一種軍用雨刮系統的布置方法

楊曦明，閆博

一種軍用雨刮系統的布置方法

楊曦明，閆博

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

文章主要介紹了一種在狹小空間內布置雨刮系統的方法。該方法將雨刮系統所需相關參數進行分解，使雨刮系統布置分解為刮刷/刮臂布置和連桿布置。然后分別對它們求解，使得雨刮系統的布置更為簡單、準確。

汽車雨刮器；刮刷面積；仿真

1 引言

軍用汽車行駛路況惡劣，特別是在雨天、雪天行駛時，前風窗玻璃容易被雨水、雪水、泥水覆蓋，妨礙駕駛員視線。汽車雨刮系統能清除風擋玻璃上的雜物，使駕駛員有一個清晰的視野，降低了惡劣路況下交通事故的發生，是行車安全的重要保證。本文以一款軍用駕駛室前風窗雨刮的布置為例，介紹了布置軍車雨刮器的一種新方法。

2 常見的幾種軍用雨刮器類型

軍車駕駛室雨刮器可分為以下四種形式：同向刮刷、對刮、單臂可控刮刷和普通單臂刮刷。前兩種雨刮器根據電機數量不同可分為單電機驅動和雙電機驅動，其安裝位置多采用頂置或底置，運動方式多采用四連桿機構結構。

3 汽車雨刮刮刷布置的方法

汽車雨刮器主要由電機組件、刮片、刮臂和控制系統等部分組成，其設計根據用戶使用情況和維修情況滿足一些性能和結構要求。軍車雨刮系統不僅要滿足雨刮的常用功能，同時還需考慮軍車在戰時的生存性和實用性，因此前風窗都比較小。軍車在儀表臺部位的電器和裝置較多，故留給雨刮連桿的布置空間很緊湊。

3.1 雨刮刮刷面積

雨刮刮刷面積是指刮片往復運動過程中，刷過的風窗玻璃外表面上的面積。

3.2 軍用雨刮刮刷面積設計要求

目前軍用車輛無具體雨刮刮刷面積要求的國家標準，通常根據GB 11565-1989《轎車風窗玻璃刮水器刮刷面積》[1]中第4.2節的要求：刮水器的刮刷面積不得小于A區域的98%；B區域的80%。因此布置雨刮刮刷面積前，應根據GB 11556-1994《汽車風窗玻璃除霜系統的性能要求及試驗方法》中關于A、B區域的定義方法，在駕駛室前風擋玻璃上繪制出A、B區。并根據駕駛室前圍布置情況繪制出可供雨刮軸布置的區域。如圖1。

圖1 雨刮布置區域

3.3 雨刮片和刮臂的設計

雨刮片由橡膠唇、骨架、可移動臂等部分組成，是雨刮器與目標清除物支架接觸的部件[2]。刮臂是由臂、壓縮彈簧、夾緊件和支座等部件組成。它們是決定視野范圍的主要因素。因此設計時應在以下方面進行考量：

3.3.1 刮片長度

受軍方產品種類統型和備件影響，刮片長度主要有以下12種類型，長度分別為：200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、700mm、800mm。

3.3.2 刮片長度應和刮臂相適應

因刮臂提供的壓縮預計力是恒定的，當刮片過長時，預緊力在刮片單位長度的壓力會不足，會存在漏刮和刮不凈的隱患，當刮片過短時，預緊力在刮片單位長度的壓力富余，會存在橡膠唇永久變形和刮片工作時抖動的隱患。因此刮片長度和刮臂的對應關系如表1：

表1 刮片和刮臂的長度對應表

3.3.3 刮片和刮臂布置的要求

（1）刮片受刮臂的制造和裝配精度影響，刮片在縱向方向需預留10mm~20mm的富余量（推薦值為15mm）；在橫向方向需預留1°~2°的富余量或20mm~30mm的富余量（推薦值為25mm）。

（2）刮片起始位置與周邊件的夾角盡可能小，或不外露（藏在周邊件內）。

（3）刮片極限位置與A柱夾角盡可能小。

（4）同車雨刮片盡可能通用。

（5）同車雨刮臂盡可能通用。

3.3.4 刮片長度估算方法

（1）輸入條件：玻璃的長度L1、玻璃的寬度L2、轉軸距離玻璃下沿的距離L3。

（2）刮片的長度L4：

（3）由3.3.1可初定雨刮片長度為300mm。布置如圖2：

（4）由圖2可見雨刮刮刷面積未能覆蓋完A區，因此需重新調整刮刷長度、刮刷邊界距離玻璃的距離。用于確定刮臂旋轉點位置、刮片的初始角度α1、刮臂旋轉角度α2。調整后的布置如圖3，其中刮刷長度L4增加50mm，達到350mm。

圖3 雨刮布置2

（5）核算刮刷面積

由圖3可知A區的刮刷率為100%，滿足設計要求（≥98%）；

經尺寸核算B區的刮刷率為85%，滿足設計要求（≥80%）。

（6）根據雨刮布置2（圖3），輸出刮刷的初始角度α1、刮臂旋轉角度α2、刮臂長度L5和刮臂旋轉點的相對坐標。

4 雨刮連桿系統的設計

雨刮連桿系統包含輸出軸、擺臂、曲柄、連桿等部件。在設計時，要特別注意連桿系統的運動學特性，其中刮角的大小需滿足雨刮在整車上的布置需求（如圖3），同時需兼顧其速度、加速度、行程速比等影響雨刮穩定性的因素。

4.1 工作原理

電機轉軸做圓周運動，帶動電機曲柄l1做圓周運動，通過連桿l2將運動傳遞給擺臂l3，從而實現將曲柄l1的圓周運動轉變為擺臂l3的往復運動。擺臂鉚接在雨刮輸出軸上，而刮臂固定在雨刮輸出軸上，故擺臂的往復擺動通過雨刮輸出軸同步傳遞給刮臂，實現刮臂的往復擺動，從而帶動雨刮片的刮刷運動。

4.2 軍車連桿設計要求

4.2.1 在連桿系統中

球頭球碗是一個關鍵零部件，其材料的耐磨性以及配合間隙、接觸角等因素均影響雨刮的穩定性，是雨刮運行平順性的保證[3]。因此進行雨刮連桿布置時，需了解開發廠家的相類似部件的精度和其產品運動時的邊界誤差，再進行連桿長度的布置，給其留有足夠的容差。

4.2.2 軍車駕駛室種類眾多

但單個駕駛室數量很少。因此曲柄、擺臂、刮臂、刮片盡可能用現有成熟部件，連桿僅進行長度變更。

4.2.3 連桿長度計算

當曲柄旋轉與連桿重合時，連桿的擺臂處在左右最極限的位置點，產生擺桿的兩個極限角度（θmax、θmin），則擺臂的擺角θ擺角=θmax-θmin=α2=83.5°（見圖3）；

軍車常用曲柄長度l1=30mm；從圖3可得知轉軸和雨刮輸出軸之間距離l4=36.5mm，則擺臂選取范圍如下：

擺臂長度l3≤l4/COS(α2/2)=36.5/COS(83.5/2)≈48.9；

擺臂長度l3≥l1/sin(α2/2)=30/sin(83.5/2)≈45；

結合軍車常用擺臂的長度，暫選定l3=45。

因l3x sin(83.5/2)=29.965，與曲柄長度接近。故連桿長度與轉軸和電機中心的水平距離l5=437相近，通過CATIA軟件對雨刮臂的擺動角度大小與雨刮連桿長度變化關系進行設計和仿真，得出數據如表2：

表2 擺動角度隨連桿長度的變化數據

則最優連桿長度2=436mm

4.2.3 連桿運動校核

（1）根據刮臂轉軸旋中心坐標，作出各個旋轉點。

（2）根據雨刮電機轉軸中坐標，作出旋轉點。

（3）繪制曲柄l1，設置其與水平夾角變量α3，設初始值為0°，終止值3600°，步驟數1000。

（4）繪制連桿l2和擺臂l3，使其端點連接。

（5）繪制刮片L4和刮臂L5，按照刮片的初始角度α1進行固連。

（6）將刮臂L5、擺臂在曲柄l1與水平夾角為初始值θmax/θmin的位置進行固連。

（7）驅動變量α3，使其形成雨刮運動仿真，如圖4。

圖4 雨刮連桿運動軌跡

（8）核查雨刮的刮刷面積滿足法規需求。

（9）協同供應商核查雨刮在運動過程中位置與周邊件間隙滿足產品的精度需求。

（10）發布某軍車的雨刮布置圖。

5 結束語

雨刮總成是功能件，也是安全件。本文在雨刮布置時，首先根據玻璃大小和視野區域需求進行雨刮區域設計，確定刮刷角度、刮臂旋轉點、刮臂長度、刮臂旋轉角度；其次，從系統匹配的角度和零部件的結構功能進行分析，并運用CATIA進行運動仿真，確定最優布置方案。此方法在車型設計初期，能夠快速提供雨刮的布置方案，為后續的產品開發縮短了開發周期和費用。

[1] GB 11565-1989《轎車風窗玻璃刮水器刮刷面積》.

[2] 袁乾鋒,馮彬.昆明6號線城市軌道交通車輛刮雨器設計[J].技術與市場.2016年第7期p18-p19.

[3] 任丙成,寇青林,王宜海.分體式雨刮連桿系統的研究[J].農業裝備與車輛工程,2017年第2期p56-p59.

A layout method for military wiper system

Yang Ximing, Yan Bo

( Institute of Automotive Engineering R&DShaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper mainly introduces a method of distributing wiper system in narrow space. The method decomposes the relevant parameters of the wiper system into the wiper/wiper arm arrangement and the connecting rod arrangement. And then solve them respectively, making the layout of the wiper system simpler and more accurate.

Automobile windscreen wiper; Wiper area; Simulation

B

1671-7988(2019)21-110-03

U463.9

B

1671-7988(2019)21-110-03

楊曦明，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。閆博，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.038

CLC NO.: U463.9