洗系統(tǒng)，如圖1所示（1—10為探頭位置）。

智能分水器是整套清洗系統(tǒng)的核心，不僅作為大腦進(jìn)行傳遞信息和管控清洗模塊，同時(shí)最重要的一點(diǎn)是將洗滌泵輸出的洗滌液正確地導(dǎo)入到需要的水路清洗點(diǎn)。其工作流程為：行車計(jì)算機(jī)ECU接收到清洗信息并將信息發(fā)送至智能分水器；分水器清洗系統(tǒng)控制單元接收信息后經(jīng)過編譯，通過比較內(nèi)部程序，確定需打開的對(duì)應(yīng)水路；通過轉(zhuǎn)盤電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至所需閥體并頂開閥芯，同時(shí)控制壓力泵按預(yù)設(shè)的功率輸出合適的水壓，清洗液經(jīng)過已被開啟的閥體、水管輸送至清洗噴嘴進(jìn)行噴水清洗；清洗一定時(shí)間后分水器控制單元關(guān)閉供水，同時(shí)按預(yù)設(shè)程序開啟壓縮空氣罐閥門，將壓縮空氣經(jīng)由原先閥門、水管送至噴嘴完成對(duì)攝像頭的吹風(fēng)干燥。所有程序執(zhí)行完畢后系統(tǒng)復(fù)位待機(jī)，工作流程如圖2所示。

2 運(yùn)行結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)

智能分水器采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)布置如圖3所示，核心零件包括殼體、安裝在殼體上的傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸的調(diào)位電機(jī)、蝸桿和蝸輪。閥體上設(shè)有進(jìn)水腔和若干周向間隔布設(shè)的出水閥。出水閥包括閥座、閥芯、預(yù)緊彈簧如圖4所示，閥座上設(shè)有閥腔，預(yù)緊彈簧、閥芯均安裝在閥腔內(nèi)，閥座上連接進(jìn)水管，進(jìn)水管連通在進(jìn)水腔和閥腔之間，閥芯一端延伸出閥座的一端，閥座另一端設(shè)有出液嘴，預(yù)緊彈簧抵接在閥芯另一端和閥腔內(nèi)壁之間。閥芯外壁上設(shè)有傾斜設(shè)置的活動(dòng)密封面，閥腔內(nèi)壁上設(shè)有固定密封面。固定密封面和活動(dòng)密封面適配貼合阻隔進(jìn)水管和出水嘴。轉(zhuǎn)軸連接用于推動(dòng)閥芯移動(dòng)使固定密封面和活動(dòng)密封面分離的推動(dòng)凸塊。

機(jī)械式的分水器采用圓盤結(jié)構(gòu)，利用凸輪和預(yù)緊彈簧對(duì)水路進(jìn)行選擇和限位。水泵將水流輸送到進(jìn)水腔內(nèi)，調(diào)位電機(jī)工作帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與轉(zhuǎn)軸連接的凸塊結(jié)構(gòu)推動(dòng)閥芯移動(dòng)使被預(yù)緊彈簧彈壓的密封圈和密封面分離，從而開啟出水閥，出水閥導(dǎo)通后即可實(shí)現(xiàn)水路的導(dǎo)通，進(jìn)而通過該水路對(duì)相應(yīng)的攝像頭進(jìn)行清洗。清洗完成后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)凸塊回位待機(jī)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過不同的角度，使凸塊移動(dòng)到不同的出水閥閥芯，進(jìn)而開啟不同位置的出水閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同探頭的清洗，如圖5所示。在預(yù)緊彈簧作用下，固定密封面和活動(dòng)密封面適配貼合，由兩者之間的密封圈形成密封。出水閥開啟時(shí)，凸輪將旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)換成閥芯的軸向力，從而推動(dòng)閥芯使固定密封面和活動(dòng)密封面分離。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，去除一些不必要的零件后利用商用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元計(jì)算模型。分水器結(jié)構(gòu)整體采用3D實(shí)體建模，其中螺栓緊固件采用六面網(wǎng)格建模，單元類型為C3D8I，其余結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格建模，單元類型為C3D10M。分水器部件整體采用聚甲醛材料（POM），該材料具有耐疲勞、耐蠕變、耐磨、耐沖擊等優(yōu)良性能，常用于制作泵殼體、齒輪和軸承。具體材料參數(shù)為：密度1.41g/cm³，彈性模量2 500MPa，泊松比0.39，屈服強(qiáng)度59MPa。將材料的屈服應(yīng)力σ_s除以安全系數(shù)γ（取1.1）便得到材料的許用應(yīng)力σ_s，σ_s=53.6MPa。

為了達(dá)到清洗效果，經(jīng)過測(cè)試可知，清洗噴嘴處需要有最高0.5MPa的水壓才能將攝像頭等鏡面干燥的污漬沖洗掉，為此在設(shè)定智能分水器工作時(shí)內(nèi)部流道需要承受最高的水壓為0.5MPa，有限元強(qiáng)度校核時(shí)邊界條件為固定分水器殼體底部，在管道內(nèi)部施加0.5MPa的表面壓強(qiáng)，分析結(jié)果如圖6所示。計(jì)算結(jié)果顯示，分水器最大位移處為進(jìn)水口端部，約為3.0mm，在反復(fù)加壓清洗的情況下此處容易疲勞開裂。另外分水器最大Mises應(yīng)力為74.8MPa，最大Mises應(yīng)力發(fā)生在進(jìn)水閥蓋螺栓孔附件，其余零件應(yīng)力較小。進(jìn)水嘴根部周邊及閥蓋內(nèi)側(cè)部分位置應(yīng)力也超出材料許用應(yīng)力，如圖7所示。

進(jìn)水閥蓋外側(cè)壓緊密封螺栓孔周邊和進(jìn)水嘴根部周邊的應(yīng)力較大，其原因?yàn)檫M(jìn)水閥蓋外側(cè)面的剛度較弱，可通過加筋的方式對(duì)外側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)后結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示。閥蓋內(nèi)側(cè)面的應(yīng)力較大位置主要為封水圈與水槽的延伸處，可通過增加水與壁面的接觸面積來減少應(yīng)力，更改后的結(jié)構(gòu)如圖8（b）所示。

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，校核后整體變形量由3.0mm降為1.0mm，最大Mises應(yīng)力由74.8MPa降至43.2MPa，應(yīng)力值小于材料許用應(yīng)力σ_s。優(yōu)化后出水閥蓋應(yīng)力如圖9所示。

4 出水閥流道設(shè)計(jì)及CFD模擬分析

運(yùn)用三維建模軟件建立出水閥流體流動(dòng)的三維模型，模型整體尺寸約為29.7mm×8mm×21.5mm（長×寬×高）。進(jìn)口流道直徑為?3mm，進(jìn)口流道長度為13.5mm；出口吼道寬度為0.57mm，吼道長度約為11mm；出口流道直徑為?3.5mm，出口流道長度為10.5mm?？紤]到流動(dòng)區(qū)域結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故以四面體網(wǎng)格劃分單元，劃分后共有835 158個(gè)單元，1 238 555個(gè)節(jié)點(diǎn)，出水閥流道結(jié)構(gòu)如圖10所示。

采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics， CFD）方法對(duì)出水閥內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。用Fluent前處理軟件ICEMCFD對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格采用四面體混合單元（Tetra/Mixed），壁面采用五面體棱鏡單元（Prism）進(jìn)行局部加密，增加結(jié)果的準(zhǔn)確性和減少計(jì)算發(fā)散的可能性，同時(shí)在原理壁面處采用較大的網(wǎng)格尺寸來加快計(jì)算的收斂速度。分析時(shí)假定水是不可壓縮的流體，選用k-omega SST湍流模型，運(yùn)用simple算法求解。進(jìn)口邊界為壓強(qiáng)進(jìn)口，壓強(qiáng)值為0.5MPa；出口邊界也為壓強(qiáng)出口，出口壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓；其他邊界定義為黏性壁面，速度為0，壓力梯度為0，假定流動(dòng)過程全部在常溫下進(jìn)行。分析中使用Continuity，用V_x、V_y、V_z、k、energy、omega等參數(shù)對(duì)計(jì)算收斂進(jìn)行監(jiān)控，采用二階迎風(fēng)離散格式對(duì)各控制方程進(jìn)行數(shù)值求解，設(shè)置時(shí)間步長為0.000 1s，迭代周期次數(shù)為5 000次，每個(gè)迭代周期內(nèi)最大迭代次數(shù)為100次。

圖11（a） 給出了出水閥zx平面及出口平面流體速度云圖。流體在zx平面最大流速為26.4m/s，最大流速出現(xiàn)在流體從進(jìn)水腔流入閥體腔的初始段，流體在腔體內(nèi)流速較大的另一處位置為閥體腔與出水腔過渡段，該處最大流體速度為23.8m/s，流體在出口處出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，其主要原因?yàn)檫^渡段的通道太過狹窄，導(dǎo)致進(jìn)入出水腔的水流速度太大從而產(chǎn)生漩渦。對(duì)過渡段結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，出口吼道寬度從0.57mm增加到1.04mm，改進(jìn)后的結(jié)果如圖11（b）所示。隨著通道的變寬，最高流速由原來的26.4m/s下降到21.9m/s。優(yōu)化后出水口的渦流消失，受壁面效應(yīng)的影響，水流在壁面附近的壓力較小，閥口中心處的水流流速最大為12.3m/s，閥口平面平均流速為10.2m/s，滿足噴射速度大于4m/s的設(shè)計(jì)要求^[12]。

5 結(jié)語

本文對(duì)采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)的新型智能水路分配器裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了詳細(xì)說明，并通過有限元仿真方法對(duì)分水器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和出水口流速進(jìn)行了校核，通過仿真結(jié)果對(duì)出水閥蓋和出水閥道進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)通過驗(yàn)證初步滿足了設(shè)計(jì)要求。

1）分水器采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌有集成電路可控制配套高壓水泵和空氣壓縮機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)作。該集成電路可與整車網(wǎng)絡(luò)相連，接收網(wǎng)絡(luò)信息，過濾需求信號(hào)并發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)駕駛模型下的自動(dòng)清洗工作。

2）進(jìn)水閥蓋為工作狀態(tài)下分水器應(yīng)力最大位置，進(jìn)水閥蓋外側(cè)應(yīng)具有足夠的剛度來抵抗內(nèi)部水壓引起的變形。另外水路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用圓弧過渡避免造成結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。

3）出水閥吼道設(shè)計(jì)應(yīng)具有一定的寬度，避免由于通道狹窄造成的渦流現(xiàn)象。

本文所設(shè)計(jì)的裝置對(duì)各個(gè)水路進(jìn)行充分整合，可以有效簡化清洗系統(tǒng)，降低能耗和成本，為車輛探頭清洗系統(tǒng)的應(yīng)用推廣提供高效率的解決方案，可推動(dòng)汽車智能清洗市場(chǎng)的發(fā)展。

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收稿日期：20230113