余俊果

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

重卡經(jīng)常在中長途運輸，會遇到各種路況和天氣，刮水器作為清潔風(fēng)窗玻璃的設(shè)備是重卡上重要的安全部件。為保證重卡在風(fēng)雨交加的環(huán)境中正常行駛，由刮臂、刮片、傳動機構(gòu)及驅(qū)動電機組成的刮水器以合適頻率清潔風(fēng)窗玻璃上的雨水，保證司機能透過玻璃看清前方的路況。相較于普通家用汽車，重卡風(fēng)窗玻璃面積更大，且為了降低風(fēng)阻，重卡風(fēng)窗玻璃兩側(cè)一般較中部彎曲，玻璃曲率變化較大。因而重卡刮水器面臨更大的運行負(fù)荷及更復(fù)雜的運行狀態(tài)，對刮臂刮片、傳動機構(gòu)和驅(qū)動電機的設(shè)計提出更嚴(yán)格的要求。本文基于重卡平臺的使用工況及風(fēng)窗玻璃的特點，對刮水器的刮臂、刮片、傳動機構(gòu)及刮水器電機進行分析與研究，提出重卡刮水器的設(shè)計流程與計算方法，提升重卡刮水器設(shè)計成功率。

1 基本類型及結(jié)構(gòu)

重卡刮水器按機構(gòu)連桿數(shù)量一般分為四連桿機構(gòu)、六連桿結(jié)構(gòu)2種類型，按雨刮電機支架與連桿是否固聯(lián)為一個整體分為整體式、分體式2種類型，按刮片數(shù)量分為兩刮、三刮，按刮刷方向分為對刮、順刮。

從功能效果反推結(jié)構(gòu)設(shè)計，重卡刮水器在設(shè)計時遵循如下順序：

（1）根據(jù)風(fēng)窗玻璃形狀及大小確定刮刷范圍、刮片數(shù)量及刮刷角度。

（2）詳細(xì)設(shè)計刮臂刮片，調(diào)整刮臂轉(zhuǎn)軸位置與角度，調(diào)整刮臂刮片尺寸及角度，滿足刮刷范圍、刮臂起伏角、刮片攻擊角等要求。

（3）根據(jù)刮片數(shù)量及刮刷角度初步確定傳動機構(gòu)型式，計算校核運動角度及加速度確定連桿尺寸。

（4）根據(jù)刮片數(shù)量、刮臂長度、傳動機構(gòu)型式計算負(fù)載，確定刮水器電機功率。

2 刮片設(shè)計分析

在刮水器的運行過程中，刮片是清潔風(fēng)窗玻璃的直接執(zhí)行器，刮片的運行狀態(tài)直接決定刮水器刮刷風(fēng)窗玻璃的效果。在理想狀態(tài)下，刮片膠條刃口一側(cè)均勻地貼合風(fēng)窗玻璃曲面，以線接觸而非面接觸風(fēng)窗玻璃的狀態(tài)刮刷風(fēng)窗玻璃，將風(fēng)窗玻璃上的水跡掃平[1]。

為保證理想的刮刷效果，刮片膠條必須以下滿足3個要求：

（1）膠條刃口必須平順光滑，能與玻璃完全貼合。凹陷、突起、折痕等缺陷都會導(dǎo)致玻璃上殘留水跡。

（2）膠條頂部必須向刮刷運動的反方向偏轉(zhuǎn)合適的角度，使刃口一側(cè)線接觸玻璃。若膠條偏轉(zhuǎn)的角度不足或過大，會使膠條的端面或側(cè)面接觸玻璃，加之膠條各部位壓緊力不均勻及玻璃曲率變化，容易造成膠條不均勻貼合玻璃，使玻璃上殘留霧狀或條狀水跡。

（3）膠條必須隨玻璃曲率調(diào)整彎曲狀態(tài)，適應(yīng)玻璃變化的曲率，貼合玻璃。

2.1 攻擊角分析

由于刮片是兩側(cè)來回刮刷，對膠條兩側(cè)結(jié)構(gòu)、膠條與玻璃接觸的姿態(tài)要求是一樣的，如圖1所示。故膠條必須是左右對稱的，且膠條的中性面與玻璃面基本呈垂直狀態(tài)。

圖1 刮片工作原理

為了衡量膠條與玻璃的夾角，將膠條中性面與玻璃法線的夾角稱之為雨刮攻擊角。刮片運動到初始位置或極限位置，需要換向，膠條需要翻邊，用刃口的另一側(cè)刮刷。若膠條不能完全翻轉(zhuǎn)，則會造成膠條扭曲，不能保證一側(cè)刃口完全貼合玻璃，進而造成刮不干凈現(xiàn)象。為保證膠條順利翻轉(zhuǎn)，在初始與極限位置，膠條中性面在換向后的方向與玻璃的夾角應(yīng)略小于90°。雨刮攻擊角一般為-5°～5°，定義膠條中性面在玻璃法線左側(cè)的角度為正，如圖2所示。雨刮初始位置攻擊角應(yīng)為5°左右（3°～6°），極限位置攻擊角應(yīng)為-5°左右（-6°～-3°），由于車身及刮水器總成裝配可能造成約2°攻擊角誤差，實際裝車初始位置攻擊角為1°～8°范圍，極限位置攻擊角為-8°～-1°范圍。

圖2 攻擊角及正負(fù)

2.2 結(jié)構(gòu)分析

由于汽車風(fēng)窗玻璃是變曲率的曲面，不同部位玻璃的彎曲狀態(tài)不同，刮片在刮刷的過程中要求自動改變膠條彎曲狀態(tài)以貼合玻璃。通常采用兩種結(jié)構(gòu)的刮片實現(xiàn)，一是多級杠桿組成的有骨刮片，一是單簧片無骨刮片。

有骨刮片主要由骨架、簧片及膠條組成。骨架采用2級或3級疊加杠桿，杠桿旋轉(zhuǎn)可以使末端的卡爪適應(yīng)彎曲的玻璃。膠條與簧片被骨架末端的多個卡爪卡住，從而貼合在玻璃上。有骨刮片可使刮臂的壓力均勻傳遞到每一個卡爪，但是卡爪之間的壓力只能靠簧片傳遞，壓力會降低。在卡爪部位膠條受到的壓力基本相等且較大，在卡爪之間膠條受到的壓力降低，如圖3所示。

圖3 有骨雨刮膠條壓力分布

無骨刮片主要由簧片及膠條組成。無骨刮片簧片是有合適彈性的弧形鋼片，其形狀可隨玻璃的彎曲狀態(tài)而調(diào)整，從而使膠條貼合玻璃。無骨刮片簧片被刮臂壓在玻璃上產(chǎn)生形變，形變產(chǎn)生對膠條的壓力，形變大小不同則壓力不同，各部位曲率變化較小的玻璃可使簧片形變均勻，從而對膠條產(chǎn)生均勻的壓力[2]，如圖4所示。乘用車及輕卡玻璃較為平整，使用無骨刮片簧片變形均勻，可使膠條受到的壓力均勻。

圖4 無骨雨刮膠條壓力分布

由于重卡玻璃中間平緩而兩側(cè)較彎曲，無骨刮片在玻璃中間與兩側(cè)的形變差異較大，要么膠條中部與玻璃離空，要么膠條端部與玻璃離空，無法有效清潔風(fēng)窗玻璃，因而重卡刮水器通常采用有骨刮片。

3 刮臂設(shè)計分析

雨刮膠條受到的壓力過大則會使刃口過于彎曲，導(dǎo)致面接觸風(fēng)窗玻璃，從而導(dǎo)致摩擦力大，刮刷跳動、刮不干凈及異響等情況。雨刮膠條受到的壓力過小，則會導(dǎo)致部分膠條離空，不貼合玻璃，從而導(dǎo)致漏刮現(xiàn)象。所以需校核刮臂壓力，為刮片提供合適的壓力。刮片壓緊力應(yīng)≥1.2 N/mm[3]，一般最大不超過1.8 N/mm。具體要根據(jù)膠條硬度，試驗后確定。

刮臂內(nèi)側(cè)有一個彈簧拉住刮臂，產(chǎn)生對刮片的壓力，如圖5所示。在刮刷過程中，由于風(fēng)窗玻璃起伏不平，刮臂也會隨之起伏，從而導(dǎo)致彈簧拉伸形變量的變化。

圖5 刮臂彈簧結(jié)構(gòu)

彈簧力與形變量呈正比關(guān)系，故刮臂起伏角α大，會導(dǎo)致彈簧形變差異大，進而導(dǎo)致彈簧力變化大，刮臂壓緊力不穩(wěn)定。

設(shè)一次刮刷過程中，彈簧最大形變量為，彈簧最大形變與最小形變差值為，刮臂起伏角變化為α，則：

彈簧力變化為：

此時彈簧力變化（刮臂壓緊力變化）比例為：

通常設(shè)計要求刮臂起伏角α≤7°，此時刮臂壓緊力變化

4 傳動機構(gòu)設(shè)計分析

4.1 傳動機構(gòu)設(shè)計概要

在刮水器造成運行過程中，傳動機構(gòu)將驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為刮臂的搖擺運動，是典型的曲柄搖桿結(jié)構(gòu)。傳動機構(gòu)承受電機的驅(qū)動力和刮臂刮刷的負(fù)載，各聯(lián)結(jié)部位容易磨損松動，進水進灰，進而導(dǎo)致傳動機構(gòu)報廢。傳動機構(gòu)的設(shè)計要做好以下3個方面：

（1）機構(gòu)受力分析及優(yōu)化設(shè)計。

（2）金屬部件防腐蝕性設(shè)計。

（3）聯(lián)結(jié)部位防水、耐磨、潤滑設(shè)計。

4.2 四連桿機構(gòu)分析

傳動機構(gòu)一般由兩個四連桿曲柄搖桿機構(gòu)組成，其單側(cè)機構(gòu)如圖6所示。

圖6 四連桿機構(gòu)

設(shè)曲柄AB的長度為a，搖桿CD的長度為b，連桿BC的長度為c，曲柄與搖桿的旋轉(zhuǎn)中心距離AD為d，搖桿的最大擺動角度為，如圖7所示。雨刮傳動機構(gòu)無急回運動，則滿足以下關(guān)系：

圖7 四連桿機構(gòu)幾何關(guān)系

在等腰△CDC′中

傳動機構(gòu)設(shè)計時，已知刮刷角度θ，曲柄的長度為a，則搖桿長度為：

根據(jù)雨刮傳動機構(gòu)的規(guī)格，設(shè)定合適的連桿長度c，則曲柄與搖桿的旋轉(zhuǎn)中心距離為d可根據(jù)上述公式求解出來。

設(shè)連桿與搖桿之間的夾角為β，則驅(qū)動搖桿轉(zhuǎn)動的分力Ft=F×sinβ，徑向分力Fn=F×sinβ。β值越小，驅(qū)動力Ft越小，徑向壓力Fn越大，機構(gòu)運行動力小，阻力大，容易磨損卡滯，設(shè)計是應(yīng)盡量使β值變大。

設(shè)刮水器初始位置連桿與搖桿之間的夾角為β1，極限位置連桿與搖桿之間的夾角為β2，存在如下關(guān)系：

由于βmin=min{β1，β2}，當(dāng)時，βmin值最大。

故設(shè)計傳動機構(gòu)時，初始位置連桿與搖桿之間的夾角β1與極限位置連桿與搖桿之間的夾角β2應(yīng)相等。

通常，采用曲柄搖桿四桿機構(gòu)設(shè)計雨刮時，連桿與搖桿之間的夾角

即刮刷角度

4.3 六連桿機構(gòu)分析

六連桿傳動機構(gòu)一般由一個六連桿機構(gòu)和一個四連桿曲柄搖桿機構(gòu)組成，其六連桿機構(gòu)原理如下。

當(dāng)刮刷角度較大θ＞105°時，傳動機構(gòu)通常采用曲柄搖桿六桿機構(gòu)，如圖8所示。

圖8 六連桿機構(gòu)

此機構(gòu)也遵循初始位置和極限位置，連桿與搖桿之間的夾角相等的原則。

設(shè)搖桿的最大擺動角度為θ。雨刮傳動機構(gòu)無急回運動，一般采用作圖法確認(rèn)各連桿尺寸。需滿足如下條件：

（1）初始位置和極限位置曲柄AB、AB′與連桿BC、B′C′在同一條線上。

（2）|CC′|=|EE′|=|AB|（曲柄長度）

（3）|CG|=|EF|=|C′G′|=|E′F′|

（4）∠FDF′=∠GDG′=θ

（5）∠GCE=∠F′E′C′

（6）∠FDG=∠F′DG′（一般取60°或120°）

4.4 四連桿機構(gòu)與六連桿機構(gòu)運動仿真對比

CATIA加速度仿真分析發(fā)現(xiàn)，其他條件相同的情況下，采用曲柄搖桿四桿機構(gòu)的最大轉(zhuǎn)動加速度是六連桿結(jié)構(gòu)的1.2倍左右，說明四連桿機構(gòu)運動過程中受到的最大扭矩大于六連桿機構(gòu)，如圖9、圖10所示。

圖9 某型號雨刮采用四連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動加速度

圖10 某型號雨刮采用六連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動加速度

刮刷區(qū)域、刮刷角度大于105°的重卡，一般采取六連桿雨刮機構(gòu)，減小機構(gòu)磨損，提升耐久性能。刮刷區(qū)域、刮刷角度大于105°的重卡，可考慮采用四連桿雨刮機構(gòu)，降低刮水器重量及成本。

4.5 傳動機構(gòu)防腐及防護要求及措施

刮水器金屬部件必須采取防腐蝕措施，否則容易發(fā)生銹蝕斷裂。一般要求中性鹽霧試驗96 h后無銹蝕。通常采用噴塑、電泳、鍍鋅、熱鍍鋅鋼板等手段防腐蝕。

傳動機構(gòu)聯(lián)接部位，受到轉(zhuǎn)動力和徑向壓力，在工作的時候容易磨損松動。所以，聯(lián)接部位配合要求接觸面大以降低壓應(yīng)力，表面光滑以降低摩擦力。聯(lián)接部位均要求涂抹潤滑脂，潤滑脂起到隔離配合面的作用，避免配合面直接接觸磨損，有效提升結(jié)構(gòu)聯(lián)接部位耐磨性。由于潤滑脂遇水容易變質(zhì)，故聯(lián)接部位外部需套防水套，降低雨水對潤滑脂的影響。通常，刮水器機構(gòu)連桿與連桿之間采用光滑的金屬球頭與耐磨的尼龍球碗聯(lián)接，內(nèi)部涂抹足夠的潤滑脂防磨。刮臂轉(zhuǎn)軸與鑄鋁支座之間采用耐磨的含油軸承聯(lián)接，含油軸承采用粉末冶金工藝，內(nèi)部具有微小孔隙可以吸油，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時軸承溫度上升，潤滑油流出潤滑，停止運動后溫度降低，潤滑油被吸入軸承內(nèi)部。

5 驅(qū)動電機設(shè)計

5.1 高低檔位原理

電機是驅(qū)動刮水器運行的核心部件，具有精密的機械結(jié)構(gòu)和相對復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，在整個刮水器的工作壽命中最容易發(fā)生故障。刮水器電機通常都有兩種轉(zhuǎn)動速度，以適應(yīng)刮水器高、低兩個刮刷頻率的功能需求。通過改變電機內(nèi)部入回路的線圈繞組數(shù)量來改變電機的轉(zhuǎn)速，如圖11所示。其原理是風(fēng)窗刮水電動機工作時，在電樞內(nèi)同時產(chǎn)生反電動勢，其方向與電樞電流的方向相反。如要使電樞旋轉(zhuǎn)，外加電壓必須克服反電動勢的作用。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速升高時，反電動勢增高，只有當(dāng)外加電壓等于反電動勢時，電樞的轉(zhuǎn)速才能穩(wěn)定。由于重卡刮水器電機一般固定不變?yōu)?4 V，故刮水器平穩(wěn)運行時的反向電動勢也是固定不變的，當(dāng)接入電路的繞組數(shù)量變少時，電機必須更快速轉(zhuǎn)動切割磁場以維持基本固定不變的反向電動勢。所以刮水器電機低速檔接入全部的繞組，高速檔接入約2/3的繞組。

圖11 電機高、低檔位線圈繞組

5.2 自動復(fù)位原理

刮水器必須具有自動回位功能，其實現(xiàn)辦法是在電機內(nèi)部并入1個隨電機輸出軸轉(zhuǎn)動的圓形金屬開關(guān)，稱為回位盤。當(dāng)電機高速及低速檔位斷開，控制開關(guān)打到OFF檔時，回位盤開關(guān)與電機組成回位電路，回位盤隨電機輸出軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)運動到復(fù)位位置時，回位電路斷開，電機停止工作，刮水器復(fù)位。自動復(fù)位電路原理如圖12所示。

圖12 自動復(fù)位電路原理

5.3 電機減振設(shè)計

重卡刮水器電機具有較大的輸出功率，一般≥60 W，同時也受到傳動機構(gòu)較大的反向作用力，電機內(nèi)部渦輪蝸桿受到的壓力和沖擊力較大，容易磨損松動。渦輪采用耐磨材料，蝸桿采用金屬，基材柔韌抗沖擊，齒面淬火耐磨。渦輪蝸桿軸心需限位，否則兩種軸心距跳動容易磨損齒面。蝸桿軸向需采用彈簧限位，自動消除渦輪蝸桿磨損產(chǎn)生的間隙，降低間隙產(chǎn)生的沖擊力。

5.4 電磁兼容設(shè)計

電機高速運行時，會對外發(fā)射電磁波，對其他整車電子元件產(chǎn)生干擾，同時電機運行時反向電動勢會沿導(dǎo)線傳輸，沖擊其他串入回路的電子元件，影響整車其他設(shè)備正常運行。故刮水器內(nèi)部電路需帶電磁抑制電路，以滿足整車EMC要求。

5.5 防塵防水設(shè)計

重卡刮水器電機一般布置在車身鈑金外部，環(huán)境密封性不好，所以刮水器電機自身需滿足較高的防護等級，一般不低于IP56級。通常采用橡膠密封，橡膠密封是利用橡膠的壓縮回彈來緊緊貼合配合面，防止灰塵和水進入電機內(nèi)部，要求密封圈厚薄均勻形狀對稱，保證形變均勻且可控。由于電機運行時會產(chǎn)生80℃以上的高溫，停止運行后會被表面的雨水迅速降溫，內(nèi)部會產(chǎn)生變化較大的氣壓差，不利于電機密封，故在電機上利于排氣的地方開透氣孔，同時貼透氣膜防止雨水進入。透氣膜外需安裝防塵帽，防止灰塵附著在透氣膜上影響性能。

5.6 電機功率確定

在刮水器設(shè)計工程中，設(shè)計刮水器電機首先應(yīng)確定刮水器電機應(yīng)采用多大功率。要確定電機的合適功率，首先我們要計算電機的負(fù)載大小。電機的負(fù)載主要來自與刮片與風(fēng)窗玻璃之間的摩擦力及機構(gòu)間的阻力。可通過如下公式初步計算電機功率，最后通過試驗確定。

其中：P為功率；n為轉(zhuǎn)速；η為轉(zhuǎn)速對應(yīng)的效率，轉(zhuǎn)速對應(yīng)的效率由電機性能曲線圖查詢；T為刮片扭矩。

其中：K為系數(shù)通常取1；N為刮片數(shù)量；M為摩擦系數(shù)；L為刮桿長度；P為壓力；風(fēng)窗玻璃表面十分潤滑時μ=0.1～0.3；風(fēng)窗玻璃表面十分干燥時μ=0.4～0.6；風(fēng)窗玻璃表面半干燥時μ=0.7～1.2。

6 結(jié)語

電動刮水器經(jīng)過長期發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。但是新平臺的刮水器均是基于平臺基礎(chǔ)開展設(shè)計，設(shè)計者應(yīng)按照順序開展校核，確定刮水器整體結(jié)構(gòu)類型，還要結(jié)合平臺邊界使用環(huán)境及成本重量等，要求對每一個零部件細(xì)節(jié)進行設(shè)計，才能開發(fā)出滿足各方面要求的優(yōu)異產(chǎn)品。隨著汽車智能化發(fā)展，刮水器也在自動化、智能化的方向上演變，會給司機帶來更多的操作便利。