汽车雨刷片设计.doc

文章编号 1671802X(2012)05004305汽车雨刷片设计（安徽江淮汽车股份有限公司， 安徽合肥230601）邵刚摘要汽车雨刮系统是整车电器系统的重要组成部分，它为驾驶员和乘客在雨雪天气行车时提供清晰的视野和能见度，一旦发生故障，极大地影响到顾客雨雪天气的驾驶，严重者甚至会影响行车的安全。雨刷 片作为整个系统中最终的执行机构，重要性不言而喻。本文对雨刷片设计进行研究，为后续的产品提供一定的借鉴。关键词雨刷片; 攻击角; 压紧力中图分类号U461.3文献标识码B现代汽车市场 牵涉到安全的一些部件 ，更 容 易引起消费者的关注。汽车的雨刮系统使用频率较高， 在雨雪天气里显得尤为重要 。 加之, 雨 刷 片 为 易 损 件 ，于是雨刮系统在使 用过程中的故障率要高于其 他系统平均水平，顾客对该故障的抱怨也随之加大， 目前市场上的乘用车系 列 产 品 ，尤其是自主品牌产 品的雨刷片的设计水平 有待进一步提升 ，以 满 足 日 渐提高的顾客对于产品质量的期望。汽车雨刮系统由电机，连杆，摆臂和雨刷片四个 部分组成，雨刮电机为整个雨刮系统提供动力来源 ， 连杆用来传动雨刮电机 产 生 的 动 力 ，摆 臂 用 来 传 动 力和固定雨刷片 ，雨 刷 片则用于有效刮净汽车挡风 玻 璃 外 表 面 。 在 这 四 部 分 里 面 ，雨刷片是整个系统 的任务执行机构，起到至关重要的作用，但也是故障 率最高的一个部件。 本论文对雨刷片的相关设计要 点和注意事项进行分析研究，以期与同行交流1,2,3。一、雨刷片工作原理及功能（一）雨刷片工作原理雨刷片的功能 不是将玻璃上的雨水给刮掉 ，其 真正的功能是将玻璃表面的雨水抹平形成均一的水膜层，允许光线顺利穿过不会产生折射和弯曲变形 ，提高驾驶员清晰可视区。 如图 1 所示。图 1雨刷片工作示意图（二）雨刷片工作原理通过向雨刷片均匀施加垂直压力， 使雨刷片胶 条刃口垂直于汽车的挡风玻璃曲面，并且与其贴合， 达到将玻璃表面的雨水抹平形成均一的水膜层的目 的。 如图 2 所示。收稿日期20120827作者简介邵 刚（1982），男，安徽蚌埠人，工程师,研究方向：汽车零部件。4320121020XUEBAO技 术 应 用第 5 期邵刚汽车雨刷片设计进入 20 世纪 90 年代中后期， 一些技术实力雄厚的零部件企业探索出双成分刮水橡胶 ， 它由一个 特别硬的、 耐磨的刮水橡胶唇和逐渐变到特别软的 刮水橡胶背。 软的刮水橡胶背在刮水时在各种环境 温度下可以很好的换向和轻声地工作 。 图 4 为雨刷 片使用材料和工艺进化示意图.。图 2雨刷片工作原理二、雨刷片设计要点（一）材料一 直 以 来 ，由 于 具 有 优 良 的 回 弹 性 、绝 缘 性 、隔 水 性 及 可 塑 性 ，橡 胶 一 直是最适合制作雨刷片的材 料。早期的雨刷片 的材料多选用天然橡胶 ，天 然 橡 胶的综合物理机械性能 优于其他橡胶组成 ，加 工 性 较 好 ， 但是耐热氧老化及耐油较差 ， 随 着 技 术 的 进 步，合成橡胶开始广泛运用，合成橡胶具有优越的耐 氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力，在保证刮水性能的同 时，还增加使用寿命。 在同等的使用环境下，经过 50 万 次 的 刮 刷 后 ，使 用 天 然橡胶的雨刷片刮刷质量会 快速下降到 4.5 级（1 级为最优），而合成橡胶制品仍 然 可 以 维 持 在 3 级 的 水 平 ，图 3 为试验的数据对比 4,5。图 4雨刷片使用材料和工艺进化示意图综上所述，对于雨刷片材料的选择，没有明确的标准要求必须使用某种橡胶， 应根据橡胶厂商的技 术实力和控制水平来确定，一般原则下，应优先考虑 刮刷的性能，然后再进一步考虑其耐久性，这也是为 什么目前国内的雨 刷片制造厂商多选择天然橡胶 ， 而国际一流厂商多选择合成橡胶的原因 。(二)胶料硬度在橡胶材料确认的同时， 应考虑所选橡胶的胶 料硬度选择，因为胶料硬度过大或者过小，均会对刮 刷的质量产生不好的影响。胶料硬度过大时， 会导致雨刷刮刷胶条刃口与 刮刷的玻璃面刮刷角度过大， 进而增加雨刷片工作 时抖动的隐患。 图 5 所示为不同胶料硬度条件下的 刃口的刮刷角度（硬度从左到右不断增加）。图 5不同硬度胶料的胶条刃口刮刷角度图 3不同材料雨刷片的刮刷质量对比44XUEBAO20121020技 术 应 用第 5 期邵 刚汽车雨刷片设计反之，当胶料硬度过小时，会导致雨刷刮刷时胶条 力 度 不 够 ，存 在 漏 刮 和刮不净的隐患 。图 6 所 示为正常情形下和胶料硬度过小时的刮刷示意图 。图 8攻击角偏左过多时刷片运动示意图当攻击角偏右时，在左向刮水方向，出现雨刷片抖 动 、异 响 、刮 不 干 净 ，还 会因阻力过大长时间运转 烧 毁 电 机 ；在自由下压方向 ，右侧刃口受挤压变形 ； 在右向刮水方向， 由于右侧刃口变形， 出现刮不干 净，此时一般不会出现异响和抖动。 如图 9 所示。图 6胶料硬度正常和过小刮刷示意图我国的国标和汽标的相应文件里只要求了刮刷的耐久次数，没有对胶料的硬度做强制要求。 目前， 国际上比较通行的对天然橡胶和其他合成橡胶的硬 度要求都是 605 IRHD（国际橡胶硬度）。（三）攻击角以上几部分研究的是雨刷片本身的一些设计要 点 ，整 个 雨 刮 系 统 ，尤 其 是 雨 刮 摆 臂 ，对 雨 刷 片 的 影 响很大，以下几节就从几个方面进行分析研究 。攻击角是一个 重要的影响因素 ，我 们 把 雨 刷 片 的中心线与玻璃法线的夹角称之为攻击 角 ， 如 图 7 所示。图 9攻击角偏右过多时刷片运动示意图目 前 雨 刷 的 攻击角也没有标准和法规规定 ，一般设计为-5 +5，控制比较好的厂家可以做到-2 +2。 除了胶料硬度和刮杆对刷片的压紧力会对攻 击角产生影响外， 刮臂输出轴角度和刮臂扭角也是 影响攻击角的重要因素，当发现攻击角超出范围时， 可以通过调整扭转角来校正， 现阶段既可以通过简 单手段测试整体的攻击角， 也可以借助先进的仪器 测试整个运动过程中各点的攻击角曲线 ，如图 10 和 图 11 所示。图 7攻击角示意图当攻击角偏左过多时，在左向刮水方向，由于左侧刃口变形，出现刮不干净，此时一般不会出现异响 和 抖 动 ；在自由下压方向 ，左 侧刃口受挤压变形 ；在 右向刮水方向，出现雨刷片抖动、异响、刮不净，还会 因阻力过大长时间运转烧毁电机。 如图 8 所示。图 10简易的攻击角测试工装4520121020XUEBAO技 术 应 用第 5 期邵 刚汽车雨刷片设计z（五）压紧力分布摆 臂 对 雨 刷 片的压紧力并不是均匀分布的 ，尤 其是对于传统的有骨结构雨刷来说， 基本的规律是 卡爪位置压紧力较大，其余区域分布呈随机状，各点 的受力差距可以大到几百倍。图 14 所示的为某车型 雨刷片在初始位置时的压力分布图， 黑色线表示卡 爪位置，压力图中颜色越深表示压力越小。图 11某车型的主驾雨刷片攻击角曲线（四）压紧力雨刷片受到的 压紧力来源于雨刮摆臂 ，压 紧 力 的大小选择与雨刷片的长度成正比。我国的 QC T44-1997 汽车风窗玻璃电动刮水 器技术条件第 4.4.4 条刮杆对雨刷片的压紧力要求 如 下 ： 曲 刮 不 应 小 于 0.12N/cm， 平 刮 不 应 小 于0.09N/cm，某些国外标准定义范围更小些：Fwf=FspecLB式中，Fwf 为压紧力，N；Fspec 值为（14 1）N/m；LB 为雨刷片长度，m当压紧力过大时，胶条易挤压变形，且不定向的 导致双侧刃口变形 ，刷 片 磨 损 快 ，使 用 寿 命 短 ，且 运 行中伴有噪音。 如图 12 所示。图 14 某车型雨刷片初始位置压力分布图图中所有点的压力之和即为上一节中提到的摆 臂对整个雨刷片的压紧力。需要注意的是， 随着雨刷片在前挡风玻璃上运 行 的 位 置 不 同 ，各点的压力也是实时变化的 ，图 15所示为某车型雨刷片在不同位置时压力分布 ，清晰看出各点的压力是在变化的6,7。可以图 12压紧力偏大时刷片运动示意图当压紧力过小时 ，由于刃口无法与玻璃面产生 足够的压力，玻璃上的水和积污难以彻底清除，导致 刮不干净。 如图 13 所示：图 15某车型雨刷片多位置压力分布图受结构的影响， 有骨雨刷片的压力分布做不到相对均匀，但只要把材料（含硬度），攻击角和压紧力图 13压紧力偏小时刷片运动示意图46XUEBAO20121020技 术 应 用第 5 期邵 刚汽车雨刷片设计都设计和制造到位 ，雨 刷片的品质基本可以满足现 阶段的使用需求。近 年 来 ，无 骨 雨 刷 越 来 越 成 熟 ，许 多 中 、低 档 车 型也开始广泛运用。 与有骨雨刷靠骨架来使雨刷片 和玻璃贴合不同 ，无 骨 雨刷靠一整根导力条来分散 压 力 ， 雨刷片各部分受力均匀 ， 可 以 减 少 水 痕 的 产 生，达到更好的刮刷效果。 图 16 所示为两种雨刷片 压 力 分 布 对 比 ，左图为有骨刷片 ，右图为无骨刷片 ， 受力均匀，尤其是中间的主要刮刷区域。参考文献1 魏 春 源 译. BOSCH 汽 车 工 程 手 册 （第 3 版 ）M.北京：北京理工大学出版社，20092 谢遂志.橡胶工业手 册M.北 京 ：化 学 工 业 出 版社，19893 张舜 长 ，谢 孟 宏 ，王 文 廷.雨刷压力调节机构 之 设 计 与 研 讨C.第十九届中国机械工程 学 术 研 讨 会论文集，20024 徐业良.雨刷科技.科技雨刷！ J.汽车购买指 南杂志，2002,（5）5 QC T44-1997. 汽车风窗玻璃电动 刮 水 器 技 术条件6 SAE J903 -1999. Passenger Car WindshieldWiper Systems7 马 修 水 . 传感器与检测 技 术 M. 杭 州 ： 浙 江 大学出版社，2009图 16两种雨刷片压力分布对比图三、雨刷片使用要求再好的雨刷片 也会在紫外线等外界的影响下 ， 逐渐发生橡胶的老化，影响到刮刷的质量，对于消费 者 来 说 ， 最 好是每季度定期检查 ，8 月-1 年 更 换 1 次。 同时应该保持良好的使用习惯，比如：一定要在 有雨水的情况下使用 ；不能用雨刷片来除去风挡表 面的灰尘；洗车时注意轻擦，避免玻璃表层的油膜被 洗掉；能用慢挡刮就不用快挡刮；注意雨刷片本身的 清 洁 等 等 。 好 的 保 养 和 好的设计相结合 ，才 能 最 大 限度提高雨刷片的使用寿命和刮刷效果 。四、结论本文以雨刷片 为 研 究 对 象 ，通过对内外因的各 个要素进行分析和研究，结合日常接触到的案例，详 细总结出雨刷片的设计 要 点 ，为后续产品的开发和 日常问题的处理提供了理论基础。The Design of Vehicle Wiper BladeShao Gang（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei230601,China）Abstract: The wiper system is an important part of the vehicle electrical system to provide a clear vision and visibility for the driver and passenger in the rain and snow. When it has malfunction, it will affect the drivers driving and may even reduce traffic safety in the rain and snow. Wiper b