重型卡車駕駛室冬季防滲水研究

岳冬冬，呂文帥，張 雷

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710220）

引言

在我國新疆、黑龍江等北方地區(qū)，冬季積雪不化，平均氣溫處于?20 ℃以下，導(dǎo)致這些地區(qū)冬季寒冷且濕度大。車輛在此區(qū)域運(yùn)行一段時(shí)間后，存在駕駛室頂蓋滴水現(xiàn)象。駕駛室內(nèi)部積水易造成電路短路、內(nèi)飾腐蝕發(fā)霉等問題，對(duì)車輛安全運(yùn)行及乘員身體健康造成極大的隱患，因此對(duì)頂蓋內(nèi)部積水原因進(jìn)行分析并研究規(guī)避措施。

1 駕駛室頂蓋內(nèi)部水源分析

重型卡車駕駛室頂蓋一般由蒙皮和骨架組成，蒙皮一般為由鋼板沖壓成型后分塊點(diǎn)焊，開有安裝其他零部件的安裝過孔，骨架與頂蓋蒙皮點(diǎn)焊或者膠粘，由此，駕駛室頂蓋內(nèi)部存在積水來源為兩種情況，一是駕駛室頂蓋外部水源滲入，主要由頂蓋處安裝孔、頂蓋外漏焊縫及玻璃膠粘止口等密封不嚴(yán)，導(dǎo)致外部水分滲入頂蓋內(nèi)側(cè)；另一部分是駕駛室內(nèi)濕空氣遇冷產(chǎn)生冷凝水，在駕駛室頂蓋內(nèi)表面形成積水。

2 駕駛室頂蓋外部水源及規(guī)避分析

2.1 駕駛室頂蓋外部水源進(jìn)入途徑及表現(xiàn)

經(jīng)分析，經(jīng)分析駕駛室頂蓋存在漏水的風(fēng)險(xiǎn)共5處，分別為氣喇叭安裝點(diǎn)區(qū)域、天線安裝點(diǎn)區(qū)域、遮陽罩安裝點(diǎn)區(qū)域、前下視鏡安裝點(diǎn)區(qū)域以及外漏焊縫區(qū)域。針對(duì)以上區(qū)域的密封措施進(jìn)行排查，并分析了可能的失效原因及漏水表現(xiàn)，見表1。

表1 漏水區(qū)域密封措施及失效表現(xiàn)

隨機(jī)抽選車輛，拆掉高架箱和頂襯等零部件，強(qiáng)化淋雨試驗(yàn)，淋雨壓力（150±10） kPa；淋雨強(qiáng)度（22～26） mm/min，淋雨時(shí)間30 min，從第5分鐘開始每5分鐘逐項(xiàng)檢查各區(qū)域是否存在漏水點(diǎn)及漏水表現(xiàn)，按照QC/T 476—2007《客車防雨密封性限值及試驗(yàn)方法》要求記錄頂蓋區(qū)域漏水情況并評(píng)分，經(jīng)確認(rèn)，駕駛室各風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域無滲、慢滴及滴等漏水情況，駕駛室密封性良好，見表2。

圖1 頂蓋漏水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域示意

表2 頂蓋漏水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域檢查結(jié)果

2.2 外部水源進(jìn)入途徑密封措施優(yōu)化

對(duì)各處安裝點(diǎn)進(jìn)行排查并持續(xù)優(yōu)化，制定以下措施：

（1）優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)。氣喇叭及遮陽罩密封墊優(yōu)化，由單道密封結(jié)構(gòu)改為雙道密封；下視鏡護(hù)殼優(yōu)化導(dǎo)水孔、槽布置位置，及時(shí)將積水排出；其他安裝點(diǎn)抬高安裝面，避免周邊存水。

（2）優(yōu)化裝配工藝。各安裝點(diǎn)除涂抹硅酮密封膠外，要求各裝配螺栓涂抹厭氧密封膠，規(guī)避密封膠老化導(dǎo)致的漏水問題。

3 駕駛室頂蓋內(nèi)部冷凝水及規(guī)避分析

3.1 凝結(jié)水形成的機(jī)理

大氣是由干空氣和一定量的水蒸氣混合而成的，一般稱為濕空氣，空氣的溫度越高，能夠包含的水蒸氣量越大，空氣的溫度越低，能夠包含的水蒸氣含量越小，因此，在含濕量不變的情況下，溫度降低，濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，進(jìn)而將濕空氣中的多余水蒸氣析出凝結(jié)成水滴，此過程也稱為結(jié)露，濕空氣達(dá)到飽和時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)溫度。因此，濕空氣碰到的介質(zhì)溫度低于其露點(diǎn)溫度，則析出冷凝水。

3.2 冬季低溫高濕地區(qū)駕駛室頂蓋內(nèi)冷凝水成因

北方地區(qū)冬季一般為當(dāng)年12月份到次年2月份，典型特征為氣溫低濕度大，以新疆烏魯木齊為例，當(dāng)年12月份平均氣溫為?12 ℃，次年1月氣溫為?25 ℃，次年2月份平均氣溫為?20 ℃，積雪覆蓋約175天，冬季室外相對(duì)濕度為77.5%。

冬季駕駛室采暖模式為再循環(huán)模式，外部新鮮空氣與駕駛室內(nèi)部空氣混合后，經(jīng)過暖風(fēng)芯體進(jìn)行加熱，再次吹向駕駛室內(nèi)部，在保證供暖的同時(shí)，提供乘員所需的新風(fēng)量[1]。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，冬季重型卡車暖風(fēng)常用風(fēng)擋為2擋，駕駛室內(nèi)部舒適溫度為18 ℃。

駕駛室內(nèi)部溫度為18 ℃～20 ℃時(shí)，不同濕度的露點(diǎn)溫度見表3，由于室外的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于駕駛室內(nèi)部的露點(diǎn)溫度，當(dāng)駕駛室內(nèi)的溫度與駕駛室鈑金直接接觸時(shí)，有冷凝水析出。

表3 環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)對(duì)照表

3.3 空調(diào)冷凝水量計(jì)算

駕駛室內(nèi)部的空氣的含濕量，一部分是新風(fēng)濕負(fù)荷，另一部分是駕駛室內(nèi)部人員散濕。

對(duì)于第一部分，即由新風(fēng)濕負(fù)荷形成的冷凝水，其由新風(fēng)溫度濕度、駕駛室內(nèi)空氣溫度濕度及空氣循環(huán)量等因素確定[2]。以新風(fēng)滲透混合循環(huán)為例求凝結(jié)水的水量：室外空氣狀態(tài)用W表示（在此循環(huán)中即代表滲透新風(fēng)），其含濕量為dW；室內(nèi)空氣狀態(tài)用N表示（在此循環(huán)中即代表室內(nèi)回風(fēng)），其含濕量為dN。其計(jì)算公式可以采用式（1）：

式中：W1為冷凝水流量，kg/h；

υ為風(fēng)量，取300 m3/h；

ρ為空氣密度，kg/m3，取1.2 kg/m3；

dH混合為新匯風(fēng)混合含濕量，為新回風(fēng)混合空氣的含濕量，新風(fēng)比×dW+回風(fēng)比×dN，g／kg；

dW為室外空氣含濕量，g/kg；

dN為室內(nèi)空氣含濕量，g/kg。

按環(huán)境溫度為?20 ℃，相對(duì)濕度77.5%，駕駛室內(nèi)溫度18 ℃，相對(duì)濕度55%。經(jīng)查，dW為0.33 g/kg，dN為7.8 g/kg，新風(fēng)占比20%，則：

dH=0.33×20% g/kg+7.8×80% g/kg≈6.3 g/kg

W1=1.2×300×6.3×10-3kg/h=2.268 kg/h

對(duì)于另一部分，即人員散濕形成的冷凝水，可采用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

W2為冷凝水流量，kg/h；

?為群集系數(shù)；

ni為i時(shí)刻區(qū)域人數(shù)；

g為成年男子散濕量。

取集群系數(shù)?=0.9，司機(jī)按中等勞動(dòng)強(qiáng)度，取g=175 g/h。

以上兩部分之和，就是在特定條件下濕空氣中可產(chǎn)生的冷凝水量。

綜上，單位小時(shí)內(nèi)駕駛室可產(chǎn)生的冷凝水量約為2.6 kg，即使在頂蓋產(chǎn)生的冷凝水占總產(chǎn)生冷凝水量的一半，那么冷凝水也會(huì)很明顯地表現(xiàn)出來。

3.4 駕駛室內(nèi)部冷凝水規(guī)避措施研究

根據(jù)冷凝水成因，規(guī)避冷凝水生成，可以通過降低駕駛室含濕量，減少冷凝水總量或提升駕駛室內(nèi)表面溫度至露點(diǎn)以上，規(guī)避冷凝水生成兩方面進(jìn)行，若降低駕駛室內(nèi)含濕量，駕駛室內(nèi)部比較干燥，舒適性差，且外部環(huán)境溫度和濕度均不可控，則可行的措施為通過保溫提升駕駛室內(nèi)表面溫度至露點(diǎn)溫度以上，避免冷凝水析出。

經(jīng)查，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，不流動(dòng)的空氣保溫性能相當(dāng)好，利用空氣這一特性進(jìn)行保溫，效果好，成本低。可通過空腔或者覆蓋閉孔發(fā)泡保溫材料等措施實(shí)現(xiàn)駕駛室保溫，采用數(shù)值模擬方法研究了極端條件下空腔保溫性能及保溫材料保溫性能。

內(nèi)表面溫度、空氣流速及外表面溫度、空氣流速均取極限值，結(jié)構(gòu)簡化進(jìn)行分析，見圖2。

圖2 分析圖

駕駛室頂蓋由頂蓋外板由天窗安裝骨架、橫向和縱向加強(qiáng)梁組成，因此頂蓋處空腔由以上部件構(gòu)成，空間主要考量鈑金外表面與鈑金內(nèi)表面間隙。

取空氣熱導(dǎo)率0.026 03 W/m·k，鈑金材料熱導(dǎo)率43.6 W/ m·k，分析結(jié)果見表4。

表4 鈑金間隙對(duì)內(nèi)表面溫度影響

保溫材料覆蓋在駕駛室內(nèi)部，考慮覆蓋成本及工藝可行性，選用某保溫材料，其熱導(dǎo)率0.025 W/m·k，閉孔率99.5%，主要考量覆蓋在鈑金外板上保溫層厚度，分析結(jié)果見表5。

表5 保溫層厚度對(duì)內(nèi)表面溫度影響

可知，在極限溫度情況下，鈑金間隙大于6 mm，則頂蓋內(nèi)部不產(chǎn)生冷凝水；若保溫層厚度大于7.5 mm，則頂蓋內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生冷凝水。

綜上，在實(shí)際應(yīng)用過程中，規(guī)避駕駛室內(nèi)部冷凝水，可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，鈑金內(nèi)外板間隙不小于10 mm，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法保證最小間隙的，可由覆蓋保溫材料厚度補(bǔ)齊；只有單層鈑金的部分則完全由保溫層覆蓋，保溫層厚度不小于10 mm，以保證駕駛室內(nèi)部表面溫度[3]。

4 結(jié)論

（1）駕駛室頂蓋內(nèi)部積水若是因密封不嚴(yán)導(dǎo)致，可通過強(qiáng)化淋雨試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)，并通過優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)，涂抹密封膠進(jìn)行改進(jìn)。

（2）駕駛室冷凝水產(chǎn)生的量較大，在高寒高濕區(qū)域，隨 著用車時(shí)間加長，頂蓋冷凝水膜逐漸積累、變厚，隨車輛顛簸，匯聚成水滴，并順頂蓋流下，駕駛室內(nèi)部冷凝水，可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和覆蓋保溫層，提升駕駛室內(nèi)表面溫度。