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前洗涤喷嘴通用化选型方法

2020-09-10于华舟

内燃机与配件 2020年15期
关键词:流体

于华舟

摘要:为缩减汽车前洗涤喷嘴的产品种类,提高产品互换性。本文对前洗涤喷嘴的通用化进行研究。通过对喷嘴的喷射角度、喷射位置等关键影响因素进行分析,得出可行性结论,并选型出喷嘴的通用化产品,以降低整车开发成本,缩短开发周期。

关键词:前洗涤喷嘴;通用化;喷射角度;流体;雷诺数;通用化选型

0  引言

前洗涤喷嘴是汽车风窗玻璃的表面清洗设备,通过导管连接到洗涤罐中,利用水泵将洗涤罐中的洗涤液压入喷嘴后,通过喷嘴口径的缩小,形成强大的冲击力,对汽车风窗玻璃进行清洗。近年来,平台化、通用化开发已经是各大整车企业降低研发成本,缩短开发周期的重要手段之一[1]。

1  现状调查

通过对现有前洗涤喷嘴进行调查,发现所有车型的洗涤喷嘴均为直接喷射式喷嘴,通过铜球头进出口的截面变化,提高流体流速,实现喷射;喷射球头均为四向可调,能实现喷射方向在一定角度范围内的调节。喷嘴本体采用挂钩简易安装式结构,直接按压即可完成安装。有些噴嘴的安装底座还配备了橡胶垫片,提高了喷嘴的安装稳定性。但不同车型所使用的洗涤喷嘴在产品尺寸、喷头结构、系统流量等方面均不尽相同,通用化需求较为强烈。前洗涤喷嘴按喷头结构分为柱状喷嘴和扇形喷嘴两类;扇形喷嘴通道大而流畅,减少了阻塞现象,且流体覆盖性、均匀性较好,应用越来越普及。按喷嘴安装位置分为机舱盖喷嘴和风窗盖板喷嘴,风窗盖板喷嘴属于隐藏式喷嘴,整车美观性较好,多应用于发动机舱盖造型面连续设计的车辆。

2  可行性分析

要实现前洗涤喷嘴通用的可行性,应保证选型的目标喷嘴在安装到其他车辆后,仍能将洗涤液准确、有力地喷射到玻璃上的目标区域内;喷嘴的喷射点应在雨刮的刮刷区域之内,避免雨刮在刮刷时因没有足够的洗涤液而发生干刮的现象。同时,还应与前部视野点位置保持一定的距离。如果出水轨迹与雨刮等零件无干涉现象,喷射点可设计在B区的2/5偏下处,同时也在A区的偏下区域内。如图1所示。

另外,还应保证喷嘴喷射出来的水柱与前风挡玻璃处在一个相对适宜的夹度范围之内,角度过小会导致喷嘴出水柱与玻璃近乎相切,使水柱容易打滑喷射到车辆顶棚上去。若喷射角度过大,会导致洗涤液在喷射到玻璃上时发生比较严重的飞溅现象,夹角一般建议在8~16°之间。

喷射点位置和水柱与前风挡夹角主要取决于喷嘴的布置位置和喷射角度。喷嘴的布置位置在已定型的车辆上变更成本较高,更改性不强。而前喷嘴的喷射角度指的是喷嘴球头与安装台面之间的夹角,球头在上、下、左、右四个方向上均能实现一定角度内的调节。不同车型受布置位置、安装台面与前风挡夹角关系等影响,各车型所需的喷射角度均不尽相同,方向可调的喷嘴球头,使通用化具备可行性。

除了喷射角度之外,喷射的液柱高度也决定了洗涤液能否顺利到达玻璃上的喷射点。对于洗涤液这种液态工质来说,其液流的形态和液柱的高度受到喷射压力与喷嘴结构的影响。当液体压力升高,喷射速度增大,在液体表面张力、粘性及空气阻力相互作用下,液体由滴落、平滑流、波状流向喷物流过渡。图2为不同喷射速度下,上述液流状态时液柱长度的变化状态。从迁移流到波状流过渡到转折点的雷诺数Re=1800~2400,与液流的层流和紊流的转折点是一致的。[2]雷诺数Re的计算公式如下:

式中:Re为雷诺数,是一种用来表征流体流动情况的无量纲数;d0为喷嘴孔径,mm;VL为流体流速,m/s;ρL为流体密度,kg/m3;μ为流体粘度,kg/m·s。

为了使液柱具有足够的高度,洗涤液流体应一直处于层流状态,不能发生雾化现象。在更换通用化喷嘴后,应使雷诺数Re不发生大幅变化,更不能使Re超过2400而发生明显的雾化,导致液柱显著缩短。洗涤系统的总流量Q由洗涤水泵决定,流量与流速(喷射速度)之间的关系式如下:

式中:Q为单个喷头的流量,m3/s;n为全车前喷嘴的喷头个数,无量纲数;VL为流体流速,m/s;A为洗涤喷头截面积,m2,截面积可通过喷嘴孔径d0计算出来。

根据流量与流速关系式,可将雷诺数Re的计算公式表示如下:

式中:Re为雷诺数,是一种用来表征流体流动情况的无量纲数;Q为单个喷头的流量,m3/s;n为全车前喷嘴的喷头个数,无量纲数;d0为喷嘴孔径,mm;ρL为流体密度,kg/m3;μ为流体粘度,kg/m·s。

在洗涤液流体介质不变的条件下,系统的雷诺数Re由喷头个数n、系统流量Q和喷嘴孔径d0决定。通过调查现有车型的洗涤系统,发现各系统之间的流量差别不大;扇形喷嘴只有1个喷头,孔径为1.9mm;柱状喷嘴有2个喷头,孔径为0.8mm;可以看出,各喷嘴之间的互换不会导致雷诺数Re大幅变化。

除了满足功能要求之外,还应在安装结构上实现替代。对比各车型喷嘴安装介质的截面结构,各截面几何形状相同,尺寸相近。纵向上,安装介质的厚度决定了喷嘴卡爪到安装台面的高度,由于喷嘴的安装介质为钣金件或塑料件,料厚一般为0.7mm或2.5mm;对于安装介质相同的喷嘴,纵向上无差异;对于安装介质不同的喷嘴,可通过更改橡胶软垫来实现安装。

综上所述,前洗涤喷嘴如能满足喷射角度和安装结构的要求,可以实现通用化。

3  通用化选型

在进行通用化选型时,应围绕喷嘴的纵向角度调节范围和安装结构尺寸两方面进行重点考虑。

3.1 喷射角度

现有车型前洗涤喷嘴喷射角度统计如表1所示。通用化选型的喷嘴其纵向角度调节范围应较广,能适用于更多的车型。喷嘴B、D、F和G的纵向角度调节范围较广,能满足现有车型前喷嘴喷射角度的要求,对后续新车型开发的适配性也更强。作为前喷嘴通用化选型的潜在目标最合适。

3.2 安装结构

洗涤前喷嘴及安装过孔的典型结构如图3所示,喷嘴柱体与过孔直径存在尺寸配合关系,喷嘴柱体直径应小于过孔直径;卡爪间距与过孔卡接处宽度存在尺寸配合关系,喷嘴卡爪在自由状态下的间距应大于卡接处宽度,才能使卡爪在卡入安装孔内时受力变形,卡接紧密而不松动;而卡接高度与安装介质厚度有关,通过增加或更改软垫的方式进行调整。

各车型影响喷嘴与过孔装配的主要尺寸如表2所示,因喷嘴A、C、E的喷射角度调节范围较小,不考虑将其作为通用化喷嘴进行分析。

通过对喷嘴与过孔在各项尺寸配合下进行分析,各喷嘴适用于现有各车情况如表3所示。

在通用化选型时,考虑将扇形喷嘴和柱状喷嘴各保留一个作为通用化产品,将喷嘴B选型为柱状喷嘴的通用化产品;将喷嘴D选型为扇形喷嘴的通用化产品。

4  总结

本文主要对汽车洗涤前喷嘴进行了通用化选型分析,确定了喷嘴通用化的可行性。并根据前喷嘴尺寸结构与安装界面的关联分析,选型出了2款能适用于大部分车型的前喷嘴产品。不仅能缩减现有喷嘴产品的种类和数量,降低管理成本;还能在后续新产品开发时节省洗涤喷嘴的开发成本,节约开发时间。

参考文献:

[1]鞠晓峰.车身平台化开发策略研究[J].汽车技术,2012(2):7-10.

[2]侯凌云,侯晓春.喷嘴技术手册[M].北京:中国石化出版社, 2002.

[3]樊登柱,张辉,房善敏,郝静.汽车刮水系统防干刮改进设计[J].南通职业大学学报,2015,29(4):122-124.

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