趙國(guó)平 張 晶 肖育林

(1. 同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 200092；2. 上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司乘用車(chē)公司技術(shù)中心， 上海 201804)

1 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)于汽車(chē)造型與安全的要求越來(lái)越高，這直接導(dǎo)致汽車(chē)雨刮布置空間越來(lái)越小，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于雨刮的原因?qū)е缕?chē)安全與造型很難兩全的局面。由于汽車(chē)雨刮占據(jù)著流水槽這個(gè)非常關(guān)鍵的部位，所以雨刮布置已經(jīng)成為汽車(chē)總布置中很重要的環(huán)節(jié)。

2 直驅(qū)電機(jī)發(fā)展

2.1 雨刮布置

雨刮系統(tǒng)是一個(gè)具有維持駕駛員及乘客視野的功能系統(tǒng)，需要在汽車(chē)動(dòng)靜態(tài)和最高車(chē)速時(shí)都能夠正常工作。傳統(tǒng)意義上的雨刮一般由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，即雨刮電機(jī)是圓周運(yùn)動(dòng)，由四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刮刷和刮臂進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。雨刮一般布置在由汽車(chē)前圍與導(dǎo)水板組成的流水槽中(如圖1-a所示)。

由于前風(fēng)窗雨刮器布置在前圍區(qū)域，此區(qū)域決定了整車(chē)的造型和安全根基?，F(xiàn)代汽車(chē)越來(lái)越要求車(chē)身采取流線型設(shè)計(jì)，需要玻璃盡量往前移，從而就要求玻璃安裝下橫梁也相應(yīng)往前移，這將導(dǎo)致沒(méi)有足夠的空間布置雨刮連桿機(jī)構(gòu)(如圖1-b、1-c所示)；同時(shí)為了使整車(chē)行人保護(hù)提高得分，當(dāng)行人頭部碰到發(fā)蓋壓饋時(shí)，發(fā)蓋下面零件的剛度較低才能保證較好的行人保護(hù)性能。為了滿足這些要求，一方面需要雨刮越來(lái)越小、剛度越來(lái)越低，但另一方面雨刮本身是一個(gè)運(yùn)動(dòng)件，對(duì)于強(qiáng)度有較高的要求，所以很難持續(xù)在體積與剛度上讓步。

為了解決這些矛盾，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)顛覆了傳統(tǒng)的雨刮設(shè)計(jì)：沒(méi)有連桿。傳統(tǒng)雨刮機(jī)構(gòu)是靠一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以需要通過(guò)四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)刮桿刮片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)中，電機(jī)采用電子馬達(dá)，電子馬達(dá)可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以連桿在直驅(qū)電機(jī)中就沒(méi)有存在的價(jià)值，雨刮系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)刮桿刮片運(yùn)動(dòng)。

(a)

圖2 直驅(qū)雨刮電機(jī)布置Fig.2 Direct drive motor package

在將連桿去掉后并將直驅(qū)電機(jī)布置在汽車(chē)流水槽兩邊(如圖2所示)，這樣就給造型師及安全工程師更大的優(yōu)化空間，在美化了整車(chē)造型的同時(shí)提高了雨刮的安全性能。

2.2 直驅(qū)電機(jī)發(fā)展

直驅(qū)電機(jī)的發(fā)展大概經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。

1) 初始階段(2003—)

初始階段一套雨刮系統(tǒng)是由兩個(gè)電機(jī)組成(如圖3所示)。電機(jī)沒(méi)有長(zhǎng)連桿，但電機(jī)本身自帶有小型四連桿機(jī)構(gòu)，體積相對(duì)于傳統(tǒng)雨刮大幅降低，但其本質(zhì)上還是傳統(tǒng)電機(jī)，只是布置上相對(duì)于普通電機(jī)更加緊湊。

圖3 直驅(qū)雨刮電機(jī)(2003)Fig.3 Direct drive motor(2003)

2) 起步階段(2009—)

起步階段的直驅(qū)電機(jī)將初始階段的小型四連桿機(jī)構(gòu)封裝在一個(gè)板式結(jié)構(gòu)箱中(如圖4所示)。相對(duì)于前一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)看上去更加美觀，同時(shí)由于雨刮運(yùn)動(dòng)包絡(luò)都被包含在封裝結(jié)構(gòu)中，布置也變得更加容易。

圖4 直驅(qū)雨刮電機(jī)(2009)Fig.4 Direct drive motor(2009)

3) 全新階段(2012—)

全新階段的直驅(qū)電機(jī)徹底拋棄了四連桿機(jī)構(gòu)，由電機(jī)輸出軸直接帶動(dòng)刮桿刮片運(yùn)動(dòng)(如圖5所示)。這種電機(jī)也非常規(guī)的圓周運(yùn)動(dòng)，是根據(jù)刮刷角度設(shè)定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而刮刷角度的設(shè)定是通過(guò)電機(jī)自帶的模塊實(shí)現(xiàn)，由于沒(méi)有連桿機(jī)構(gòu)，空間進(jìn)一步縮小，從而為雨刮優(yōu)化布置提供了便利可行的條件。

圖5 直驅(qū)雨刮電機(jī)(2012)Fig.5 Direct drive motor(2012)

3 直驅(qū)電機(jī)優(yōu)勢(shì)

3.1 模塊化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)雨刮電機(jī)的布置采用了連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)需與車(chē)身流水槽完全同步開(kāi)發(fā)，不同車(chē)型對(duì)應(yīng)的雨刮機(jī)構(gòu)基本沒(méi)法通用。由于直驅(qū)電機(jī)省去了連桿機(jī)構(gòu)，使得雨刮與車(chē)身的配合不再?gòu)?fù)雜，雨刮能實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，不同車(chē)型只需修改電機(jī)程序及安裝點(diǎn)位置即可通用于不同車(chē)型，減少研發(fā)與模具費(fèi)用。

3.2 節(jié)省空間

傳統(tǒng)雨刮采用四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)左右雨刮臂運(yùn)動(dòng)，這種布置一般將電機(jī)布置于流水槽中部，占用了流水槽空間，如圖6所示。

圖6 普通雨刮電機(jī)Fig.6 Common wiper motor

如果采用直驅(qū)電機(jī)，中間流水槽的空間可以省下來(lái)，節(jié)省了大量的空間，如圖7所示。

圖7 直驅(qū)雨刮電機(jī)Fig.7 Direct drive motor

由于節(jié)約了大量的空間，玻璃面可以更傾斜(如圖8所示)，從而可將汽車(chē)做成流線型設(shè)計(jì)，增加內(nèi)部乘員空間。同時(shí)由于中間沒(méi)有連桿，行人保護(hù)碰撞可以達(dá)到更高的等級(jí)。

3.3 有利于設(shè)計(jì)更好的刮刷模式

由于直驅(qū)電機(jī)采用程序控制的方式，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速是變化的，在如圖的B區(qū)與C區(qū)加速度小于A區(qū)(如圖9所示)。

圖8 汽車(chē)造型Fig.8 Vehicle style

圖9 刮刷模式Fig.9 Wiper pattern

圖10 刮刷模式Fig.10 Wiper pattern

通常情況下，考慮到制造公差、慣性等因素，雨刮實(shí)際刮刷模式與理論刮刷模式有較大的差異(如圖10所示)。由于直驅(qū)電機(jī)采取變加速模式，雨刮實(shí)際刮刷模式與理論刮刷模式差距變小，雨刮片初始位置可以隱藏得更好，有利于乘客視野，從而增加了消費(fèi)者的美譽(yù)度及雨刮安全性能。

3.4 減重

直驅(qū)電機(jī)由于采用了直接驅(qū)動(dòng)的方式，省去了連桿等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以重量相對(duì)傳統(tǒng)對(duì)刮減輕約29%。

3.5 EMC

新平臺(tái)的直驅(qū)電機(jī)集成了PCB板，為提升EMC性能提供了硬件基礎(chǔ)。

4 直驅(qū)電機(jī)面臨的問(wèn)題

4.1 成本高

首先，在技術(shù)上，直驅(qū)電機(jī)是近兩年才開(kāi)始上市的新技術(shù)，目前只有博世、法雷奧等跨國(guó)公司掌握了直驅(qū)電機(jī)的核心技術(shù)。其次，在用料上，直驅(qū)電機(jī)雖然節(jié)省了連桿，但一套雨刮系統(tǒng)應(yīng)用兩個(gè)電機(jī)，而電機(jī)成本高于連桿，所以直驅(qū)雨刮系統(tǒng)相對(duì)于普通雨刮系統(tǒng)成本高。由于以上兩個(gè)原因?qū)е卢F(xiàn)階段直驅(qū)電機(jī)成本居高不下。

4.2 軟件開(kāi)發(fā)難度大

直驅(qū)電機(jī)與普通電機(jī)最大的差異在于軟件。普通電機(jī)控制模塊集成于BCM(車(chē)身控制器)，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的高低速及間歇功能，開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單。而直驅(qū)電機(jī)控制模塊之間集成于電機(jī)本體，除了能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的高低速及間歇功能外，還能實(shí)現(xiàn)變加速度、改變刮刷角度和隨速轉(zhuǎn)動(dòng)等復(fù)雜功能，軟件開(kāi)發(fā)難度較大。國(guó)內(nèi)雨刮廠商已經(jīng)在直驅(qū)電機(jī)開(kāi)發(fā)商做了一些嘗試，但由于軟件開(kāi)發(fā)還沒(méi)有取得突破性進(jìn)展，所以目前與博世等跨國(guó)公司還存在很大的差距。

5 總結(jié)

直驅(qū)電機(jī)在整車(chē)上的應(yīng)用屬于起步階段，主要由于成本的原因，還不能在短時(shí)間內(nèi)普及。但由于直驅(qū)電機(jī)在布置及安全等方面有其不可替代的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)隨著技術(shù)導(dǎo)入成本降低后，直驅(qū)電機(jī)將是汽車(chē)上普遍采用的雨刮形式。