簡述雨刮彈片選材的技術革新

摘? 要：新的雨刮對中間鋼條的技術要求比之前有很大的提高。以Bosch 集團為代表的一批汽車工業集團也在內部的產品設計中引入低碳設計理念，在保證功能不變或提升的情況下，盡量選擇低碳環保的設計材料和工藝，這樣在整個產品的設計生命周期內最大限度地降低CO2的排放，本文就以公司內部一個產品零件設計為例，闡述我們在產品設計領域中的革新。

關鍵詞：雨刮;不銹鋼;能耗用

一、雨刮彈片材料SUS-204替代SUS-304的理論研究和實驗驗證

傳統意義的雨刮設計，我們以下圖示為例：

它的主要零件包含附件（Hold spring），骨架（Center bracket），鉚釘（Rivet），環扣（Buckle），中支（Second bracket），分支（Yoke），彈片（vertebra）和雨刮膠條（Rubber）。根據雨刮長度不同，去選擇不同的骨架，中支和分支去搭配以滿足不同車型，但總體結構都有相似性，這也是BOSCH系統模塊化平臺設計的具體體現。

基于一支22英寸雨刮的材料清單要求，一支傳統雨刮要用到2PCS 雨刮彈片，由于產品使用的特殊性，彈片的傳統選材我們要選擇不銹鋼SUS-304以提高產品在雨水中的抗腐蝕性。BOSCH公司在2015推出一項低碳的目標改善，就是要降低我們產品的碳排放量。在這個項目中，我們相繼把普通的熱軋鋼板（SGCC）更換成一般用冷軋鋼板（SPCC），雨刷彈片的不銹鋼選材也從高規格的SUS-304系列換成SUS-204系列，在功能測試和實際應用都取得了不錯的效果。本篇就以彈片的更新設計，作為一個突破口來展開說明。SUS 系列不銹鋼來自于日本JIS鋼鐵行業標準，SUS-304指的是304不銹鋼，相當于我國的（06Cr19Ni10）不銹鋼。SUS-204也是屬于同一個家族系列，成分當量相當于我國的0Cr18Mn8Ni5N。這兩種材料最終形成替代，很大意義上在于它們的成分很接近，兩種材料的化學成分和物理特性也很類似，但制造成本和工藝成本卻相差很多，即在某種意義上，換用SUS-204不但在成本上有著很大的節約，還在于它的制造等級沒有SUS-304那么嚴格和精細，在一定程度上節省了能源消耗，是一種低碳的材料選用，這就是我們之所以選擇這個研究方向的理論支撐和依據。

首先，我們通過一個表格來認識一下這兩種不同不銹鋼的物化性能：

從比對分析表中我們可以看出，兩種材料成分的最大不同在于Ni含量，而Ni是不銹鋼中最重要的元素，它的多少直接影響到不銹鋼的耐腐蝕強度。在不銹鋼中加入鎳，是為了使鋼容易形成單相組織（奧氏體），使鋼本身沒有形成微電池的能力，這是避免鋼被腐蝕的主要原因。奧氏體不銹鋼可抵抗酸的腐蝕，同時奧氏體沒有磁性，故加入鎳在不銹鋼一般就不會被磁鐵吸了。正常情況下， Ni含量越高不銹鋼的耐腐蝕強度會越大。鎳對奧氏體不銹鋼特別是對鉻鎳奧氏體不銹鋼力學性能的影響，主要是由鎳對奧氏體穩定性的影響來決定。在鋼中可能發生馬氏體轉變的鎳含量范圍內，隨著鎳含量的增加，鋼的強度降低而塑性提高，具有穩定奧氏體組織的鉻鎳奧氏體不銹鋼韌性（包括極低溫韌性）非常優良。在雨刮設計中，雨刮彈片的選材，其優良的低溫韌性也是有助于車子在冬天雨刮使用中有不錯的表現。

雨刮彈片在雨刮產品設計過程中的最大目的就是為膠條提供適度支撐而又要保持一定的柔性和彈力，以便讓膠條更好的和汽車玻璃貼合以達到優良的掛刷效果。所以，強度相關的力學性能要求不是很高，而雨水中的耐腐蝕性能反而是我們追求和集中的焦點。為了測試SUS-204和SUS-304這兩種材料替代的可行性，我們對其做了鹽霧對比實驗，以達到替換這一目標。相關驗證必須要在滿足我們實驗要求的前提下進行改進和嘗試，雨刮的行業標準大綱中，彈片的材料選用要求要能通過NSS 中性鹽霧實驗，具體的實驗標準如下：

Corrosion test（中性鹽霧實驗標準）

Test condition：

Salt spray 96h NSS DIN EN ISO 9227 with scratch according to DIN EN ISO 4628-8.

Evaluation without removing the blisters with adhesive tape or other tools.

Test specimen：

Only wiper blades to be tested （without wiper arms） including optionally covers.

Requirement：

The requirements are only valid for the visible parts of the blade assembly：

- Fe-corrosion on surfaces （planes） ? ?Ri1

- Fe-corrosion on the edges ? ? ?≤ Ri5

- blistering ≤ m2/g2

設計標準告訴我們，如果我們用SUS-204 代替SUS-304， NSS 鹽霧實驗要過96h后，彈片生銹等級程度，白斑為Ri1，邊沿生銹等級≤ Ri5，表面氣泡等級≤ m2/g2，這個目標很明確。為此，我們對產品進行了NSS（中性鹽霧實驗）對比實驗，并分成不同的產品彈片長度和測試時間梯度加以逐項對比。

SUS-204和SUS-304各個長度尺寸鹽霧實驗的分值結果如下：

備注：

A： 紅色代表實驗結果超出標準。

B： V3代表V3產品平臺，11”～28” 代表雨刮長度從11英寸到28英寸。

Test Photo（失效樣品圖片）：

我們從兩種材質的實驗結果來看，SUS-204和SUS-304的耐腐蝕強度在96h小時內基本上在同一個水平上，兩批樣品分別各有一支失效， Fe-corrosion 分數為Ri2。進一步測試144h和240h的實驗結果，SUS-304的抗鹽霧腐蝕的穩定性要比前者更持久，但品質過剩，我們不做過多分析。積極的實驗結果告訴我們，我們在設計雨刮彈片時可以選擇SUS-204來代替原本的SUS-304，產品的性能不會下降，這個實驗為我們提供了有力的實驗證明并為我們的決策提供了方向和參考依據。

二、簡單闡述SUS-204新材料選用對低碳排放的貢獻

一般情況下，業界以噸鋼綜合能耗來衡量我們的煉鋼水平，指企業在報告期內平均每生產一噸鋼所消耗的能源折合成標準煤量。每生產一噸粗鋼，從煉焦、燒結、煉鐵、煉鋼直到企業最終鋼材配套生產所必需的耗能量及企業燃料加工與運輸、機車運輸能耗及企業能源虧損所分攤在每噸粗鋼上的耗能量之和。也包括鋼鐵工業企業的采礦、選礦、鐵合金、耐火材料制品、碳素制品、煤化工產品及其他產品生產、輔助生產及非生產的能耗。隨著我國科學技術的發展和進步，我國鋼鐵工業頓鋼綜合能耗有了很大的降低，從1978年的2520Kg標準煤下降到了2017年的570.5Kg標準煤。年平均下降率達到了3.7%。盡管有了如此大的進步，鋼依然是社會發展能源消耗的大戶，特別是越精煉的鋼因提煉工藝漫長和復雜，對能源的消耗就越大。如果我們在工業產品設計時選擇低一個等級的鋼材，那在這個產品整個生命周期內，我們會節省很多的社會能源。譬如我們這次研究的對象SUS-204，相比比它高一個等級SUS-304來講，產品的可靠性不會差很多，但該類型的鋼，社會能耗會降低很多。

下表是以本公司2014～2018年度，在SUS-204和SUS-304切換期間，對兩種不銹鋼的需求數據表，我們從中可以比對出我們在完成了兩種材料替代，總共有多少頓SUS-304 的不銹鋼被等級稍微低一點的SUS-204替代。我們獲取了BOSCH公司深圳工廠2014～2018年對兩種不銹鋼的年用量，我們從下列表可以看出，SUS-304不銹鋼的用量逐年呈下降趨勢，而SUS-204逐年增加。

深圳工廠在2015年之前，雨刮用彈片全部采用SUS-304不銹鋼材，2015年我們部分產品切換成SUS-204不銹鋼材，我們綜合2014年～2018年這5年的不銹鋼用量，這5年間我們共耗用SUS-204不銹鋼材1422446kg，也就意味著5年的時間里我們用SUS-204鋼替代SUS-304鋼，總的替代規模約為1422.5頓。對工廠而言，雨刮彈片是做為一個工業終端產品導入使用的，產品的能耗的計算是要全生命周期加以統計，從鐵礦石的開采到不銹鋼的冶煉直至不銹鋼的終端產品，工藝形成的每一步都需要能源的消耗，就本文所闡述的兩種不銹鋼的應用來看，SUS-304和SUS-204在后端終端零件的應用工藝上沒有很大的區別。前端工藝，目前最為常見的工藝流程RKEF（回轉窯電爐）+AOD（氬氧精煉爐）也不會有很大的差別，主要差別就是鎳成分的填入量。我們可以運用公式計算出，2015年～2018年，這4年間，基于這個技術改進，這兩種材料對鎳的耗用是不同的，我們同樣可以把這個鎳用量的減少換算成標準煤：

能耗用（標準煤）=1422.5*（（0.11+0.08）/2 - （0.065+0.045）/2）*570.5=32461.45 KG

由以上計算結果可知，BOSCH深圳工廠通過4年的技術創新，為自然環境減少了32頓左右的碳消耗。

最后，通過理論設計，實驗驗證到規?；膶耄珺OSCH深圳工廠這個雨刮彈片不銹鋼選材與低碳應用的項目不但在成本節約上取得了不錯的成績，更重要的是我們在這一細分領域，創新了我們的設計理念，讓環保低碳的設計思維根深于我們的設計過程中，在社會環保低碳的趨勢中發揮我們的貢獻。

三、所閱讀文獻的查閱范圍及手段

雨刮因為是個具體的工業產品，在公共出版物里并沒有詳細的介紹和引申，絕大多數的設計知識和參考文件來自于各個公司的專利， VALEO SYSTEMES ESSUYAGE，ROBERT BOSCH GmbH ，TRICO PRODUCTS CORP ，DAEWOO MOTOR CO LTD，SIEMENS AG…。資料和文獻來源主要來自各個國家知識產權局和專利管理機關，外國文獻資料及企業設計的工程手冊。

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作者簡介：

張? 建（1979.8-），男，漢族，廣東深圳人，湖北工業大學碩士研究生，BOSCH集團深圳工廠雨刮工程經理;研究方向：項目管理在技術革新中的應用。