汽車天窗排水管總成設計方法

戴磊

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心,安徽合肥 230022)

汽車天窗排水管總成設計方法

戴磊

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心,安徽合肥 230022)

論述了天窗排水管總成的作用和組成，并闡述了天窗排水管總成各組件的結構設計、布置方法、材料選擇和設計確認過程。

天窗排水管總成；結構設計；布置方法

Abstract:The function and component of sunroof drain hose assembly were dissertated. Then the structure design, layout method, material choice and process of design confirm were described.

Keywords:Sunroof drain hose assembly; Structure design; Layout method

0 引言

隨著現代生活品質的提高和汽車配置逐漸豐富趨勢的到來，天窗作為一項既美觀又實用的配置，正在越來越多的轎車中普及。作為天窗附件的一部分，排水管總成承擔著排出天窗排水槽內積水的作用，在設計時需要考慮排水密封性、布置可行性、裝配便利性等因素。文中基于上述考慮對排水管總成的設計方法進行研究，并闡述了在某一款新開發車型上應用的過程。

1 天窗排水管總成介紹

設計時僅考慮天窗排水管是不夠的，由于天窗排水管一般路徑較長，在重要位置應設置固定點，此外其兩端分別與天窗出水口、車身相接，還需要考慮接口形式。這些相關的固定卡扣、接口等與天窗排水管構成了天窗排水管總成。針對現在的配件模塊化趨勢，天窗排水管總成應由一家供應商分裝好后模塊供貨，不僅提高了裝配效率，更可保證產品質量，是現在正在逐步發展的方向。

2 設計方法

2.1 天窗排水管布置形式

天窗排水槽內的積水，順著排水管排向車外，最好的方案是積水從車下部排出，這就需要排水管經過車門、車窗立柱，并通向車身地板或側圍內板。

目前天窗普遍有4個出水口，左/右側的前后出水口分別對應車身A柱和C柱，因此相應地天窗排水管布置形式為經過A柱和C柱，共有4根。

經過車門立柱的排水管又有兩種形式：第一種是從鈑金內穿過，即從立柱內鈑金和立柱外鈑金之間的空隙內穿過；第二種是從鈑金外穿過，即從立柱內鈑金和立柱飾板之間的空隙內穿過。早期帶有天窗的車型，排水管基本上都是采用第一種形式，其優點是不用考慮排水管與周邊的間隙，因為鈑金內空間足夠大，且沒有其他零件存在，無需分析排水管對其他零件的影響。但是它的缺點也很明顯，排水管在鈑金內部不可見，裝配時只能從一端放入排水管，從另一端抽出，比較費事，一旦出現排水管打折、卷曲等現象，將給裝配帶來不便；另外，排水管在鈑金內無法固定，車輛運動時，排水管很可能與鈑金反復碰撞產生噪聲，影響乘坐舒適性。因此，這種布置形式現在已經很少應用。第二種形式廣泛應用于新開發的車型中(見圖1)，其優點是可視化裝配，用卡扣將排水管固定，和車內線束一樣，更穩定可靠。在維修便利性方面也遠優于第一種形式，只需拆開立柱即可檢查排水管的情況。但是設計階段必須考慮安裝間隙、水管走向的合理性等。

2.2 天窗排水管的邊界條件

布置天窗排水管時，應考慮如下邊界條件：車身、頂棚、線束、側氣簾、立柱飾板等[1]。

車身。天窗排水管路徑較長，經過多個車身件，對于一些向內凸出的車身件，應避免干涉。既保證管路可繞過車身，又要避免管路方向不利于排水，應平衡考慮。

頂棚。與車身相同，排水管應避免與頂棚干涉。

線束。頂線束也需要從A柱、C柱處經過，因此，在布置排水管時，應避免與線束重合。

側氣簾。側氣簾作為安全件，應首先保障其功能，防止事故的發生，所以要關注排水管對它的影響。根據了解，側氣簾對周邊件的要求是硬質零件間隙不小于5 mm，軟質零件間隙不小于3 mm。而排水管屬于軟質零件，它與側氣簾的間隙應不小于3 mm，如圖2所示。

立柱飾板。排水管固定好后，與之相關的最后一道工序是立柱飾板的固定，因此排水管不能與立柱飾板干涉，否則會影響立柱飾板的安裝。值得一提的是，立柱飾板的安裝卡扣位置與排水管必須有不小于10 mm的間隙，否則可能會導致安裝時排水管損壞而漏水。比較有效的措施是在立柱飾板安裝點附近設置固定點。圖3所示為在A柱飾板安裝孔附近的排水管固定卡扣。

2.3 天窗排水管的材料選擇

目前車用水管材料多選擇橡膠制品，如三元乙丙橡膠(EPDM)、丁腈橡膠(NBR)等，它們的優點是耐熱性好，氣密性、耐磨及耐水性等均較好。考慮到天窗排水管的使用環境和成本，材料可選擇聚氯乙烯(PVC)，這也是目前天窗排水管普遍使用的材料，相對于橡膠材料，其機械強度高、耐腐蝕性好，其他性能也可以滿足天窗排水的要求，另外還可根據主機廠要求制成各種外觀顏色，甚至透明色。

2.4 天窗排水管的尺寸規格

確定天窗排水管的尺寸規格，需要滿足兩方面條件：(1)排水所需的最小尺寸要求；(2)與周邊件的間隙。根據經驗數據，可滿足排水試驗的天窗排水管內徑應不小于8 mm。

排水管尺寸規格確定后，應運用液壓傳動學的小孔流量公式進行校核確認[2]：

(1)

式中：Q為小孔流量，m3/s；

Cq為長孔及管嘴流量系數，建議取0.82；

A0為孔口面積，m2；

ρ為流體的密度，m；

H為孔口距液面的高度，m；

g為重力加速度；

Δp為壓力差，Pa；Δp=p1-p2。

有一些參數需要根據天窗確定。H是天窗排水槽的高度。排水槽內外均為大氣壓，所以Δp=0。

計算結果應滿足天窗排水量試驗的要求。

2.5 天窗排水管設計確認

基于以上各方面分析，可確認天窗排水管的結構與布置。圖4是一款正在開發的車型的排水管布置，需要從兩方面檢查是否合理：

(1)避免管路過度彎曲。由于排水管使用的材料PVC硬度較大，為了適應排水管布置的需要，加入了增塑劑[3]，但為了控制氣味，不能加入過多的增塑劑，因此排水管不能過度彎曲，否則會發生褶皺現象。根據排水管的特性規定：排水管的彎曲半徑應不小于60 mm，以保證排水通暢；

(2)防止水流堆積。應保持管路法向始終沿水平向下，否則水流會堆積在管路和天窗排水槽中，發生漏水現象。可通過使用CATIA軟件中的拔模分析工具檢查管路和水平軸的角度來判斷是否會有水流堆積現象。

2.6 其他組件的設計

2.6.1 固定卡扣

固定卡扣的形式有很多種，常用的有單管卡扣和雙管卡扣，如圖5所示。

單管卡扣便于安裝，如果周邊較大時優先選用；雙管卡扣的優點是線束和排水管可以共用一個卡扣，當車內空間狹小單管卡扣不易布置時可以考慮選用。

固定卡扣的布置應注意以下兩點：

(1)在立柱飾板內，兩相鄰卡扣的間隙不能小于200 mm，因為立柱飾板內空間較為緊湊，應保證固定效果，否則可能導致排水管與其他部件干涉；

(2)在立柱飾板安裝孔和排水管拐彎處必須設置卡扣，以保證排水管的路徑與設計狀態符合，且不影響立柱飾板的安裝。

圖6是某車型卡扣布置的示意，充分體現了上述注意事項。

2.6.2 排水管護套

排水管的最下端需要穿出車身，將水排出車外，所以要在車身上開孔，但同時還需要考慮車內的密封，防止車外的灰塵進入車內。因此有必要設計安裝在孔上的護套，排水管插入護套的一端即可，還可避免排水管被車身孔邊緣割破。

堵塞的材料為EPDM橡膠，彈性好，安裝在車身上較方便。圖7為一種常用的排水管護套。

如果排水口位于車身側面(例如翼子板內)，使用圖7所示的護套，排水管需要折彎，容易引起水管的褶皺，影響排水。可使用圖8所示的帶轉角的護套。

圖7 護套圖示

圖8 帶轉角的護套圖示

3 結論

詳細介紹了天窗排水管總成各組件的設計思路，且已在新車型的開發過程中得到驗證，具有較高的參考價值。

【1】 泛亞內飾教材編寫組.汽車內飾設計概論[M].北京:人民交通出版社,2012.

【2】 北京英科宇科技開發中心.機械工程師設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2008.

【3】 溫秉權.非金屬材料手冊[M].北京:電子工業出版社,2006.

DesignMethodofSunroofDrainHoseAssemblyofVehicles

DAI Lei

(Jianghuai Automotive Co., Ltd., Hefei Anhui 230022, China)

2014-03-31

戴磊(1982—)，本科，助理工程師，研究方向為汽車內飾設計。E-mail：cs_dl@jszx.jac.com.cn。