面向智能駕駛車輛探頭清洗的機械式水路分配器設計與研究

摘 要：采用機械旋轉式結構代替原有的電磁閥結構，設計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理與控制邏輯，論述分水器運行結構和功能實現方法。利用ABAQUS仿真軟件對分水器的整體結構強度進行校核，結合分析結果對進水閥蓋進行設計優化；運用流體仿真軟件Fluent對出水閥結構進行出口流速仿真計算，結合仿真結果對水路結構進行了優化，優化后結構滿足設計要求。

關鍵詞：汽車探頭；智能清洗；水路分配器；結構設計

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：B 文章編號：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

隨著社會的進步和科技的發展，智能無人駕駛汽車已經成為車輛工程領域重要的組成部分和汽車增長的新動力，無人駕駛汽車及其相關的智能技術已經成為研究的熱點^[1-3]。汽車在行駛過程中經過泥濘路面或者雨天等情況時，不可避免的會有泥沙、污漬、水滴等覆蓋到攝像頭和傳感器表面。如果沒有及時清除這些污垢，就會嚴重影響攝像頭采集圖像信息的質量^[4]，大大降低雷達等傳感器的識別能力^[5]，造成駕駛者判斷失誤或車載計算機識別錯誤信息，引發意外事故。因此，在車輛行駛環境中保持清晰的視野對于攝像頭捕捉行車環境和提供數據至關重要^[6-7]。

目前對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，清洗裝置內部設置有電磁閥，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閉，阻斷清洗液供給。羅小平等^[9]發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，通過控制開關控制電磁閥向鏡頭外端面噴射清潔介質以清洗鏡頭。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點。但是電磁閥通常只有開、關兩種狀態，無法對水路進行精準控制^[10]。同時，電磁閥的增多必定會造成系統質量和成本的增加。有研究發現當控制系統中存在多路電磁閥時會出現因電磁閥故障導致裝置無法使用的現象，故電磁閥數量與故障率成正比^[11]。同時，電磁閥的增多也會導致耗電量增加，這對于目前主流使用的以電能為動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值。

為此設計一種采用機械旋轉式的水路集中分配器裝置。本文介紹了該裝置的系統連接、運行結構和工作邏輯，對工作狀態下結構強度進行了仿真分析，并結合出水閥道設計，對水路結構進行了優化。

1 工作機理與控制邏輯

本裝置為汽車風窗洗滌系統中的一個升級模塊，整個升級系統由清洗模塊（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責接收需求模塊的需求信息并控制清洗模塊工作，形成一個整體清洗系統，如圖1所示（1—10為探頭位置）。

智能分水器是整套清洗系統的核心，不僅作為大腦進行傳遞信息和管控清洗模塊，同時最重要的一點是將洗滌泵輸出的洗滌液正確地導入到需要的水路清洗點。其工作流程為：行車計算機ECU接收到清洗信息并將信息發送至智能分水器；分水器清洗系統控制單元接收信息后經過編譯，通過比較內部程序，確定需打開的對應水路；通過轉盤電機轉動至所需閥體并頂開閥芯，同時控制壓力泵按預設的功率輸出合適的水壓，清洗液經過已被開啟的閥體、水管輸送至清洗噴嘴進行噴水清洗；清洗一定時間后分水器控制單元關閉供水，同時按預設程序開啟壓縮空氣罐閥門，將壓縮空氣經由原先閥門、水管送至噴嘴完成對攝像頭的吹風干燥。所有程序執行完畢后系統復位待機，工作流程如圖2所示。

2 運行結構與功能實現

智能分水器采用機械式結構設計，其結構布置如圖3所示，核心零件包括殼體、安裝在殼體上的傳動軸、驅動傳動軸的調位電機、蝸桿和蝸輪。閥體上設有進水腔和若干周向間隔布設的出水閥。出水閥包括閥座、閥芯、預緊彈簧如圖4所示，閥座上設有閥腔，預緊彈簧、閥芯均安裝在閥腔內，閥座上連接進水管，進水管連通在進水腔和閥腔之間，閥芯一端延伸出閥座的一端，閥座另一端設有出液嘴，預緊彈簧抵接在閥芯另一端和閥腔內壁之間。閥芯外壁上設有傾斜設置的活動密封面，閥腔內壁上設有固定密封面。固定密封面和活動密封面適配貼合阻隔進水管和出水嘴。轉軸連接用于推動閥芯移動使固定密封面和活動密封面分離的推動凸塊。

機械式的分水器采用圓盤結構，利用凸輪和預緊彈簧對水路進行選擇和限位。水泵將水流輸送到進水腔內，調位電機工作帶動轉軸轉動，與轉軸連接的凸塊結構推動閥芯移動使被預緊彈簧彈壓的密封圈和密封面分離，從而開啟出水閥，出水閥導通后即可實現水路的導通，進而通過該水路對相應的攝像頭進行清洗。清洗完成后，電機轉動推動凸塊回位待機。轉軸轉過不同的角度，使凸塊移動到不同的出水閥閥芯，進而開啟不同位置的出水閥，實現對不同探頭的清洗，如圖5所示。在預緊彈簧作用下，固定密封面和活動密封面適配貼合，由兩者之間的密封圈形成密封。出水閥開啟時，凸輪將旋轉力轉換成閥芯的軸向力，從而推動閥芯使固定密封面和活動密封面分離。

3 結構強度分析

對模型進行適當簡化，去除一些不必要的零件后利用商用有限元分析軟件ABAQUS對幾何模型進行網格劃分，得到有限元計算模型。分水器結構整體采用3D實體建模，其中螺栓緊固件采用六面網格建模，單元類型為C3D8I，其余結構采用四面體網格建模，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、耐沖擊等優良性能，常用于制作泵殼體、齒輪和軸承。具體材料參數為：密度1.41g/cm³，彈性模量2 500MPa，泊松比0.39，屈服強度59MPa。將材料的屈服應力σ_s除以安全系數γ（取1.1）便得到材料的許用應力σ_s，σ_s=53.6MPa。

為了達到清洗效果，經過測試可知，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，為此在設定智能分水器工作時內部流道需要承受最高的水壓為0.5MPa，有限元強度校核時邊界條件為固定分水器殼體底部，在管道內部施加0.5MPa的表面壓強，分析結果如圖6所示。計算結果顯示，分水器最大位移處為進水口端部，約為3.0mm，在反復加壓清洗的情況下此處容易疲勞開裂。另外分水器最大Mises應力為74.8MPa，最大Mises應力發生在進水閥蓋螺栓孔附件，其余零件應力較小。進水嘴根部周邊及閥蓋內側部分位置應力也超出材料許用應力，如圖7所示。

進水閥蓋外側壓緊密封螺栓孔周邊和進水嘴根部周邊的應力較大，其原因為進水閥蓋外側面的剛度較弱，可通過加筋的方式對外側結構進行補強，補強后結構如圖8（a）所示。閥蓋內側面的應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力，更改后的結構如圖8（b）所示。

對優化后的結構進行校核，校核后整體變形量由3.0mm降為1.0mm，最大Mises應力由74.8MPa降至43.2MPa，應力值小于材料許用應力σ_s。優化后出水閥蓋應力如圖9所示。

4 出水閥流道設計及CFD模擬分析

運用三維建模軟件建立出水閥流體流動的三維模型，模型整體尺寸約為29.7mm×8mm×21.5mm（長×寬×高）。進口流道直徑為?3mm，進口流道長度為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。考慮到流動區域結構較復雜，故以四面體網格劃分單元，劃分后共有835 158個單元，1 238 555個節點，出水閥流道結構如圖10所示。

采用計算流體力學（computational fluid dynamics， CFD）方法對出水閥內水流運動進行模擬。用Fluent前處理軟件ICEMCFD對模型進行網格劃分，整體網格采用四面體混合單元（Tetra/Mixed），壁面采用五面體棱鏡單元（Prism）進行局部加密，增加結果的準確性和減少計算發散的可能性，同時在原理壁面處采用較大的網格尺寸來加快計算的收斂速度。分析時假定水是不可壓縮的流體，選用k-omega SST湍流模型，運用simple算法求解。進口邊界為壓強進口，壓強值為0.5MPa；出口邊界也為壓強出口，出口壓強為一個大氣壓；其他邊界定義為黏性壁面，速度為0，壓力梯度為0，假定流動過程全部在常溫下進行。分析中使用Continuity，用V_x、V_y、V_z、k、energy、omega等參數對計算收斂進行監控，采用二階迎風離散格式對各控制方程進行數值求解，設置時間步長為0.000 1s，迭代周期次數為5 000次，每個迭代周期內最大迭代次數為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，最大流速出現在流體從進水腔流入閥體腔的初始段，流體在腔體內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，流體在出口處出現了渦流現象，其主要原因為過渡段的通道太過狹窄，導致進入出水腔的水流速度太大從而產生漩渦。對過渡段結構進行優化，出口吼道寬度從0.57mm增加到1.04mm，改進后的結果如圖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。優化后出水口的渦流消失，受壁面效應的影響，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的設計要求^[12]。

5 結語

本文對采用機械旋轉式結構的新型智能水路分配器裝置的工作原理及結構組成進行了詳細說明，并通過有限元仿真方法對分水器的結構強度和出水口流速進行了校核，通過仿真結果對出水閥蓋和出水閥道進行了設計優化，優化后的結構通過驗證初步滿足了設計要求。

1）分水器采用機械式結構設計，內嵌有集成電路可控制配套高壓水泵和空氣壓縮機協調運作。該集成電路可與整車網絡相連，接收網絡信息，過濾需求信號并發出的指令，實現駕駛模型下的自動清洗工作。

2）進水閥蓋為工作狀態下分水器應力最大位置，進水閥蓋外側應具有足夠的剛度來抵抗內部水壓引起的變形。另外水路設計時應盡量采用圓弧過渡避免造成結構的應力集中。

3）出水閥吼道設計應具有一定的寬度，避免由于通道狹窄造成的渦流現象。

本文所設計的裝置對各個水路進行充分整合，可以有效簡化清洗系統，降低能耗和成本，為車輛探頭清洗系統的應用推廣提供高效率的解決方案，可推動汽車智能清洗市場的發展。

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收稿日期：20230113