汽車天窗系統(tǒng)進(jìn)排水特性試驗(yàn)研究

【摘要】為解決汽車天窗漏水問題，通過簡化汽車天窗排水總成系統(tǒng)，構(gòu)建天窗排水管路物理模型并對(duì)管路設(shè)計(jì)進(jìn)行建模推導(dǎo)，得到管路最大排水能力的理論計(jì)算公式，并搭建天窗試驗(yàn)臺(tái)架，基于理論分析結(jié)果，通過試驗(yàn)測量各參數(shù)及管路零件對(duì)排水管路排水能力的影響程度，并對(duì)比理論結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)實(shí)車天窗的進(jìn)水特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析不同車輛狀態(tài)下天窗進(jìn)排水量分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)排水管水流量分布隨車輛傾斜角度的不同而不同，水平狀態(tài)下車輛前部排水量高于后部，建議管路設(shè)計(jì)時(shí)考慮車輛使用的坡度工況，增加前排水管的設(shè)計(jì)余量。

關(guān)鍵詞：汽車水管理 汽車天窗 排水管路 天窗漏水

中圖分類號(hào)：U463.85+9；U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230136

Experimental Research on Inlet and Drainage Characteristics

of Automobile Sunroof System

Yang Pengfei， Sun Huikai， Bi Sheng， Xin Yang， Liu Yinan

（FAW-Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Changchun 130000）

【Abstract】To address the issue of water leakage of automobile sunroofs， theoretical and experimental research on the inlet and drainage characteristics of automobile sunroofs are carried out. By simplifying the automobile sunroof drainage assembly system， the physical model of the sunroof drainage pipeline is constructed， and the pipeline design are modeled and derived， and the theoretical calculation formula of the maximum drainage capacity of the pipeline is obtained. A sunroof test bench is built to measure the influence of various parameters and pipeline parts on the drainage capacity of the drainage pipeline based on the theoretical analysis results， and the theoretical and test results are compared. The water inlet characteristics of the sunroof are experimentally studied， and the distribution characteristics of the water inlet and drainage of the sunroof under different vehicle conditions were analyzed. It is found that the water flow from the drainage pipe is distributed differently with the tilt angle of the vehicle， and the water drainage of the front side of the horizontal vehicle is higher than that of the rear. It is suggested that the slope of the vehicle should be considered in pipeline design to increase the design margin of the front water pipe.

Key words： Vehicle water management， Automobile sunroof， Drainage line， Sunroof water leakage

【引用格式】 楊鵬飛， 孫會(huì)凱， 畢勝， 等. 汽車天窗系統(tǒng)進(jìn)排水特性試驗(yàn)研究[J]. 汽車工程師， 2024（7）： 44-48.

YANG P F， SUN H K， BI S， et al. Experimental Research on Inlet and Drainage Characteristics of Automobile Sunroof System[J]. Automotive Engineer， 2024（7）： 44-48.

1 前言

汽車水管理性能是整車開發(fā)中的關(guān)鍵性能，整車的防水密封能力是質(zhì)量表現(xiàn)最直接的性能之一[1-3]。在整車水管理中，天窗系統(tǒng)作為體積最大、運(yùn)行工況最惡劣的密封零件，是售后漏水問題投訴的最多的系統(tǒng)[4]。目前主流的天窗類型有內(nèi)藏式、外滑式、全景天窗和多功能天窗[5-6]，繁多的天窗形式和日益豐富的功能對(duì)天窗的可靠性提出了更高的要求。

不同類型天窗的水管理策略基本一致，主要為天窗玻璃總成利用密封條與車身頂蓋的密封條實(shí)現(xiàn)過盈配合，相互擠壓形成第一道密封，越過密封條的水由排水槽收集，經(jīng)排水管排出[7-8]。天窗玻璃作為開閉件，涉及運(yùn)動(dòng)磨損和噪聲問題，無法完全密封，必須設(shè)置排水槽和排水管[9]。

本文將理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合，給出天窗排水管路設(shè)計(jì)的理論公式，通過試驗(yàn)探究天窗進(jìn)、排水特性。

2 汽車天窗排水管路模型簡化及理論模型

汽車天窗通常有4個(gè)排水口，分別位于天窗框架的4個(gè)角，前部2條排水管通常安裝在車身A柱護(hù)板內(nèi)部，利用卡扣固定，后部2條排水管以同樣的方式安裝在C柱內(nèi)。如圖1所示，汽車天窗排水過程中，水流從天窗四周的密封條縫隙流入排水槽，排水槽收集積水，引導(dǎo)水流進(jìn)入排水口，通過排水管抵達(dá)車身底板或輪罩將水流排出車外。

為便于分析，本文對(duì)天窗排水結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，以單個(gè)排水管排水過程為對(duì)象構(gòu)建天窗排水管路排水過程物理模型，如圖2所示。

定義進(jìn)、出水口壓強(qiáng)分別為P1、P2，水槽、出水口水流流速分別為V1、V2，水槽、出水口高度分別為H1、H2，水流的水頭損失為H0，重力加速度為g，水的密度為ρ，由能量守恒可得：

P1+ρV12/2+ρgH1=P2+ρV22/2+ρgH2+ρgH0 （1）

經(jīng)過實(shí)測，P1=P2=101.325 kPa，進(jìn)口速度V1約為0。水頭損失H0由水流的沿程阻力損失和局部阻力損失構(gòu)成：

[H0=hf+hl] （2）

式中：hf=λlV22/（2dg）為沿程阻力損失，表示水流流動(dòng)過程中由于固體壁面的阻滯作用產(chǎn)生的摩擦阻力造成的水頭損失；hl為局部阻力損失，表示由于流道的急劇變化使流動(dòng)邊界層分離，產(chǎn)生大量旋渦所造成的水頭損失；l為管道長度；d為管道內(nèi)徑；λ為沿程阻力系數(shù)。

式（1）化簡可得：

[V22=2gH1-H2-hl1+λl2d] （3）

管路最大排水量Q與V2滿足：

[Q=14πd2V2] （4）

由式（3）、式（4）可得：

[Q=14πd22gH1-H2-hl1+λl2d] （5）

定義管路內(nèi)截面積為A，有效高度H=H1-H2，流量系數(shù)[C=1/1+λl/（2d）]，最終可得：

[Q=CA2gH-hl] （6）

由式（6）可知，有效高度、局部阻力損失及流量系數(shù)直接影響管路最大排水量。在管路無變形、褶皺、凸起、堵塞物的情況下，hl=0。流量系數(shù)C與管路的粗糙度和管道長度l有關(guān)，對(duì)于光滑無摩擦圓管，C=1，實(shí)際條件下Clt;1。

圖3所示為流量系數(shù)C、局部阻力損失hl、有效高度H與管路最大排水量Q的關(guān)系。理想狀態(tài)下，C=1、hl=0，減小C和增大hl均會(huì)大幅降低管路最大排水量，同時(shí)，管路最大排水量隨有效高度的增大而減小。

3 汽車天窗排水過程臺(tái)架試驗(yàn)

由理論公式可知，排水管路的排水能力與有效高度、管路表面粗糙度、管路長度、管路布置和管路中是否存在連接件、堵塞物等有關(guān)。因此，本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證各因素對(duì)排水管路最大排水量的影響。

通過搭建天窗排水試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)天窗排水過程開展研究。如圖4所示，將天窗框架固定在臺(tái)架上，連接排水管路，排水管路固定在鋁制金屬網(wǎng)上，以便實(shí)現(xiàn)管路的多種布置和連接。當(dāng)排水管出水口水流穩(wěn)定無氣泡、排水槽內(nèi)液面高度穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為排水管排水量達(dá)到最大值，即達(dá)到排水管的最大排水能力。

3.1 有效高度和管道長度對(duì)管路最大排水量的影響

圖5a所示為水管無彎折（hl=0）、管道長度l不變的情況下，管路最大排水量Q隨有效高度H變化的試驗(yàn)結(jié)果。可以看出，Q隨H的增加而增大，與理論公式相符合，H對(duì)天窗排水能力的影響顯著，H由0.14 m增加至0.75 m，排水量提高約126.7%。圖5b給出了在水管無彎折、H不變的情況下，管路最大排水量Q與管道長度l的關(guān)系?？梢钥闯?，l對(duì)Q的影響很小，Q均維持在理論計(jì)算排水值附近。

基于圖5a中理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比關(guān)系，擬合分析得到排水軟管的流量系數(shù)C應(yīng)在0.35～0.40范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果與C=0.375時(shí)的理論數(shù)據(jù)基本吻合。而根據(jù)文獻(xiàn)[11]給出的小孔流量公式，C的取值建議為0.82，與本文中天窗排水管路設(shè)計(jì)的實(shí)際情況不符，原因是文獻(xiàn)[11]中的參數(shù)來源于機(jī)械設(shè)計(jì)軟件中給出的長孔及管嘴的流量系數(shù)，而本文參數(shù)為針對(duì)天窗排水管通過試驗(yàn)測試獲得。

3.2 排水管彎曲布置對(duì)管路最大排水量的影響

在l=1.2 m、H=70 cm的條件下，將5組管路按照不同彎曲路徑布置，保證管路的截面不受擠壓變形，不存在反向向上彎曲，測試彎曲數(shù)量對(duì)流量的影響，結(jié)果如圖6所示，可以看出，管路彎曲的路徑對(duì)最大排水量沒有明顯影響。

為了進(jìn)一步探究管路中存在向上彎曲對(duì)管路最大排水量的影響，布置了5組彎曲位置處于不同高度的管路并測量管路最大排水量，如圖7所示，其中l(wèi)=1.2 m、H=70 cm、反曲高度ΔH=0.1 m?？梢钥闯?，即便存在反向彎曲情況，管路最大排水量依然不受影響，但是這種布置會(huì)使管路積水、污垢沉積，長期使用會(huì)導(dǎo)致排水管堵塞，出現(xiàn)發(fā)霉異味和異響等問題。

3.3 排水閥、堵塞物對(duì)最大排水量的影響

在天窗排水管路的實(shí)際安裝和使用中，排水管末端通常會(huì)連接2種排水閥，如圖8所示，且在日常使用中排水管路經(jīng)常會(huì)進(jìn)入雜物，本文用白色尼龍條塞入管路模擬管路被雜物堵塞的情況進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)H=0.85 m時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

從圖9可知，排水閥1對(duì)管路最大排水量沒有影響，排水閥2對(duì)管路最大排水量影響較大，在試驗(yàn)條件下，排水閥2使管路最大排水量降低4.1%，這是由于波紋管壁使局部阻力損失增大。堵塞物在出水口處時(shí)對(duì)管路最大排水量的影響要大于其在進(jìn)水口處時(shí)的影響，堵塞物使管路最大排水量降低7.8%～16.6%。若在天窗排水系統(tǒng)中采用排水閥2，則hl取值為0.05～0.10 m，此時(shí)流量的理論計(jì)算結(jié)果為6.99～6.67 L/min?？紤]到產(chǎn)品使用過程中可能出現(xiàn)排水管雜物堵塞，由于堵塞物的形狀、堵塞程度難以預(yù)估，建議將天窗排水設(shè)計(jì)余量上浮20%。

4 實(shí)車天窗進(jìn)水特性試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步明確天窗進(jìn)、排水的特點(diǎn)，本文選取某SUV車型進(jìn)行淋雨試驗(yàn)，測量其配備天窗的實(shí)際進(jìn)排水量，噴淋雨量選取1 500 mm/h、300 mm/h。1 500 mm/h雨量試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，包含天窗左前、右前、左后、右后4處排水管在車輛水平、前傾、后傾、側(cè)傾、左前傾和右后傾6種坡度放置狀態(tài)下的排水量，以模擬車輛在實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的姿態(tài)[12]。可以看出，天窗排水受車輛在實(shí)際使用中放置坡度的直接影響，車輛最低處的流水量通常最大，高處幾乎不排水，因此，設(shè)計(jì)天窗排水管時(shí)要考慮排水管最大流量滿足車輛在極限坡度下的使用需求，此時(shí)水流幾乎全部從最低側(cè)單個(gè)水管流出，若單個(gè)水管的最大排水量小于實(shí)際水流量則會(huì)使天窗漏水。

圖10所示為2種雨量下車輛在6種坡度放置時(shí)的總進(jìn)水量分布情況。可以看出，在車輛前傾時(shí)天窗總進(jìn)水量最大，此時(shí)使天窗密封間隙出現(xiàn)微小變化是導(dǎo)致進(jìn)水量增大的最主要原因。因此，可對(duì)天窗密封件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少車輛前傾時(shí)的進(jìn)水量。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)汽車天窗排水管設(shè)計(jì)、布置等問題，通過理論分析獲得天窗排水管設(shè)計(jì)公式，通過試驗(yàn)分析了各類因素對(duì)排水管最大排水量的影響，修正了理論公式的系數(shù)取值，獲得了影響汽車天窗進(jìn)排水的因素和特性規(guī)律。具體結(jié)論如下：

a. 單根天窗排水管路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足[Q=CA2g（H-hl）]，流量系數(shù)建議取值范圍為0.35～0.40；當(dāng)應(yīng)用排水閥時(shí)，局部阻力損失建議取值范圍為0.05～0.10 m；考慮未來使用出現(xiàn)堵塞物，建議整體設(shè)計(jì)余量增加20%。

b. 實(shí)車天窗進(jìn)排水過程中，在不同車輛使用坡度工況下，最低處排水管水流量最大，水平狀態(tài)下前部排水量高于后部，建議管路設(shè)計(jì)時(shí)考慮車輛極限坡度工況，增加前排水管的設(shè)計(jì)余量。

參考文獻(xiàn)

[1]" "趙清， 安超， 閆紅珍， 等. 整車淋雨試驗(yàn)方法及常見漏水問題分析[J]. 時(shí)代汽車， 2021（8）： 18-19.

ZHAO Q， AN C， YAN H Z， et al. Rain Test Method of the Whole Vehicle and Analysis of Common Water Leakage Problems[J]. Auto Time， 2021（8）： 18-19.

[2]" "馮博， 李國峰， 譚純巖. 某SUV車型尾門漏水原因分析及解決措施[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)， 2019（8）： 106-108.

FENG B， LI G F， TAN C Y. Analysis and Solution of Tail Door Leakage of An SUV Model[J]. Automobile Applied Technology， 2019（8）： 106-108.

[3]" "郭永慶， 盛大全， 顧曉春. 某車型淋雨試驗(yàn)車門區(qū)域漏水問題的分析與改進(jìn)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)， 2021， 46（16）： 48-51.

GUO Y Q， SHENG D Q， GU X C. Analysis and Improvement of Water Leakage in Door Area during Rain Test[J]. Automobile Applied Technology， 2021， 46（16）： 48-51.

[4]" "宋菲. 開天窗說亮話[J]. 產(chǎn)品可靠性報(bào)告， 2015（2）： 32-39.

SONG F. Open Skylight to Say Bright Words[J]. Product Reliability Reports， 2015（2）： 32-39.

[5]" "梁智勇. 汽車天窗的發(fā)展歷史及新技術(shù)應(yīng)用[J]. 汽車零部件， 2015（1）： 50-54.

LIANG Z Y. History and New Technology Application about Automotive Sunroof[J]. Automobile Parts， 2015（1）： 50-54.

[6]" "賴文林. 汽車天窗發(fā)展及結(jié)構(gòu)淺析[J]. 時(shí)代汽車， 2021（16）： 169-170.

LAI W L. Analysis on the Development and Structure of Automobile Sunroof[J]. Auto Time， 2021（16）： 169-170.

[7]" "劉燕霞， 張淑立. 汽車外開天窗的設(shè)計(jì)[J]. 汽車工程師， 2014（5）： 24-26.

LIU Y X， ZHANG S L. Design of Vehicle Outward Opening Sunroof[J]. Automotive Engineer， 2014（5）： 24-26.

[8]" "王超， 李曉江， 徐劍波. 乘用車天窗通用化策略[J]. 汽車工程師， 2013（10）： 20-23.

WANG C， LI X J， XU J B. Commonality Strategy of Passenger Car’s Sunroof[J]. Automotive Engineer， 2013（10）： 20-23.

[9]" 湯飛， 張長春， 范明華. 汽車天窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)， 2019（22）： 114-115.

TANG F， ZHANG C C， FAN M H. Design and Development of Automotive Sunroof System[J]. Automobile Applied Technology， 2019（22）： 114-115.

[10] 李臻， 公培斌， 陳濤. 汽車天窗排水管防彎折設(shè)計(jì)研究[J].汽車維修， 2022（4）： 17-20.

LI Z， GONG P B， CHEN T. Research on Anti-Bending Design of Automobile Sunroof Drainage Pipe[J]. Automobile Maintenance， 2022（4）： 17-20.

[11] 戴磊. 汽車天窗排水管總成設(shè)計(jì)方法[J]. 汽車零部件， 2014（6）： 68-70.

DAI L. Design Method of Sunroof Drain Hose Assembly of Vehicles[J]. Automobile Parts， 2014（6）： 68-70.

[12] 張勇， 劉福鵬， 楊貴林， 等. 基于坡度模擬的汽車淋雨試驗(yàn)系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)[J]. 環(huán)境技術(shù)， 2021， 39（6）： 207-210.

ZHANG Y， LIU F P， YANG G L， et al. Research and Application of Automobile Shower Test System Based on Slope Simulation[J]. Environmental Technology， 2021， 39（6）： 207-210.

（責(zé)任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2023年5月15日。