基于DOE的某车型无骨刮片优化分析

孔金超　杨桂林　梁刚

摘 要：文章以某车型驾驶侧无骨刮片为例，运用Minitab软件进行试验设计（DOE），结合试验和软件分析确定了影响驾驶侧刮片刮刷质量最重要的因子是雨刮攻角，并通过软件预测：刮片导条平行度合格，攻角值为-3.5°/7.5°，胶条用富国胶条时，刮片理论刮刷合格率可达94.3%。文中的分析方法适用于所有车型的无骨刮片，为生产企业今后控制生产成本，制造无骨刮片起到借鉴作用。关键词：Minitab;DOE;无骨刮片;攻角中图分类号：U462.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）02-94-03

Abstract： Taking the boneless scraper on the driving side of a vehicle as an example， this paper uses Minitab software to design the experiment （DOE）. Combining with the test and software analysis， the most important factor affecting the quality of the scraper on the driving side is the angle of attack of the wiper. The software predicts that if the parallelism of the scraper bar is qualified， the attack angle is -3.5°/7.5°， and the FUKOKU rubber is used， the qualified rate of theoretical scraping can reach 94.3%. The analysis method in this paper is applicable to all types of boneless scrapers， which can be used as a reference for enterprises to control production costs and manufacture boneless scrapers in the future.Keywords： Minitab; DOE; Boneless scraper; Attack angleCLC NO.： U462.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）02-94-03

前言

雨刮是汽車上不可缺少的重要部件，而刮片不仅是雨刮的重要工作零件，又是汽车上的一个外观件。无骨刮片因其刮刷性能好、外观优美，逐渐取代传统的有骨刮片，被广泛的用在各种车型当中。传统的有骨刮片结构较为复杂，依靠骨架上多个支架提供压力使刮片的胶条和车窗玻璃保持接触，但由于胶条受力不均匀，容易造成漏刮，影响刮刷效果。无骨刮片的骨架部件结构简单，其依靠两根导条压在胶条上，实现胶条跟玻璃的无缝接触，刮刷过程中声音小、效果好。目前，生产厂家针对无骨刮片的设计和生产最直接有效的方法是试验法，通过试验来确定最佳的结构和参数，但这种方法往往试验量大、周期长，从而导致制造成本很高。文章基于DOE（试验设计），以某车型无骨刮片为例，运用Minitab软件设计合理的实验方案，通过开展试验，结合Minitab软件分析确定影响刮刷效果的关键因子，并预测满足要求且成本最低的刮片结构组合。文中的分析方法适用于所有车型的无骨刮片，为生产企业今后控制生产成本，制造无骨刮片起到借鉴作用。

1 实验设计（DOE）

1.1 因子及水平的选取

刮片的刮刷质量主要由工作过程中的刮净度（有无漏刮、彩带等缺陷）、声音（有无异响、刮刷声及换向声等噪音）及平稳性（有无甩尾、抖动等现象）来进行综合评价，对此各大主车厂均有自己的企业标准。经过不同的生产企业大量的实践和试验数据表明，在保证刮臂压力合格的情况下，影响无骨刮片刮刷效果的因子主要有胶条的种类、两根导条的平行度以及雨刮攻角值。

1.1.1 胶条的种类

胶条的结构如图1所示，一般按照材料、截面形状、硬度的不同来对其进行分类。材料方面主要分为天然橡胶和合成橡胶，天然橡胶物理性能好，易于加工，但抗腐蚀性能差，使用寿命短;随着生产技术的进步，合成橡胶被广泛地用于雨刮胶条中，合成橡胶在保证刮刷性能的前提下，耐腐蚀性好，因此使用寿命长，现在各大雨刮生产厂家均使用合成橡胶。截面形状方面，为了保证雨刮工作过程中声音小、换向时易翻转，各生产厂家普遍采用如图1所示的截面形状。胶条的硬度对刮刷质量影响极大，因为在相同的导条压力下，不同硬度的胶条跟玻璃的接触角不一样。接触角指胶条刮唇与玻璃切线的夹角（如图2所示），实践表明，接触角对雨刮刮刷性的影响很大，当接触角在30°～60°的范围时，刮拭性能最佳;胶条过倒（接触角过小）使刮片胶条的刮刃失去作用，易产生异响、彩带等现象;胶条过立（接触角过大）会使接触角变得不稳定，产生抖动、漏刮等现象。为防止接触角过大或过小，胶条硬度须合适，国际上一般要求橡胶硬度为60±51RHD。受生产设备、工艺、配方等的限制，目前国产胶条在这方面跟进口胶条相比有明显差距。进口胶条中尤以日本富国胶条使用最为广泛，因此本文选择国产胶条与日本富国胶条作对比。

1.1.2 两导条间平行度

如图3所示，无骨刮片骨架部件结构简单，其依靠两根导条给胶条提供压力，两根导条平行焊接在连接器上，装配时导条穿过胶条上的导条槽。导条生产时可通过专用设备弯制合适的弧度以保证单根导条的压力分布均匀，但若焊接后两根导条间平行度较差，会直接导致胶条受到的压力分布不均匀，进而影响胶条与玻璃面的贴合，从而影响刮刷质量。本文选择平行度合格和平行度较差（错位）的骨架部件作对比。

1.1.3 攻角

如图4所示，雨刮攻角指的是刮片中心面与玻璃法线间的夹角。要使刮片保持良好的刮刷状态，最好是刮片中心面与风窗玻璃的表面保持垂直，以保证胶条与玻璃间有良好的接触角，但因为实际汽车风窗玻璃表面为曲面，要保证刮片中心面在沿胶条长度方向上以及刮刷运动中的任意位置都要与玻璃表面垂直是不可能的，雨刮攻角会随着刮片的运动而发生变化。沿刮片向雨刮传动机构的输出軸方向看去，风窗玻璃表面的法线到刮片中心线为逆时针方向旋转的攻角规定为正，顺时针方向旋转的角度为负。

适当的攻角是为了保证刮片在刮刷全程中胶条的接触角处于合适状态。较大的攻击角，刮片在刮刷过程中容易出现抖动、漏刮、异响等缺陷;较小的攻击角，刮刷过程中则容易出现彩带、颤抖、胶条尖叫等缺陷。

结合理论分析和生产实践表明，刮片在刮刷过程中必须保证攻角处于±8°的范围内，并且各位置对应的攻角差异不宜过大，通常采用胶条中心点在起始位置和上端起始位置的攻角值表示攻角所处范围。本文中针对该车型，驾驶测攻角以-3.5°（起始）/7.5°（上端）与-5.5°/5.5°两组对比。

综上所述，试验因子水平表设定如表1所示。

1.2 创建田口试验

运用Minitab软件新建田口试验，设计类型选择两水平设计，因子数选择3，模型选择L8（2^3）;分别为A、B、C三个因子命名，对应为骨架部件、攻角、胶条，如图5所示。以刮刷合格率作为响应，软件自动配置出直角表，如图6所示。

2 试验分析

根据直角表列出的方案准备试验样件，每组29件，按照德国大众汽车标准VW_TL934中雨刮系统测试要求分别进行刮刷试验和刮刷质量评估，记录数据如表2所示。

2.1 因子排序

如图7所示，将试验数据录入Minitab软件中，设置显示响应表为均值，信噪比选择望大，生成均值主效应图（如图8），从分析结果看出影响驾驶侧刮刷质量最为显著的是攻角值，其次是胶条种类，影响最小的是骨架部件导条的平行度。

2.2 确定最佳组合

在Minitab软件内对满足要求且成本最低的组合及理想刮刷合格率进行分析和预测，输出分析预测表（如表3），由表可知最佳组合为2、1、2，即骨架部件为导条平行度合格，攻角值为-3.5°/7.5°，胶条为富国胶条，理论刮刷合格率可达94.3%。

3 结论与建议

对驾驶侧刮刷质量影响最大的因子是雨刮攻角值。攻角的变化趋势受雨刮机构输出轴角度和玻璃弧度的影响，因此要控制攻角稳定就必须控制好雨刮传动机构输出轴的角度以及玻璃的曲率变化，对于新车型同步开发的产品，必须设计制造传动总成安装位置的检具，以保证输出轴角度的一致性;必须合理的设计玻璃的曲率变化，一般要求玻璃曲率半径处于2000mm-8000mm之间，以保证攻角在±8°范围内变化平稳。此外，刮臂的扭角虽不能改变攻角的变化趋势，但可以改变攻角的分布范围，可通过合理设计刮臂扭角使攻角处于最佳范围内。

参考文献

[1] 李军.全顺前风窗雨刮片刮净度提升的研究[D].南京理工大学， 2007.

[2] 闵亚能.实验设计（DOE）应用指南[M].机械工业出版社，2011.

[3] 龙爱华.雨刮器氯丁橡胶胶条的涂装工艺及涂层厚度对其性能的影响[J].电镀与涂饰，2018.

[4] Shen W Z.Determination of the angle of attack on rotor blades[J]. Wind Energy， 2010.