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雨刷之流場分析
  • 發布年度:2012
  • 主要類別:CAE技術
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 技術服務處 工程分析中心 賴文光


    平日不太引人注意的雨刷,它的功能不外乎是清除前擋玻璃的雨水及髒污,而清潔的程度與所使用之清潔劑及雨刷貼附於前擋的下壓力有關。一般而言,當雨刷貼附於前擋的下壓力足夠時,便有利於清潔,但若壓力過大,則容易刮傷前擋玻璃,且對雨刷馬達也是一大負荷;而下壓力不足時,雨刷清除前擋玻璃雨水與髒污的能力就會降低。

    以一個國外的例子而言,在無速限的高速公路上駕駛車輛,當行駛速度越來越快時,有車主發現雨刷在作動時無法清除髒污,甚至有脫離前擋的狀況。圖1為車輛在高速行駛中,雨刷之受力示意圖,其中,Fw為雨刷結構對前擋玻璃的初始預壓力,Fz為風對雨刷之水平向合力(阻力),Fy為垂直向合力(升力),FN為綜合Fw、Fz與Fy之雨刷對前擋玻璃的下壓力,當下壓力愈小時,意味著雨刷貼附於前擋的力量愈小,下壓力為負值時表示雨刷已揚起,脫離了前擋玻璃。

    圖1 雨刷受力示意圖

     該如何掌握所設計雨刷之下壓力與行駛車速的關係呢?除了以基本的流體力學原理粗略估算以及設計並試作出雛型進行實測外,運用電腦輔助工程分析(Computer Aided Engineering, CAE)的模擬技術,將所設計的雨刷與前擋玻璃之形狀、尺寸、流場範圍及行駛車速等設計資料,輸入電腦建立數值分析模型,再以計算流體力學(Computational Fluid Dynamic, CFD)分析軟體,即可計算出各種車速下流場的變化以及雨刷受力等數據資料,並以動畫方式呈現出來,使設計者可以很容易地掌握各種設計條件變動的分析結果。

    圖2為車速在120公里情況下,一個雨刷設計簡例之流場剖面示意圖,透過CAE模擬分析結果的後處理動畫顯示,可細部觀察雨刷附近的流場狀況。圖3為雨刷受風之壓力分佈狀況,直接受風吹拂的部分,壓力明顯較大。

     
    圖2 雨刷之流場分析剖面圖
    圖3 雨刷之壓力分佈圖

    表1為該設計簡例之雨刷結構對前擋玻璃預壓力值Fw,以及雨刷於不同車速下以CAE模擬分析所計算之流場壓力Fy與Fz。當車速提高時,雨刷的流場壓力值Fy與Fz會變大,且以Fy的增加幅度較大。表2為綜合Fw、Fz與Fy所計算之雨刷對前擋風玻璃的綜合下壓力值FN,由表2可更清楚看出當車速愈高時,下壓力減少愈多,這對雨刷清除前擋玻璃的雨水與髒污愈不利。

     

    如何能找到一個可以兼顧低速與高速行駛,雨刷之下壓力都能維持在適用範圍內的雨刷設計呢?透過CAE模擬分析方式,可以快速找出問題發生(雨刷貼附力不足或揚起)的原因,不僅如此,也可以改變各種雨刷設計參數,找到更好且更符合要求之雨刷設計,不但可減少許多設計、試作與測試錯誤的時間與成本,更重要的是,可以確保並提高所設計雨刷的品質性能,使駕駛者避免在雨天高速行駛時,因看不清前方而發生危險,這讓大家的行車安全多了一分保障。下次再看到雨刷時,可以再多看它一眼哦!

    若需要進一步瞭解相關內容細節,歡迎洽詢車輛中心 技術服務處 工程分析中心 賴文光

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