淺析汽車雨刮系統(tǒng)的控制原理

徐旭東，初洪超，董宏興

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

前言

汽車雨刮系統(tǒng)是保證車輛在雨雪天氣能夠?yàn)轳{駛員提供清晰視野的關(guān)鍵。一般汽車雨刮有真空式、氣動(dòng)式和電動(dòng)式三種類型，其中應(yīng)用最為廣泛的為電動(dòng)雨刮系統(tǒng)。

汽車雨刮系統(tǒng)的控制一般分為點(diǎn)動(dòng)、停止、間歇控制、低速、高速和噴水清洗六個(gè)基本功能，其中間歇調(diào)速是雨刮系統(tǒng)控制的核心功能。本文基于電動(dòng)雨刮器對(duì)上述六個(gè)基本功能的控制原理進(jìn)行淺析。

1 雨刮器基本結(jié)構(gòu)

圖1 電動(dòng)雨刮實(shí)物圖

圖1所示為某款車型的電動(dòng)雨刮實(shí)物圖，主要由三部分構(gòu)成，包括雨刮電機(jī)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和連桿。雨刮電動(dòng)機(jī)為直流永磁式三刷電動(dòng)機(jī)，供電電壓為整車低壓電（12V或者24V）。蝸輪蝸桿為減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，蝸輪上安裝有偏心連桿。

2 雨刮系統(tǒng)控制原理

2.1 機(jī)械控制原理

圖2所示為電動(dòng)雨刮器的物理結(jié)構(gòu)圖，其機(jī)械控制原理為：當(dāng)電機(jī)通電后以一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)蝸桿將電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞給蝸輪，蝸輪通過(guò)拉桿拉動(dòng)三個(gè)擺桿進(jìn)行有規(guī)律的擺動(dòng)，從而控制雨刮器掃除擋風(fēng)玻璃上的雨雪及灰塵，為駕駛員提供清晰的視野。

圖2 電動(dòng)式雨刮器物理結(jié)構(gòu)

2.2 電氣控制原理

如圖3所示為某種車型的電動(dòng)雨刮控制電路圖。主要包括電源輸入、間歇控制電路、洗滌電機(jī)、多功能控制開關(guān)和雨刮電機(jī)五個(gè)模塊組成，共同實(shí)現(xiàn)雨刮系統(tǒng)的點(diǎn)動(dòng)、停止、間歇控制、低速、高速和噴水清洗六個(gè)基本功能。

圖3 汽車雨刮控制電路簡(jiǎn)圖

（1）低速檔調(diào)速

由于雨刮電機(jī)為三刷電機(jī)，其中正極電刷B1為低速控制端，只需通過(guò)多功能控制開關(guān)控制整車12V電源接入此電刷，并且負(fù)極電刷B接地時(shí)，即可控制雨刮電機(jī)以低速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)圖3中的多功能調(diào)節(jié)開關(guān)選擇低速檔時(shí)，其簡(jiǎn)化控制電路如圖4所示。

（2）高速檔調(diào)速

雨刮電機(jī)的正極電刷B2端為高速控制端，當(dāng)通過(guò)多功能控制開關(guān)控制12V電源輸入該電刷，并且負(fù)極電刷B接地時(shí)，電機(jī)則以高速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)圖3中的多功能調(diào)節(jié)開關(guān)選擇高速檔時(shí)，其簡(jiǎn)化控制電路如圖5所示。

圖5 高速控制電路

（3）點(diǎn)動(dòng)

雨刮點(diǎn)動(dòng)控制與低速檔控制相似，也以控制正極電刷B1端的12V電源輸入為控制目標(biāo)。主要區(qū)別在物理開關(guān)的接觸方式上，低速檔控制開關(guān)可以保持吸合狀態(tài)，而點(diǎn)動(dòng)開關(guān)在外力消失后會(huì)自動(dòng)回位，即開關(guān)斷開，雨刮電機(jī)通過(guò)自復(fù)位結(jié)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至雨刮停在擋風(fēng)玻璃下方。當(dāng)圖3中的多功能調(diào)節(jié)開關(guān)選擇點(diǎn)動(dòng)檔時(shí)，其簡(jiǎn)化控制電路如圖6所示。

圖6 點(diǎn)動(dòng)控制電路

（4）關(guān)閉并自動(dòng)復(fù)位

由于雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止取決于其電源輸入電刷 B1和B2，即通電轉(zhuǎn)動(dòng)，斷電停止，故存在斷電后刮水器停在擋風(fēng)玻璃上而影響駕駛員視線的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)此狀況，需要雨刮器在切斷12V電源輸入后能夠自動(dòng)回位，即雨刮器的刮臂能夠停在擋風(fēng)玻璃的最下方。

當(dāng)圖3中的多功能調(diào)節(jié)開關(guān)選擇停止檔時(shí)，雨刮停止自動(dòng)復(fù)位控制原理圖如圖7所示。圖中所示8為蝸輪減速機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部安裝有銅環(huán)9和銅環(huán)7，銅環(huán)9與雨刮電機(jī)的金屬外殼相連并接地。觸點(diǎn)臂3和觸點(diǎn)臂5為彈性銅片，其頂端有觸點(diǎn)4和觸點(diǎn)6，與銅環(huán)7和銅環(huán)9接觸。圖中11為電機(jī)永久磁鐵，10為電機(jī)的電樞。

自動(dòng)復(fù)位的工作原理為：當(dāng)雨刮多功能開關(guān)置于OFF檔時(shí)，此時(shí)雨刮電機(jī)的低速電刷接入電路，當(dāng)雨刮器的刮臂沒(méi)有停到規(guī)定的位置時(shí)，由于觸點(diǎn)6與銅環(huán)9接觸，如圖9中b）所示，則電流繼續(xù)流入電樞。此時(shí)電流從電源正極→開關(guān)1→保險(xiǎn)絲2→多功能開關(guān)OFF檔→雨刮電機(jī)正極低速電刷B1→電樞繞組→雨刮電機(jī)負(fù)極電刷B→觸點(diǎn)臂5→觸點(diǎn)6→銅環(huán)9→搭鐵→電源負(fù)極，形成封閉回路，雨刮電機(jī)以低速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到如圖9中a）所示的位置時(shí)，觸點(diǎn)4和觸點(diǎn)6均搭接在銅環(huán)7上，由于慣性原因，雨刮電機(jī)的電樞不能立刻停止轉(zhuǎn)動(dòng)，反而以發(fā)電機(jī)的形式繼續(xù)保持轉(zhuǎn)動(dòng)，使電樞繞組產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，方向剛好與電源電壓相反，此時(shí)電路中電流的方向?yàn)椋河旯坞姍C(jī)的正極低速電刷B1→多功能開關(guān)的OFF檔→觸點(diǎn)臂3→觸點(diǎn)4→銅環(huán)7→觸點(diǎn)6→觸點(diǎn)臂5→雨刮電機(jī)的負(fù)極電刷 B→雨刮電機(jī)電樞，形成回路，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使雨刮電機(jī)迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使刮臂停止在擋風(fēng)玻璃的最下方。

圖7 雨刮電動(dòng)機(jī)自動(dòng)復(fù)位裝置

（5）間歇控制

當(dāng)車輛行駛在小雨以及霧雪天環(huán)境中，雨刮器擺動(dòng)后擋風(fēng)玻璃上的水霧或者灰塵容易使玻璃表面發(fā)粘而模糊不清，影響駕駛員的視野。針對(duì)此狀況，需要在多功能雨刮開關(guān)上增加間歇控制檔位，選擇該檔位可以使間歇控制電路接入雨刮控制系統(tǒng)中，確保雨刮器刮拭一次后停留一段時(shí)間，以使擋風(fēng)玻璃上的水膜可以風(fēng)干，從而為駕駛員提供一個(gè)清晰的視野。

刮水系統(tǒng)的間歇控制功能主要靠間歇控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)圖3中的多功能開關(guān)選擇間歇控制檔位時(shí)，間歇控制電路介入工作，其簡(jiǎn)化控制電路如下圖8所示，其中S3、S4同圖7中的觸點(diǎn)4和觸點(diǎn)6。

圖8 間歇控制電路

間歇控制電路的控制原理主要是控制電容C1的不斷充、放電來(lái)控制雨刮電機(jī)按一定周期間隔進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)雨刮器的間歇控制。其詳細(xì)控制邏輯如下：

①12V電源經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲后到達(dá)節(jié)點(diǎn)1，將電源分為兩路，一路連接到雨刮電機(jī)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的觸點(diǎn)開關(guān)S3上，一路經(jīng)電阻R9和電阻R2到達(dá)電容C1，使C1進(jìn)行充電，其充電電路為：12V電源輸入→電源開關(guān)→保險(xiǎn)絲→節(jié)點(diǎn)1→電阻R9→電阻R2→電容C1→二極管VD2→三極管VT→搭鐵→12V電源負(fù)極。

②當(dāng)電容C1充電時(shí)電路中會(huì)形成一定的充電電流，從而為三極管提供偏流，使三極管VT的集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，由于發(fā)射極接地，故使繼電器 1通電接通，開關(guān) S1閉合，S1閉合后接入電路為：12V電源輸入→電源開關(guān)→保險(xiǎn)絲→開關(guān)S1→節(jié)點(diǎn)2→雨刮電機(jī)正極輸入電刷B1（低速）→搭鐵→12V電源負(fù)極，從而控制雨刮電機(jī)以低速開始轉(zhuǎn)動(dòng)。

③當(dāng)雨刮電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到自動(dòng)回位的位置時(shí)，圖7中的開關(guān)S3和S4搭接，從而使電容C1開始放電，其放電電路為：電容C1→二極管VD3→電阻R6→開關(guān)S4→開關(guān)S3→接地→二極管VD4→電阻R1→電容C1。當(dāng)三極管的基極電壓降低到某一值時(shí)，使三極管截止，從而使繼電器1斷電，開關(guān)S1斷開，S2吸合，從而使電阻R5和電阻R6并聯(lián)在電路中，這時(shí)電容C1加快放電。當(dāng)電容C1放電一段時(shí)間后，由于三極管VT的基極電位逐漸升高，當(dāng)電位達(dá)到某一值時(shí)，三極管重新導(dǎo)通，C1回復(fù)充電狀態(tài)，使繼電器1重新通電吸合S1。

（6）洗滌電機(jī)

當(dāng)車輛擋風(fēng)玻璃上有污物需要清除時(shí)，需要由洗滌水壺提供一定量的洗滌液，洗滌液一般由水和一定量的添加劑混合而成。洗滌液的提供由洗滌電機(jī)完成，其控制原理相對(duì)簡(jiǎn)單，只需通過(guò)調(diào)節(jié)多功能開關(guān)至洗滌檔位，控制12V電源輸入洗滌電機(jī)即可。其簡(jiǎn)化電路原理圖如圖9所示。

圖9 洗滌電機(jī)控制原理

3 結(jié)語(yǔ)

汽車雨刮系統(tǒng)各零部件的物理結(jié)構(gòu)和特性是分析雨刮系統(tǒng)控制原理的基礎(chǔ)。通過(guò)多功能開關(guān)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的不同連接組合，使不同電路接入雨刮電機(jī)的電刷上，從而使雨刮系統(tǒng)針對(duì)不同需求實(shí)現(xiàn)多功能調(diào)節(jié)的目的。

[1] 孫仁云,付百學(xué).汽車電器與電子技術(shù)[M],機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[2] 秦曾煌,姜三勇.電工學(xué)[M],高等教育出版社,2009.

[3] 甘守武,尹作發(fā).汽車刮水系統(tǒng)電路原理及常見故障檢修思路[J],汽車電器,2013（4）.