面向汽車(chē)視野雨水污染改進(jìn)的擋水條結(jié)構(gòu)優(yōu)化

【摘要】針對(duì)汽車(chē)側(cè)窗水污染問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)前風(fēng)窗擋水條的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合某款SUV車(chē)型不同前風(fēng)窗擋水條的汽車(chē)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，利用圖像處理技術(shù)定量分析前側(cè)窗和外后視鏡鏡面區(qū)域的水污染面積，給出一種綜合考慮側(cè)向和后向視野的評(píng)價(jià)方法。結(jié)果表明，增加前風(fēng)窗擋水條高度及儲(chǔ)水面積均可減少流向側(cè)窗的水量，弱化側(cè)窗水污染，最終獲得視野更優(yōu)且工程可實(shí)現(xiàn)的前風(fēng)窗擋水條方案。

關(guān)鍵詞：水管理 擋水條 水污染試驗(yàn) 評(píng)價(jià)方法 視野

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.91" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230425

Optimization of Vehicle Visual Field Rainwater Pollution for Water Bar Structure

Yang Fan， Li Yuhui， Jiang Zuxiao

（SAIC Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Shanghai 201805）

【Abstract】The rainwater pollution on vehicle side window affects driver’s safety critically， it is necessary to study this kind of water management situations. By improving the key parameters of windshield water bar， and in combination of vehicle climate wind tunnel test results of different windshield water bars of a SUV， this article quantiataively analyzes water pollution area of the front side window and the exterior rear view mirror area by image processing technology， and proposes an evaluation method considering the lateral and rearview field comprehensively. It is found that increasing the height of the windshield water bar and the water storage area can reduce the water flow to the side window and weaken the water pollution of the side window. Finally， a water bar scheme for the front wind window with better visual field and engineering feasibility is obtained.

Key words： Water management， Water bar， Water pollution test， Evaluation method， Visual field

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YANG F， LI Y H， JIANG Z X. Optimization of Vehicle Visual Field Rainwater Pollution for Water Bar Structure[J]. Automotive Engineer， 2024（11）： 43-48.

1 前言

研究表明，高速公路雨天行車(chē)工況下的事故率高于非雨天工況，且事故嚴(yán)重程度更高[1-2]。其主要原因之一是側(cè)窗和外后視鏡的雨水污染影響駕駛員的側(cè)向和后向視野，降低駕駛員感知車(chē)輛周邊環(huán)境的能力，進(jìn)而影響行車(chē)安全[3-4]。良好的側(cè)窗水管理性能可以保證雨天行車(chē)場(chǎng)景下車(chē)外視野清晰，提高車(chē)輛的安全性。

2012年，Gaylard等[5]通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真和環(huán)境風(fēng)洞雨水污染試驗(yàn)，觀(guān)察了雨天行車(chē)工況下雨水的匯集和運(yùn)動(dòng)軌跡。2015年，Jilesen等[6]通過(guò)對(duì)整車(chē)環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng)和雨水參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，在整車(chē)環(huán)境風(fēng)洞中復(fù)現(xiàn)車(chē)輛雨天行駛環(huán)境，且具備穩(wěn)定性和可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì)，整車(chē)環(huán)境風(fēng)洞逐漸成為研究車(chē)輛雨天行車(chē)相關(guān)工況的重要手段。此外，多位學(xué)者使用CFD仿真手段對(duì)車(chē)輛雨天行車(chē)側(cè)窗水污染的形成機(jī)制和改進(jìn)方向進(jìn)行了研究[7-10]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究大多通過(guò)CFD仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)側(cè)窗水污染現(xiàn)象進(jìn)行觀(guān)察，缺乏對(duì)側(cè)窗水污染性能的評(píng)價(jià)方法及針對(duì)實(shí)車(chē)的改進(jìn)方案，工程應(yīng)用指導(dǎo)意義有限。

本文以某純電動(dòng)SUV為研究對(duì)象，使用3D打印技術(shù)制作前風(fēng)窗擋水條方案樣件，在整車(chē)環(huán)境風(fēng)洞中對(duì)不同的擋水條方案進(jìn)行側(cè)窗水污染試驗(yàn)，通過(guò)建立更為精細(xì)的評(píng)價(jià)方法，分析擋水條結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)窗水污染的影響，進(jìn)而對(duì)側(cè)窗水污染進(jìn)行改進(jìn)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)對(duì)象和方案

本文試驗(yàn)對(duì)象為某純電動(dòng)SUV車(chē)型，車(chē)輛狀態(tài)為預(yù)批量認(rèn)可整車(chē)，車(chē)輛結(jié)構(gòu)和功能與量產(chǎn)車(chē)型一致。

雨天行車(chē)工況下，前側(cè)窗雨水的主要來(lái)源為A柱溢流，刮水器周期性刮擦將增加溢流的水量[11]。前風(fēng)窗擋水條的主要作用是將雨水收集并引流至前風(fēng)窗落水槽，減少越過(guò)A柱到達(dá)前側(cè)窗的雨水。前風(fēng)窗擋水條的剖面結(jié)構(gòu)如圖1a所示，其影響擋水性能的關(guān)鍵參數(shù)是擋水條邊緣與前風(fēng)窗玻璃之間的高度差H、擋水條的寬度L，以及與上述兩個(gè)參數(shù)關(guān)聯(lián)的儲(chǔ)水面積S，圖中S'為伴隨儲(chǔ)水面積。

本研究使用的方案如下：方案1為初始方案，如圖1a所示；方案2為在保證不遮擋駕駛員視野的前提下，通過(guò)工程設(shè)計(jì)增大前風(fēng)窗擋水條的寬度L，相應(yīng)地增加擋水條與前風(fēng)窗玻璃形成的儲(chǔ)水面積S，如圖1b所示；方案3是在方案1基礎(chǔ)上，通過(guò)增大前風(fēng)窗擋水條邊緣與前風(fēng)窗玻璃表面之間的高度差H，相應(yīng)地增加儲(chǔ)水面積S，如圖1c所示。

3種方案的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。為對(duì)比改進(jìn)效果，方案2、方案3的儲(chǔ)水面積相同。

前風(fēng)窗擋水條樣件均由ABS硬塑料3D打印獲得，試驗(yàn)時(shí)按照上述3種方案進(jìn)行更換。

2.2 試驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備

在同濟(jì)大學(xué)整車(chē)環(huán)境風(fēng)洞開(kāi)展試驗(yàn)，配備雨水模擬產(chǎn)生裝置、熒光顯示裝置和攝像裝置等。

雨水模擬產(chǎn)生裝置的噴嘴支架整體呈矩形，其短邊約1 m，長(zhǎng)邊約3 m，共布置26個(gè)實(shí)心錐噴嘴，相對(duì)位置如圖2所示。為保證產(chǎn)生的水滴更加均勻，噴嘴朝向與來(lái)流方向相反，大的水滴在來(lái)流的作用下將會(huì)破碎為顆粒更小的均勻水滴。

試驗(yàn)車(chē)輛及相關(guān)設(shè)備布置如圖3所示。車(chē)輛與雨水模擬噴嘴支架均沿風(fēng)洞中心軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置，噴嘴支架安裝于噴口處，車(chē)頭與噴口流向的距離為3.2 m，試驗(yàn)時(shí)激活車(chē)輛的電子駐車(chē)制動(dòng)功能。

試驗(yàn)前調(diào)整雨水模擬噴嘴支架的垂向位置，使雨水全面覆蓋前發(fā)動(dòng)機(jī)罩及車(chē)頂，以保證前風(fēng)窗玻璃、A柱區(qū)域、外后視鏡等與側(cè)窗水污染密切相關(guān)的區(qū)域均處于模擬雨水環(huán)境中。支架中心離地高度為1.1 m。

紫外燈矩陣置于流場(chǎng)外，位于前側(cè)窗玻璃側(cè)面，保證試驗(yàn)過(guò)程中前側(cè)窗玻璃區(qū)域紫外燈照度。拍攝裝置置于前側(cè)窗玻璃側(cè)面，試驗(yàn)前對(duì)攝像裝置和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證前側(cè)窗區(qū)域的水流發(fā)展被清晰記錄。

2.3 水跡顯示

試驗(yàn)用水為熒光水，配合紫外燈矩陣使用。試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉試驗(yàn)段內(nèi)環(huán)境光源，隔絕風(fēng)洞控制室光源，僅打開(kāi)紫外燈矩陣，以便在黑暗環(huán)境中記錄前側(cè)窗的水跡發(fā)展過(guò)程。

試驗(yàn)過(guò)程中使用攝像機(jī)記錄前側(cè)窗水污染的發(fā)展情況，并選取水跡發(fā)展穩(wěn)定后的圖片作為試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)束后拍攝外后視鏡鏡面水跡分布情況。每次試驗(yàn)前均使用清水對(duì)前風(fēng)窗玻璃、A柱區(qū)域、后視鏡區(qū)域等相關(guān)區(qū)域進(jìn)行清洗，并使用干凈紗布擦拭，避免前序試驗(yàn)過(guò)程殘留的熒光水劑的干擾。

2.4 測(cè)試工況

試驗(yàn)過(guò)程中保持噴嘴支架供水量不變，供水壓力為0.45 MPa，總供水量為150 L/h。試驗(yàn)風(fēng)速由低到高分別為70 km/h、90 km/h、110 km/h，單次試驗(yàn)時(shí)間為2 min，試驗(yàn)過(guò)程中刮水器設(shè)置為持續(xù)低速擋。每個(gè)方案試驗(yàn)結(jié)束后，更換前風(fēng)窗擋水條樣件。

試驗(yàn)車(chē)輛配置平行式刮水器。為保證駕駛員的前向視野，被刮水器刮向駕駛員側(cè)A柱的雨水更多，駕駛員側(cè)前側(cè)窗玻璃發(fā)生水污染的可能性和嚴(yán)重性也會(huì)更高。因此，本文僅對(duì)駕駛員側(cè)前側(cè)窗玻璃及外后視鏡鏡面進(jìn)行觀(guān)察。

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 前側(cè)窗視野區(qū)分區(qū)

駕駛員通過(guò)前側(cè)窗和外后視鏡獲得側(cè)向視野和后向視野，將駕駛員通過(guò)眼點(diǎn)看向外后視鏡穿過(guò)側(cè)窗玻璃的區(qū)域稱(chēng)為前側(cè)窗核心視野區(qū)，通過(guò)此視野區(qū)可以獲得車(chē)外側(cè)向視野，也可以通過(guò)該視野區(qū)和外后視鏡鏡面獲得車(chē)輛的后向視野。

選擇由SAE標(biāo)準(zhǔn)第95百分位身高、中等身材男性和第5百分位身高、中等身材女性的左、右眼點(diǎn)的中間點(diǎn)分別向駕駛員側(cè)外后視鏡鏡片邊緣作錐形投射，在駕駛員側(cè)前側(cè)窗形成了兩個(gè)區(qū)域，這兩個(gè)視野區(qū)的疊加區(qū)域即為前側(cè)窗核心視野區(qū)，前側(cè)窗玻璃上的其他區(qū)域?yàn)閭?cè)向視野區(qū)，如圖4所示。

3.2 圖像處理技術(shù)

早期研究中，側(cè)窗水污染試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方式為對(duì)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行主觀(guān)評(píng)價(jià)，人為判定側(cè)窗水污染性能是否可接受。該評(píng)價(jià)方法較為符合此項(xiàng)性能試驗(yàn)的初衷，即駕駛員在雨天行車(chē)過(guò)程中認(rèn)為側(cè)窗視野是否清晰，但該評(píng)價(jià)結(jié)果具有不確定性，較為依賴(lài)評(píng)價(jià)人員，并且對(duì)差別較小的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確分析。

在紫外燈的照射下，原本無(wú)色的水在關(guān)注區(qū)域內(nèi)會(huì)顯示為熒光劑的顏色，可用于判斷區(qū)域是否被水污染。根據(jù)式（1）可計(jì)算出關(guān)注區(qū)域內(nèi)水污染面積比S，其值越大說(shuō)明關(guān)注區(qū)域被水污染的情況越嚴(yán)重：

S=V/N×100% （1）

式中：N為關(guān)注區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)總數(shù)，V為區(qū)域內(nèi)綠色光強(qiáng)度大于閾值的像素點(diǎn)數(shù)量。

以70 km/h風(fēng)速工況下方案1的前風(fēng)窗擋水條為例，使用圖像處理技術(shù)對(duì)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行處理，結(jié)果如圖5所示，線(xiàn)框區(qū)域內(nèi)為關(guān)注區(qū)域。對(duì)上述圖像進(jìn)行技術(shù)處理，可以計(jì)算出此工況下前側(cè)窗、前側(cè)窗核心視野區(qū)和外后視鏡鏡面的水污染比例。

3.3 評(píng)價(jià)方法

駕駛員可以通過(guò)前側(cè)窗直接獲得車(chē)外側(cè)向視野，也可以通過(guò)前側(cè)窗和外后視鏡間接獲得側(cè)向視野。側(cè)向視野系數(shù)C和后向視野系數(shù)B越大，駕駛員獲得側(cè)向視野和后向視野的能力越強(qiáng)：

C=1-S₁N₁+S₂/N₂+N₁+N₂ （2）

B=（1-S₁）×（1-S₃） （3）

式中：S₁、S₂、S₃分別為前側(cè)窗核心視野區(qū)、前側(cè)窗其他區(qū)域、外后視鏡鏡面的水污染面積比，N₁、N₂為前側(cè)窗核心視野區(qū)、前側(cè)窗其他區(qū)域的像素點(diǎn)數(shù)量。

通過(guò)對(duì)關(guān)注區(qū)域水污染占比的計(jì)算分析，可以直觀(guān)地對(duì)比不同方案的側(cè)窗水污染性能。綜合考慮駕駛員側(cè)向視野和后向視野，可得到該測(cè)試工況下的綜合得分P，得分越高，車(chē)輛此項(xiàng)性能表現(xiàn)越好：

P=C+B/2 （4）

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 結(jié)果展示與定性分析

試驗(yàn)觀(guān)察可知，在3種試驗(yàn)速度下，開(kāi)啟雨水模擬系統(tǒng)并起風(fēng)至風(fēng)速達(dá)到設(shè)置風(fēng)速30 s后，前側(cè)窗玻璃表面的雨水發(fā)展均趨向穩(wěn)定。選取2 min時(shí)前側(cè)窗的拍攝視頻截圖及外后視鏡鏡面圖片作為試驗(yàn)結(jié)果。不同速度工況下經(jīng)過(guò)處理的側(cè)窗水污染試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

比較不同的試驗(yàn)風(fēng)速，在速度較低（70 km/h）的工況下，3種方案均未發(fā)生明顯的A柱溢流，前側(cè)窗水污染面積較小，但前側(cè)窗核心視野區(qū)水污染面積較大，且多為點(diǎn)狀水跡，部分匯集成小股水流。在速度較高（90 km/h和110 km/h）的工況下，均有明顯A柱溢流發(fā)生，前側(cè)窗水污染面積較大，但前側(cè)窗核心視野區(qū)水污染面積較小，且多為條狀水跡。

上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)椋涸诘退俟r下，雨水受重力影響更嚴(yán)重，多數(shù)雨水在前風(fēng)窗擋水條的阻擋下，流向前風(fēng)窗玻璃下方的落水槽，而非越過(guò)A柱到達(dá)前側(cè)窗，前側(cè)窗玻璃及外后視鏡表面的雨水主要為來(lái)流夾帶的水滴，水滴附著在相關(guān)區(qū)域后，受自身重力、表面摩擦力和來(lái)流剪切力的共同作用，匯集成小股水流向下發(fā)展；而在高速工況下，雨水在前風(fēng)窗玻璃表面受到較強(qiáng)的來(lái)流剪切力，部分雨水越過(guò)前風(fēng)窗擋水條到達(dá)前側(cè)窗玻璃，形成條狀水跡，且風(fēng)速越高，水跡分布在前側(cè)窗玻璃表面的位置越靠上。

對(duì)比不同方案，在速度較低（70 km/h）的工況下，對(duì)于方案1和方案2，側(cè)窗側(cè)向視野區(qū)、側(cè)窗核心視野區(qū)幾乎被水跡占滿(mǎn)，方案3側(cè)窗核心視野區(qū)水污染面積較小。在速度較高（90 km/h和110 km/h）的工況下，方案1和方案2的側(cè)窗側(cè)向視野區(qū)水污染面積較大，方案3側(cè)窗側(cè)向視野區(qū)水污染面積較小。整體而言，方案3較好。

4.2 結(jié)果定量分析

上述對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的直觀(guān)觀(guān)察，無(wú)法定量分析不同方案的優(yōu)劣。使用圖像處理技術(shù)，可得到3種前風(fēng)窗擋水條方案的側(cè)向視野系數(shù)C和后向視野系數(shù)B，如圖7所示。

對(duì)關(guān)注區(qū)域內(nèi)水污染占比情況進(jìn)行分析可知：在70～110 km/h速度范圍內(nèi)，速度越高，駕駛員側(cè)向視野系數(shù)越小，即側(cè)窗水污染面積越大，駕駛員獲得側(cè)向視野的能力越差；隨著速度的提高，駕駛員后向視野系數(shù)增大，即前側(cè)窗核心視野區(qū)和外后視鏡鏡面的綜合水污染面積越小，駕駛員通過(guò)外后視鏡獲得后向視野的能力越好。在不同的測(cè)試速度工況下，方案3的側(cè)向視野系數(shù)和后向視野系數(shù)均最大。3種方案各工況綜合得分如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述研究，本文選擇方案3為最佳方案，并得出以下結(jié)論：

a.行駛車(chē)速對(duì)水污染視野有明顯影響。低速工況下，雨水受重力影響更大、受氣流剪切力較小，A柱溢流較弱，關(guān)注區(qū)域內(nèi)雨水主要為來(lái)流直接夾帶附著；高速工況下，側(cè)窗表面來(lái)流剪切力較大，A柱溢流較強(qiáng)，雨水形成條狀水跡，隨風(fēng)速提高，側(cè)窗水跡位置上移，對(duì)后向視野有利。

b.擋水條的作用是阻擋A柱溢流。增加擋水條儲(chǔ)水面積可減弱A柱溢流，更大的擋水條高度可進(jìn)一步增大實(shí)際儲(chǔ)水面積，防污效果更佳，方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮增加擋水條高度。

c.結(jié)合熒光顯像圖像獲取與圖像像素點(diǎn)顏色閾值分析技術(shù)，可以有效獲得關(guān)注區(qū)域內(nèi)的水污染情況，是一種高效準(zhǔn)確且客觀(guān)的水管理試驗(yàn)測(cè)試手段。

d.區(qū)分側(cè)向視野和后向視野，賦予不同系數(shù)，給出視野綜合得分，能簡(jiǎn)便精準(zhǔn)地對(duì)駕駛員視野進(jìn)行客觀(guān)判斷，是一種更適用于工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的評(píng)價(jià)方法。

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（責(zé)任編輯 白 夜）

修改稿收到日期為2024年7月11日。