重型載貨汽車雙電機刮水器系統(tǒng)設計

李 靜，張曉東，趙文杰，董建奇，卜軍軍

（北奔重汽（北京）汽車研發(fā)有限公司，北京 102308）

1 雙電機刮水器系統(tǒng)的優(yōu)勢

雙電機刮水器系統(tǒng)裝配在某重型載貨汽車上，采用雙電機分別獨立驅動刮臂的結構型式，能夠保證在一個雨刮系統(tǒng)被破壞掉的同時，另一個雨刮系統(tǒng)能夠正常工作，并且節(jié)省連桿機構的安裝、布置空間，順利完成刮刷風窗玻璃外表面上（如雨水、霜雪和灰塵等）的物質、清晰駕駛員視野的功能［1］。雙電機刮水器系統(tǒng)主要部件分別為：刮臂、刮片、刮水電機。由于采用了雙電機獨立驅動，而且單個電機的功率和體積變小了，每個電機帶動一套刮臂刮片轉動，使得結構緊湊、便于布置。

2 雙電機的刮水器系統(tǒng)的安裝

2.1 安裝位置

采用雙電機、上刮方式，電機固定在玻璃上方。駕駛員側和副駕駛員側刮水器相對獨立工作，具有方便維修、節(jié)約車內空間的特點。如圖1所示,此系統(tǒng)在前擋風玻璃左右兩側各設置一個相對獨立的刮水電機及刮臂刮片，取消了傳統(tǒng)的刮水系統(tǒng)機械連桿結構，節(jié)省車內空間、減小機械噪聲，同時兩側刮水系統(tǒng)獨立工作，使系統(tǒng)運行比傳統(tǒng)刮水系統(tǒng)更加平穩(wěn)可靠。

2.2 噪聲要求

1） 刮水器工作時，不應發(fā)出異常聲音。

2） 刮水電機在空載運轉時，其A計權聲級功率級聲限值符合表1的規(guī)定。

圖1 雙電機刮水器的安裝

表1 A計權聲級功率級聲限值

2.3 初始位置

刮水器安裝初始位置調整：初次安裝刮臂時,刮臂與電機輸出軸的裝配,固定螺母不要擰死,保證刮片距離玻璃左側邊框留有30mm的間隙 ，接通雨刮開關，觀察刮片是否與玻璃邊框干涉，若不干涉，刮臂正常工作，再把固定螺母擰死 。

2.4 頻率、工作模式

刮水器有兩種刮刷頻率供駕駛員選擇，由組合手柄開關通過車身控制器（BCM）進行控制，要求其中一種頻率必須大于45次/min，另一種頻率必須大于20次/min。高頻與低頻之差必須大于10次/min。

1）刮刷頻率：指刮水器在正常工作狀態(tài)下，每分鐘內的刮刷循環(huán)次數(shù)。

2）刮水器電機采用3擋工作模式：高速、低速、間歇。其中①高速頻率：大于45次/min；②低速頻率：大于20次/min；③間歇：當IGN處于ON擋，前雨刮開關打到間歇擋，則前雨刮低速輸出。

3 刮刷視野的確定

實際掛刷區(qū)域是指風窗玻璃表面被刮片刮到的區(qū)域。實際掛刷區(qū)域和掛刷角度和刮片長度有關，刮水器工作時，刮臂繞轉軸端點作空間轉動，刮片緊貼在風窗玻璃表面上隨刮臂一起左右擺動，刮片兩端點沿風窗玻璃表面的運動軌跡形成的面積，被認為是實際掛刷區(qū)域［2］。如圖2所示，經(jīng)計算，刮水器的實際刮刷面積滿足GJB1473—1992《軍用汽車安全性要求》中視野的刮刷面積不得小于1 800 cm2的需求。

圖2 刮水器刮刷面積

依據(jù)扇形面積公式：S=(nπr2)/360，刮臂的刮刷角度n為70°，刮片長度r為450 mm；代入公式可以計算出：S1=S2=［70 ×3.14 ×452］/360=1 236 cm2；S1=副駕駛員側玻璃刮刷面積；S2=駕駛員側玻璃刮刷面積。

由計算得出扇環(huán)面積：S=S1+S2=2 472 cm2，滿足GJB1473—1992《軍用汽車安全性要求》中的要求。

4 刮刷區(qū)域

4.1 法規(guī)中關于刮刷區(qū)域的規(guī)定

SAE J198《Windshield Wiper Systems-Trucks,Buses Multipurpose Vehicles》中對重型載貨汽車多片玻璃的刮刷區(qū)域的定義及要求,根據(jù)車身給出的區(qū)域示意圖如圖3所示，對比結果見表2。

表2 SAE J198中A、B、C區(qū)刮刷比例要求

4.2 實際刮刷區(qū)域檢查

通過測量和計算，計算出實際刮刷面積和占各區(qū)域總面積的百分比，刮刷比例：K=S刮/S總。 A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)中實際刮刷的面積，通過CAXA軟件測量分別為55 cm2、38.6 cm2、14.5 cm2，代入上述公式分別得出：KA=55/83=66%；KB=38.6/51=75.7%；KC=14.5/14.5=100%。檢查結果統(tǒng)計見表3。

圖3 A、B、C區(qū)域示意圖

表3 刮刷范圍檢查表

5 刮水器電機的控制原理

5.1 刮水器電機的功能及工作原理

電機額定功率為30 W，輸出軸先逆時針后順時針來回擺動，電機外形如圖4所示。具有低速、高速及間歇刮刷、自動復位功能。2個電機通過車身控制器（BCM）進行同步控制，刮水器關閉時，刮片應自動返回初始位置。

電機電路如圖5所示，圖中53a是BCM給電機的復位電，31b為給BCM反饋的復位信號, 31為搭鐵，當b、c點接通的時候，由b點給BCM反饋復位信號，則BCM通過a點給電機復位電。

圖4 刮水器電機的外形

圖5 刮水器電機電路圖

5.2 刮水器電機的控制原理

刮水器電機的控制原理如圖6所示。當車身控制器檢測到回位信號為低電平后（表示已回到起始位置），低速輸出停止，計時間隔3 s后，再低速輸出。當BCM檢測到回位信號為低電平后（表示已回到起始位置），低速輸出停止，計時間隔3 s后，再低速輸出。如此反復。

圖6 刮水器電機的控制原理圖

6 刮臂和刮片

刮片是指用于有效刮凈汽車風窗玻璃外表面的部件，能承受刮臂的壓緊力，并有一個適于安裝和固定膠條的支架。分平刮和曲刮2種結構型式。刮片膠條（以下簡稱膠條）是指刮水器上與風窗玻璃外表面相接觸的彈性零件。

刮水器刮臂是指刮水器上連接刮片和刮水器軸的部件。

刮臂材料使用GB-700碳素鋼結構, Q235A (屈服強度為235MPa的碳素鋼)，膠條邵式硬度60±5，拉斷強度≥15MPa,拉斷伸長率300%～600%［3］；刮臂和刮片如圖7所示：刮片長度采用450 mm，刮臂刮片總長為708 mm±3 mm。

圖7 刮臂和刮片

7 電磁兼容措施

7.1 電磁兼容濾波模塊

每個刮水器電機上增加2個電磁兼容濾波模塊，2個電磁兼容模塊分別連接在電機的高速端和低速端各一個，即一個電機配備2個模塊，如圖5所示。這樣電機在安全裕度、靜電放電等方面可以滿足GJB151A、GB/T 19951、GJB1389A要求。

7.2 刮水器電機線束

電機甩出的線束長度要控制在100 mm以內，且采用金屬屏蔽導線，大大減小因線束傳導引起的電磁兼容影響。

7.3 電磁兼容試驗

刮水器隨整車進行電磁兼容試驗，試驗指標均滿足7.1條設計要求。

8 六性設計

1）可靠性設計。電機采用先進的一次成型工藝，使轉子的精度和速度大大提高，電機工作平穩(wěn)性非常好，降低電機噪聲；電機殼體拉伸成型，材料更厚，增加電機導磁，減少電機發(fā)熱。具有過熱保護抗干擾裝置，保證了電機的可靠性。

2）安全性設計。電機自身過熱保護；電磁兼容滿足GJB151B—2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》；整個線路中有搭鐵保護。

3）測試性設計。 刮水器的掛刷角度可以在玻璃上直接測量；電機的各項參數(shù)可以直接在專用的檢測設備上顯示。

4）維修性設計。刮片與刮臂連接采用掛鉤反卡式，刮片損壞時，易于更換。

5）保障性設計。電機安裝在駕駛室頂部頂襯內部，避免接觸雨水飛濺影響性能。

6）環(huán)境適應性設計。①溫度適應性設計，電機采用進口無氧銅，絕緣層耐180℃高溫，內置溫控開關，適應溫度-41～80℃；②抗沖擊性設計，轉子采用軸向前后固定定位，比老式鋼珠擰緊定位穩(wěn)定性好，沒有前后串動，防止外部振動時轉子移位；③防腐防潮設計，電機外殼采用噴涂工藝，防腐性能較好，轉子也是高溫漆包線，并經(jīng)過烘烤，電機發(fā)熱也不會產(chǎn)生水分，全面防潮。

9 結論

綜上所述，雙電機刮水器系統(tǒng)具備節(jié)省空間、安裝拆卸方便、各自工作獨立、刮刷視野良好等特點，同時配備電磁兼容模塊以解決電磁兼容的問題。采用了車身控制器（BCM）對刮水器系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)了低速、高速、間歇、復位的功能，同時BCM通過報文的形式將刮水器系統(tǒng)各模塊工作狀態(tài)發(fā)送至儀表顯示。刮水器系統(tǒng)裝車后，整車進行了約4萬公里的道路測試驗證后，刮水器工作良好無異響，噪聲等性能參數(shù)明顯優(yōu)于標準要求數(shù)據(jù)。