別克GL-8汽車后刮水器刮刷角度設計改進

鄭 虎，葉明挺

（1.上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201206；2.上海法雷奧汽車電機雨刮系統有限公司，上海 200245）

汽車后刮水器一般廣泛安裝在兩廂小汽車、商務車上，其作用是通過后刮水器清潔汽車后風窗玻璃，以便于駕駛員從后視鏡中觀察汽車后面的情況。這就要求后刮水器的刮水片正常地運行在汽車擋風玻璃的規定區域，如果后刮水器的刮水片的運行范圍超出規定區域，極易導致后刮水器的刮水片出現打邊框——即刮水片與汽車擋風玻璃下邊緣或側邊緣的橡膠密封條撞擊。這種故障模式不僅嚴重縮短刮水片的使用壽命，增加刮水電動機的運行負載，同時產生令汽車駕乘人員煩躁的噪聲。

目前，國內外汽車公司還沒有統一的強制性標準來規范汽車后刮水器的刮水片的運行范圍 （即刮刷面積，通過刮刷角度和刮刷半徑來評價），各汽車公司根據各自的要求規定后刮水器的設計標準。

本文通過對GL-8汽車后刮水器刮水片打邊框的故障件的分析，找出了刮水片打邊框的主要原因，同時針對該故障模式提出了改進建議。

1 別克GL-8后刮水器的簡介

1.1 技術數據與要求

汽車刮水器基本的技術要求是:刮水片必須在規定的刮刷區域內運行。如果刮水片運行區域超出規定的區域，極易出現刮水片打邊框，從而嚴重縮短刮水片膠條的使用壽命。

1.2 主要組成與結構

汽車后刮水器主要由刮水電動機子系統、減速傳動子系統 （內置在電動機中）和刮刷子系統組成。刮水電動機子系統、減速傳動子系統的外形結構如圖1所示。刮水電動機通過電動機內的減速傳動機構將電動機的動力輸出到刮水器的輸出軸上，同時將電動機轉子的單向旋轉的運動形式轉換為輸出軸的往復轉動，其減速機構的結構如圖2所示。

圖2中電動機轉子的蝸桿部分與減速蝸輪嚙合，實現減速功能；扇形齒輪與小齒輪嚙合實現刮水器輸出軸的往復運動，即實現刮水器的刮水片的往復刮刷功能。

2 后刮水器打邊框故障原因分析

通過對故障件的初步分析，產生刮水片打邊框的直接原因是刮水電動機的輸出軸的往復運行角度（直接影響刮水片的刮刷角度）超出設計規范。而導致刮水電動機輸出軸的往復運行角度超差的原因主要有內因和外因2個方面。

1）內因方面 ①傳動子系統的關鍵零部件尺寸，如圖2中的減速蝸輪、蝸桿、尺寸R、扇形齒輪和小齒輪的相關尺寸超差；②電動機轉子的蝸桿和減速蝸輪的嚙合間隙過大；③扇形齒輪和小齒輪的嚙合間隙過大；④傳動板尺寸R及其公差過大。

2）外因方面 刮水器的運行工況 （如汽車擋風玻璃的干濕程度）。

為了從各相關原因中找出刮水片打邊框的主要因素，我們從內、外因兩方面對故障件的相關因素進行分析。

3 具體故障件的檢測與分析

3.1 關鍵零部件尺寸

對影響刮刷角度的關鍵零部件 （如減速蝸輪、轉子蝸桿、扇形齒輪、小齒輪、傳動板）的主要尺寸進行了檢測，其結果如表1所示。由表1可見，關鍵零部件的尺寸均在公差范圍內，符合圖紙設計要求，即關鍵零部件的相關尺寸不是導致刮水器的刮水片打邊框的根本原因。

上文通過對大數據和工程造價這兩個基本概念的介紹，使得我們對它們有了一個清晰的認識，接下來就需要對大數據對工程造價的意義進行詳細的分析，主要表現在以下四個方面：

表1 關鍵零部件相關尺寸實測值

3.2 蝸桿與減速蝸輪嚙合間隙

蝸桿與其嚙合的減速蝸輪的設計參數:分度圓節距2.827 mm；減速蝸輪齒厚1.411±0.015 mm；蝸桿齒厚1.272±0.07 mm；最大嚙合間隙=分度圓節距-最小減速蝸輪齒厚-最小蝸桿齒厚=2.827-（1.411-0.015） - （1.272-0.07） =0.229mm。

當刮水器的刮水片運行至兩端極限位置，即刮水片的換向位置，如果蝸桿與減速蝸輪的嚙合間隙過大，則其系統慣量 （指刮水電動機、刮水片和刮臂組成的后刮水器總成的慣量）會引起刮水電動機輸出軸的刮刷角度增大。

通過對故障件的仿真計算顯示:最大間隙0.229 mm導致齒輪可以發生的角度變化為0.19°，最大間隙導致刮刷角度變化量為0.19°×1.5754≈0.3°，其中1.5754為角度放大倍數。

由于蝸桿和減速蝸輪的嚙合間隙的變化量導致刮刷角度最大增量為0.3°，由此可見，蝸桿和減速蝸輪的嚙合間隙對刮水電動機輸出軸的刮刷角度的增加影響不大。

3.3 扇形齒輪和小齒輪的嚙合間隙

扇形齒輪和與其嚙合的小齒輪的設計參數:分度圓節距5.498 mm；齒輪齒厚2.749±0.05 mm；小齒輪齒厚2.594±0.05 mm；最大間隙=分度圓節距-最小齒輪齒厚-最小小齒輪齒厚=5.498-（2.749-0.05）-（2.594-0.05）=0.255mm。

當刮水器的刮水片運行至兩端極限位置，即刮水片的換向位置，如果扇形齒輪和小齒輪的嚙合間隙過大，則其系統慣量會引起刮水電動機輸出軸的刮刷角度增大。

通過對故障件的仿真計算顯示:最大間隙0.255 mm導致齒輪可以發生的角度變化為0.796°，最大間隙導致刮刷角度變化量為0.796°×1.5754=1.254°，其中1.5754為角度放大倍數。

由于扇形齒輪和小齒輪的嚙合間隙的變化量導致刮刷角度最大增量為1.254°，由此可見，扇形齒輪和小齒輪間隙對刮水電動機輸出軸的刮刷角度的增加有較大影響。

3.4 傳動板的轉軸中心與減速蝸輪的轉軸中心的距離R

表2是實測的4個故障件刮水器刮刷片的刮刷角度與其R值的結果。從表2中可以發現，刮水器刮刷片的刮刷角度隨著R值的增大而增大。因此，R值的大小與刮水器刮刷片的刮刷角度直接相關。

表2 故障件不同R下的刮刷角度

3.5 刮水器的工況

通過試驗分析，刮水器在不同工況下的刮刷角度也存在一定的差異，如表3所示。

由表3可見，同一個刮水器在無負載條件下，其刮刷角度最小 （只有171°）；而刮水器在最大負載條件 （在擋風玻璃上加上滑石粉，以減小刮水片的膠條與玻璃之間摩擦系數）下運行時，刮水片的刮刷角度最大 （達到了180°）。在最大負載和最小負載條件下，同一個刮水器的刮刷角度的差異是很明顯的。而刮水器在干、濕玻璃上運行，其刮刷角度介于最大和最小負載之間。這是因為刮水電動機在沒有負載情況下，其系統慣量最小，以此類推。由此可見，刮水系統慣量對刮刷角度有很大影響，系統慣量越大，刮刷角度增加越多。

因此，我們得出:刮水器與汽車擋風玻璃之間的摩擦力越小，其刮刷角度越大。

表3 刮水器在不同工況下的刮刷角度

4 改進及效果

通過以上分析，可以得出結論:影響后刮水器刮打擋風玻璃邊框的關鍵內在因素是扇形齒輪和小齒輪間隙和傳動板的轉軸中心與減速蝸輪的轉軸中心的距離R；外因是刮水器的實際工況。

針對本案例，綜合各方面情況，我們在不改變其它相關零部件的情況下，僅利用減小傳動板尺寸R來驗證降低刮水器的刮刷角度，避免其打玻璃邊框。主要措施是將R的設計值由原來的14.77 mm減小至14.40mm，同時將其公差由原來的±0.13 mm減小至±0.05 mm。通過對改進產品的刮刷角度的測試和實際裝車試驗，其負載時刮刷角度從175.5°減小至172.2°，同時未發生刮水片打邊框現象。表4是減小后的不同R測試的刮刷角度測試值。測試和試驗結果表明:該設計更改有效合理，滿足顧客要求。

表4 更改后不同尺寸R下的刮刷角度

5 結論

通過對GL-8刮水器打擋風玻璃邊框的故障件分析，刮水器打邊框的關鍵因素是減速機構的傳動板尺寸R的差異。基于分析，針對后刮水器刮刷角度的設計提出以下建議。

1）后刮水器刮刷角度和負載工況有直接聯系，在進行設計時，需要考慮刮水系統的慣量、干玻璃工況或濕玻璃工況對刮刷角度的影響；在進行電動機設計時，需要根據這些數據，結合試驗數據確定無負載刮刷角度。一般來講，無負載刮刷角度比濕玻璃條件下刮刷角度小5°～9°是安全的。

2）磨損導致間隙增大，會導致刮刷角度增加，從而導致打邊框故障。故在設計時，需要減小刮刷角度名義值。

3）對于最直接影響刮刷角度的關鍵尺寸R的公差帶，不宜定義太大，否則對刮刷角度的控制不利。

［1］許實章.電機學 （第3版）［M］.北京:機械工業出版社，1995.

［2］陳景華.民用微電機原理與設計［M］.上海:微特電機編輯部，1990.