汽車天窗系統進排水特性試驗研究

【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，構建天窗排水管路物理模型并對管路設計進行建模推導，得到管路最大排水能力的理論計算公式，并搭建天窗試驗臺架，基于理論分析結果，通過試驗測量各參數及管路零件對排水管路排水能力的影響程度，并對比理論結果和試驗結果。針對實車天窗的進水特性進行試驗研究，分析不同車輛狀態下天窗進排水量分布特點，發現排水管水流量分布隨車輛傾斜角度的不同而不同，水平狀態下車輛前部排水量高于后部，建議管路設計時考慮車輛使用的坡度工況，增加前排水管的設計余量。

關鍵詞：汽車水管理 汽車天窗 排水管路 天窗漏水

中圖分類號：U463.85+9；U467.3 文獻標志碼：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， 孫會凱， 畢勝， 等. 汽車天窗系統進排水特性試驗研究[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中的關鍵性能，整車的防水密封能力是質量表現最直接的性能之一[1-3]。在整車水管理中，天窗系統作為體積最大、運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[4]。目前主流的天窗類型有內藏式、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現過盈配合，相互擠壓形成第一道密封，越過密封條的水由排水槽收集，經排水管排出[7-8]。天窗玻璃作為開閉件，涉及運動磨損和噪聲問題，無法完全密封，必須設置排水槽和排水管[9]。

本文將理論分析與試驗相結合，給出天窗排水管路設計的理論公式，通過試驗探究天窗進、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個排水口，分別位于天窗框架的4個角，前部2條排水管通常安裝在車身A柱護板內部，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。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，引導水流進入排水口，通過排水管抵達車身底板或輪罩將水流排出車外。

為便于分析，本文對天窗排水結構進行簡化，以單個排水管排水過程為對象構建天窗排水管路排水過程物理模型，如圖2所示。

定義進、出水口壓強分別為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）

經過實測，P1=P2=101.325 kPa，進口速度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成：

[H0=hf+hl] （2）

式中：hf=λlV22/（2dg）為沿程阻力損失，表示水流流動過程中由于固體壁面的阻滯作用產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邊界層分離，產生大量旋渦所造成的水頭損失；l為管道長度；d為管道內徑；λ為沿程阻力系數。

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）

定義管路內截面積為A，有效高度H=H1-H2，流量系數[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C與管路的粗糙度和管道長度l有關，對于光滑無摩擦圓管，C=1，實際條件下Clt;1。

圖3所示為流量系數C、局部阻力損失hl、有效高度H與管路最大排水量Q的關系。理想狀態下，C=1、hl=0，減小C和增大hl均會大幅降低管路最大排水量，同時，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架試驗

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。因此，本文通過試驗驗證各因素對排水管路最大排水量的影響。

通過搭建天窗排水試驗臺架對天窗排水過程開展研究。如圖4所示，將天窗框架固定在臺架上，連接排水管路，排水管路固定在鋁制金屬網上，以便實現管路的多種布置和連接。當排水管出水口水流穩定無氣泡、排水槽內液面高度穩定時，認為排水管排水量達到最大值，即達到排水管的最大排水能力。

3.1 有效高度和管道長度對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變化的試驗結果。可以看出，Q隨H的增加而增大，與理論公式相符合，H對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的關系?？梢钥闯?，l對Q的影響很小，Q均維持在理論計算排水值附近。

基于圖5a中理論計算結果與試驗結果的對比關系，擬合分析得到排水軟管的流量系數C應在0.35～0.40范圍內，試驗結果與C=0.375時的理論數據基本吻合。而根據文獻[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計的實際情況不符，原因是文獻[11]中的參數來源于機械設計軟件中給出的長孔及管嘴的流量系數，而本文參數為針對天窗排水管通過試驗測試獲得。

3.2 排水管彎曲布置對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，測試彎曲數量對流量的影響，結果如圖6所示，可以看出，管路彎曲的路徑對最大排水量沒有明顯影響。

為了進一步探究管路中存在向上彎曲對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=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，但是這種布置會使管路積水、污垢沉積，長期使用會導致排水管堵塞，出現發霉異味和異響等問題。

3.3 排水閥、堵塞物對最大排水量的影響

在天窗排水管路的實際安裝和使用中，排水管末端通常會連接2種排水閥，如圖8所示，且在日常使用中排水管路經常會進入雜物，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行試驗，當H=0.85 m時，試驗結果如圖9所示。

從圖9可知，排水閥1對管路最大排水量沒有影響，排水閥2對管路最大排水量影響較大，在試驗條件下，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對管路最大排水量的影響要大于其在進水口處時的影響，堵塞物使管路最大排水量降低7.8%～16.6%。若在天窗排水系統中采用排水閥2，則hl取值為0.05～0.10 m，此時流量的理論計算結果為6.99～6.67 L/min?？紤]到產品使用過程中可能出現排水管雜物堵塞，由于堵塞物的形狀、堵塞程度難以預估，建議將天窗排水設計余量上浮20%。

4 實車天窗進水特性試驗研究

為進一步明確天窗進、排水的特點，本文選取某SUV車型進行淋雨試驗，測量其配備天窗的實際進排水量，噴淋雨量選取1 500 mm/h、300 mm/h。1 500 mm/h雨量試驗結果如表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、側傾、左前傾和右后傾6種坡度放置狀態下的排水量，以模擬車輛在實際使用中可能出現的姿態[12]?？梢钥闯?，天窗排水受車輛在實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，設計天窗排水管時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，此時水流幾乎全部從最低側單個水管流出，若單個水管的最大排水量小于實際水流量則會使天窗漏水。

圖10所示為2種雨量下車輛在6種坡度放置時的總進水量分布情況?？梢钥闯?，在車輛前傾時天窗總進水量最大，此時使天窗密封間隙出現微小變化是導致進水量增大的最主要原因。因此，可對天窗密封件進行優化設計，減少車輛前傾時的進水量。

5 結束語

本文針對汽車天窗排水管設計、布置等問題，通過理論分析獲得天窗排水管設計公式，通過試驗分析了各類因素對排水管最大排水量的影響，修正了理論公式的系數取值，獲得了影響汽車天窗進排水的因素和特性規律。具體結論如下：

a. 單根天窗排水管路設計應滿足[Q=CA2g（H-hl）]，流量系數建議取值范圍為0.35～0.40；當應用排水閥時，局部阻力損失建議取值范圍為0.05～0.10 m；考慮未來使用出現堵塞物，建議整體設計余量增加20%。

b. 實車天窗進排水過程中，在不同車輛使用坡度工況下，最低處排水管水流量最大，水平狀態下前部排水量高于后部，建議管路設計時考慮車輛極限坡度工況，增加前排水管的設計余量。

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（責任編輯 弦 歌）

修改稿收到日期為2023年5月15日。