一种军用雨刮系统的布置方法

杨曦明，闫博

一种军用雨刮系统的布置方法

杨曦明，闫博

（陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

文章主要介绍了一种在狭小空间内布置雨刮系统的方法。该方法将雨刮系统所需相关参数进行分解，使雨刮系统布置分解为刮刷/刮臂布置和连杆布置。然后分别对它们求解，使得雨刮系统的布置更为简单、准确。

汽车雨刮器；刮刷面积；仿真

1 引言

军用汽车行驶路况恶劣，特别是在雨天、雪天行驶时，前风窗玻璃容易被雨水、雪水、泥水覆盖，妨碍驾驶员视线。汽车雨刮系统能清除风挡玻璃上的杂物，使驾驶员有一个清晰的视野，降低了恶劣路况下交通事故的发生，是行车安全的重要保证。本文以一款军用驾驶室前风窗雨刮的布置为例，介绍了布置军车雨刮器的一种新方法。

2 常见的几种军用雨刮器类型

军车驾驶室雨刮器可分为以下四种形式：同向刮刷、对刮、单臂可控刮刷和普通单臂刮刷。前两种雨刮器根据电机数量不同可分为单电机驱动和双电机驱动，其安装位置多采用顶置或底置，运动方式多采用四连杆机构结构。

3 汽车雨刮刮刷布置的方法

汽车雨刮器主要由电机组件、刮片、刮臂和控制系统等部分组成，其设计根据用户使用情况和维修情况满足一些性能和结构要求。军车雨刮系统不仅要满足雨刮的常用功能，同时还需考虑军车在战时的生存性和实用性，因此前风窗都比较小。军车在仪表台部位的电器和装置较多，故留给雨刮连杆的布置空间很紧凑。

3.1 雨刮刮刷面积

雨刮刮刷面积是指刮片往复运动过程中，刷过的风窗玻璃外表面上的面积。

3.2 军用雨刮刮刷面积设计要求

目前军用车辆无具体雨刮刮刷面积要求的国家标准，通常根据GB 11565-1989《轿车风窗玻璃刮水器刮刷面积》[1]中第4.2节的要求：刮水器的刮刷面积不得小于A区域的98%；B区域的80%。因此布置雨刮刮刷面积前，应根据GB 11556-1994《汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法》中关于A、B区域的定义方法，在驾驶室前风挡玻璃上绘制出A、B区。并根据驾驶室前围布置情况绘制出可供雨刮轴布置的区域。如图1。

图1 雨刮布置区域

3.3 雨刮片和刮臂的设计

雨刮片由橡胶唇、骨架、可移动臂等部分组成，是雨刮器与目标清除物支架接触的部件[2]。刮臂是由臂、压缩弹簧、夹紧件和支座等部件组成。它们是决定视野范围的主要因素。因此设计时应在以下方面进行考量：

3.3.1 刮片长度

受军方产品种类统型和备件影响，刮片长度主要有以下12种类型，长度分别为：200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、700mm、800mm。

3.3.2 刮片长度应和刮臂相适应

因刮臂提供的压缩预计力是恒定的，当刮片过长时，预紧力在刮片单位长度的压力会不足，会存在漏刮和刮不净的隐患，当刮片过短时，预紧力在刮片单位长度的压力富余，会存在橡胶唇永久变形和刮片工作时抖动的隐患。因此刮片长度和刮臂的对应关系如表1：

表1 刮片和刮臂的长度对应表

3.3.3 刮片和刮臂布置的要求

（1）刮片受刮臂的制造和装配精度影响，刮片在纵向方向需预留10mm~20mm的富余量（推荐值为15mm）；在横向方向需预留1°~2°的富余量或20mm~30mm的富余量（推荐值为25mm）。

（2）刮片起始位置与周边件的夹角尽可能小，或不外露（藏在周边件内）。

（3）刮片极限位置与A柱夹角尽可能小。

（4）同车雨刮片尽可能通用。

（5）同车雨刮臂尽可能通用。

3.3.4 刮片长度估算方法

（1）输入条件：玻璃的长度L1、玻璃的宽度L2、转轴距离玻璃下沿的距离L3。

（2）刮片的长度L4：

（3）由3.3.1可初定雨刮片长度为300mm。布置如图2：

（4）由图2可见雨刮刮刷面积未能覆盖完A区，因此需重新调整刮刷长度、刮刷边界距离玻璃的距离。用于确定刮臂旋转点位置、刮片的初始角度α1、刮臂旋转角度α2。调整后的布置如图3，其中刮刷长度L4增加50mm，达到350mm。

图3 雨刮布置2

（5）核算刮刷面积

由图3可知A区的刮刷率为100%，满足设计要求（≥98%）；

经尺寸核算B区的刮刷率为85%，满足设计要求（≥80%）。

（6）根据雨刮布置2（图3），输出刮刷的初始角度α1、刮臂旋转角度α2、刮臂长度L5和刮臂旋转点的相对坐标。

4 雨刮连杆系统的设计

雨刮连杆系统包含输出轴、摆臂、曲柄、连杆等部件。在设计时，要特别注意连杆系统的运动学特性，其中刮角的大小需满足雨刮在整车上的布置需求（如图3），同时需兼顾其速度、加速度、行程速比等影响雨刮稳定性的因素。

4.1 工作原理

电机转轴做圆周运动，带动电机曲柄l1做圆周运动，通过连杆l2将运动传递给摆臂l3，从而实现将曲柄l1的圆周运动转变为摆臂l3的往复运动。摆臂铆接在雨刮输出轴上，而刮臂固定在雨刮输出轴上，故摆臂的往复摆动通过雨刮输出轴同步传递给刮臂，实现刮臂的往复摆动，从而带动雨刮片的刮刷运动。

4.2 军车连杆设计要求

4.2.1 在连杆系统中

球头球碗是一个关键零部件，其材料的耐磨性以及配合间隙、接触角等因素均影响雨刮的稳定性，是雨刮运行平顺性的保证[3]。因此进行雨刮连杆布置时，需了解开发厂家的相类似部件的精度和其产品运动时的边界误差，再进行连杆长度的布置，给其留有足够的容差。

4.2.2 军车驾驶室种类众多

但单个驾驶室数量很少。因此曲柄、摆臂、刮臂、刮片尽可能用现有成熟部件，连杆仅进行长度变更。

4.2.3 连杆长度计算

当曲柄旋转与连杆重合时，连杆的摆臂处在左右最极限的位置点，产生摆杆的两个极限角度（θmax、θmin），则摆臂的摆角θ摆角=θmax-θmin=α2=83.5°（见图3）；

军车常用曲柄长度l1=30mm；从图3可得知转轴和雨刮输出轴之间距离l4=36.5mm，则摆臂选取范围如下：

摆臂长度l3≤l4/COS(α2/2)=36.5/COS(83.5/2)≈48.9；

摆臂长度l3≥l1/sin(α2/2)=30/sin(83.5/2)≈45；

结合军车常用摆臂的长度，暂选定l3=45。

因l3x sin(83.5/2)=29.965，与曲柄长度接近。故连杆长度与转轴和电机中心的水平距离l5=437相近，通过CATIA软件对雨刮臂的摆动角度大小与雨刮连杆长度变化关系进行设计和仿真，得出数据如表2：

表2 摆动角度随连杆长度的变化数据

则最优连杆长度2=436mm

4.2.3 连杆运动校核

（1）根据刮臂转轴旋中心坐标，作出各个旋转点。

（2）根据雨刮电机转轴中坐标，作出旋转点。

（3）绘制曲柄l1，设置其与水平夹角变量α3，设初始值为0°，终止值3600°，步骤数1000。

（4）绘制连杆l2和摆臂l3，使其端点连接。

（5）绘制刮片L4和刮臂L5，按照刮片的初始角度α1进行固连。

（6）将刮臂L5、摆臂在曲柄l1与水平夹角为初始值θmax/θmin的位置进行固连。

（7）驱动变量α3，使其形成雨刮运动仿真，如图4。

图4 雨刮连杆运动轨迹

（8）核查雨刮的刮刷面积满足法规需求。

（9）协同供应商核查雨刮在运动过程中位置与周边件间隙满足产品的精度需求。

（10）发布某军车的雨刮布置图。

5 结束语

雨刮总成是功能件，也是安全件。本文在雨刮布置时，首先根据玻璃大小和视野区域需求进行雨刮区域设计，确定刮刷角度、刮臂旋转点、刮臂长度、刮臂旋转角度；其次，从系统匹配的角度和零部件的结构功能进行分析，并运用CATIA进行运动仿真，确定最优布置方案。此方法在车型设计初期，能够快速提供雨刮的布置方案，为后续的产品开发缩短了开发周期和费用。

[1] GB 11565-1989《轿车风窗玻璃刮水器刮刷面积》.

[2] 袁乾锋,冯彬.昆明6号线城市轨道交通车辆刮雨器设计[J].技术与市场.2016年第7期p18-p19.

[3] 任丙成,寇青林,王宜海.分体式雨刮连杆系统的研究[J].农业装备与车辆工程,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

杨曦明，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。闫博，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.038

CLC NO.: U463.9