雨刮刮凈度差及抖動(dòng)異響機(jī)理的分析

韓碩　郭勇　孫曉江　蘇婷慧

摘 要：作為車輛上重要的部件，雨刮系統(tǒng)對(duì)于車輛在雨雪天氣下的安全行駛起著至關(guān)重要的作用，其在運(yùn)行過(guò)程中刮凈度問題會(huì)對(duì)行駛過(guò)程中駕乘人員的安全造成威脅，而抖動(dòng)異響則十分影響駕駛的舒適性，這兩個(gè)問題一直是困擾著雨刮設(shè)計(jì)師的難題。解決問題的難點(diǎn)在于：首先，由于刮刷過(guò)程中膠條的老化磨損等不可控原因，導(dǎo)致雨刮的刮凈度問題十分復(fù)雜；另外，由于刮刷過(guò)程中刮片與風(fēng)擋玻璃非線性的摩擦，使得分析雨刮的抖動(dòng)與異響問題非常困難。本文從刮凈度問題以及抖動(dòng)異響兩方面入手，全面總結(jié)了雨刮刮凈度差以及抖動(dòng)異響機(jī)理，對(duì)于雨刮設(shè)計(jì)工程師有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：雨刮系統(tǒng) 無(wú)骨雨刮片 膠條 刮刷質(zhì)量 抖動(dòng)異響

1 引言

汽車產(chǎn)業(yè)自19世紀(jì)發(fā)展至今，已然從簡(jiǎn)單的交通工具轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)出行的第二空間，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中扮演著越來(lái)越重要的角色。雨刮系統(tǒng)是工作于車身外部并且在極端條件下仍需要保持穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的零部件，清理前后擋風(fēng)玻璃上的雨水、污漬等是其主要作用，從而使駕駛?cè)藛T在惡劣條件下依然保持良好的視野，由此可見雨刮系統(tǒng)的重要性。從雨刮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)講，一般其由以下三部分組成：車身電子模塊、雨刮電機(jī)、雨刮臂，其中雨刮電機(jī)與雨刮臂的示意圖如圖1所示。當(dāng)駕駛員操縱撥桿，撥桿發(fā)出指令給車身電子模塊，而車身電子模塊接受撥桿的指令后，發(fā)出相關(guān)的車身控制命令，接收到指令的雨刮電機(jī)驅(qū)動(dòng)雨刮臂運(yùn)動(dòng)，從而清潔擋風(fēng)玻璃。在此過(guò)程中，雨刮片是唯一與擋風(fēng)玻璃直接接觸的零件，其性能將直接影響整個(gè)過(guò)程的刮刷質(zhì)量與抖動(dòng)噪聲。

一般來(lái)說(shuō)，雨刮片主要有三種類型，分為有骨刮片、三段式刮片、無(wú)骨刮片。有骨刮片結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，骨架是由若干金屬支架組成，外形不美觀，目前僅在少量低端品牌上使用；三段式刮片可以將壓力分布保持的較為長(zhǎng)久，靜音效果較好，目前日系、美系的部分車型使用；無(wú)骨刮片壓力分布尚可，刮凈度好，外形簡(jiǎn)潔美觀，目前市場(chǎng)占有率最高。由于無(wú)骨刮片最有代表性，因此本文主要討論無(wú)骨刮片的刮凈度與刮刷噪聲的機(jī)理。無(wú)骨刮片的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由膠條、簧片、擾流翼、連接塊等組成，其中膠條、簧片直接影響雨刮刮刷的質(zhì)量與噪音。下面從刮凈度以及抖動(dòng)異響兩方面入手，全面總結(jié)雨刮刮凈度差以及抖動(dòng)異響機(jī)理。

2 刮凈度差

雨刮的刮凈度問題是人們使用雨刮過(guò)程中發(fā)生較多的故障現(xiàn)象，刮不干凈會(huì)威脅駕乘人員的安全。導(dǎo)致刮凈度差的原因主要有膠條基材磨損、膠條的涂層磨損、膠條倒伏嚴(yán)重以及刮片壓力分布不均勻等。

2.1 膠條基材磨損

造成膠條基材磨損的原因主要有用戶直接用雨刮去刮刷較大硬物、膠條耐磨性較差等。其中，用戶使用不當(dāng)是非設(shè)計(jì)因素，膠條耐磨性較差是設(shè)計(jì)因素。對(duì)于膠條耐磨性差可采用改善膠條配方、改善橡膠分散性、使不同極性的橡膠均勻混合、改善橡膠可塑性、流動(dòng)性等措施來(lái)改善。批量采用的膠條主要有以下幾種材料：天然橡膠（NR膠條）、氯丁橡膠（CR膠條）、丁腈橡膠（NBR膠條）、三元乙丙橡膠（EPDM膠條）、NR：CR（WRC4膠條），其中NR與EPDM膠條的耐磨損性較好。

2.2 膠條涂層磨損

涂層的主要作用在于提高膠條的耐磨性，從而降低膠條磨損維持較高刮凈度；還可以保持膠條較低摩擦，從而使得刮擦噪聲較小。造成膠條涂層磨損的原因主要有涂層主料的摩擦系數(shù)較高、涂層粘合劑的附著力低等，二者均為設(shè)計(jì)因素。涂層主料可以減小摩擦、提高強(qiáng)度，粘合劑可以將不同材料結(jié)合在一起，并形成具有整體的聚合力。對(duì)于該故障可以優(yōu)化涂層主料親水性與硬度以及伸長(zhǎng)率、涂層粘合劑的延展性和硬度等措施來(lái)改善。

2.3 膠條倒伏嚴(yán)重

造成膠條倒伏嚴(yán)重的原因主要有膠條抗永久變形性能差、截面尺寸、刮臂壓力過(guò)大、膠條停止位長(zhǎng)時(shí)間單向倒伏等，前三者均為設(shè)計(jì)因素，第四個(gè)為過(guò)程管控因素。膠條抗老化性能與膠條材料息息相關(guān)。對(duì)于膠條材料來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)外界環(huán)境的風(fēng)吹日曬后，膠條往往會(huì)向著長(zhǎng)時(shí)間停止方向永久倒伏，膠條向著倒伏方向運(yùn)動(dòng)時(shí)稱為倒鏟，倒鏟現(xiàn)象如圖3所示。倒鏟時(shí)由于與玻璃貼合不緊密會(huì)發(fā)生漏刮現(xiàn)象。而CR膠條的抗永久變形能力較好，NR膠條的抗永久變形能力較差，但是需要綜合考慮的是成本以及膠條其他方面的性能。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于截面尺寸來(lái)說(shuō)，應(yīng)通過(guò)優(yōu)化刮片運(yùn)行中膠條與玻璃的間隙來(lái)改善刮凈度。過(guò)大刮臂壓力也會(huì)導(dǎo)致膠條倒伏嚴(yán)重，膠條換向不順利會(huì)產(chǎn)生倒鏟，倒鏟時(shí)會(huì)產(chǎn)生漏刮現(xiàn)象，針對(duì)此項(xiàng)改善措施可以為在不發(fā)生漏刮的前提下適當(dāng)降低刮臂的壓力系數(shù)。對(duì)于膠條停止位長(zhǎng)時(shí)間單向倒伏，為避免該現(xiàn)象的發(fā)生，長(zhǎng)庫(kù)存車雨刮片應(yīng)運(yùn)行至服務(wù)位置，并抬起刮片[1]。

2.4 刮片壓力分布不均勻

刮片壓力分布不均勻同樣地會(huì)導(dǎo)致漏刮現(xiàn)象，從而影響駕駛視線。刮片壓力分布不均與簧片變形、刮片壓力衰減有關(guān)。其中簧片變形是非設(shè)計(jì)因素，在雨刮片設(shè)計(jì)之初，簧片曲率是要與風(fēng)擋曲率相配合，但是由于用戶使用不當(dāng)或受到外力作用變形會(huì)導(dǎo)致刮片與玻璃貼合程度差，從而導(dǎo)致漏刮。而刮片壓力分布是設(shè)計(jì)因素，刮片壓力分布一般與刮片結(jié)構(gòu)有關(guān)，即有骨、無(wú)骨、三段式刮片，其中三段式刮片通過(guò)若干支點(diǎn)將刮臂壓力分配簧片，壓力分布更加均勻。

3 抖動(dòng)異響

雨刮的抖動(dòng)異響問題是汽車雨刮日常使用過(guò)程中發(fā)生最多的故障現(xiàn)象，十分影響駕駛的舒適性，往往是用戶最容易抱怨的問題。由于刮刷過(guò)程中刮片與風(fēng)擋玻璃非線性的摩擦，使得分析雨刮的抖動(dòng)與異響問題非常困難。導(dǎo)致抖動(dòng)異響的原因主要有膠條截面尺寸不合理、膠條倒伏嚴(yán)重、摩擦系數(shù)偏大或者不均、刮片壓力分布不均、攻擊角不合理等。

3.1 膠條截面尺寸不合理

如上文所述，膠條基材與涂層屬于材料研發(fā)范疇，而截面形狀屬于功能開發(fā)范疇。膠條截面尺寸的合理性同樣會(huì)影響膠條聲學(xué)性能，較差的膠條截面往往會(huì)產(chǎn)生換向異響。不合理的截面尺寸會(huì)導(dǎo)致偏大的膠條傾角，容易在運(yùn)動(dòng)至換向位置時(shí)膠條產(chǎn)生異響[2]。因此在設(shè)計(jì)膠條界面時(shí)應(yīng)注意以下參數(shù)：接觸角度數(shù)以及變化范圍、刮片壓力系數(shù)范圍。

3.2 膠條倒伏嚴(yán)重

膠條倒伏嚴(yán)重同樣會(huì)造成刮刷過(guò)程中的抖動(dòng)異響問題。由于膠條的倒伏，在刮刷時(shí)會(huì)產(chǎn)生倒鏟現(xiàn)象，而倒鏟會(huì)使刮刷過(guò)程非常不順利，產(chǎn)生嚴(yán)重的抖動(dòng)和噪聲。改善膠條倒伏嚴(yán)重的方法已經(jīng)在2.3小節(jié)中論述，不再贅述。

3.3 摩擦系數(shù)偏大或者不均

膠條運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不可避免地與風(fēng)擋玻璃摩擦，而摩擦系數(shù)偏大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)和異響。造成摩擦系數(shù)偏大的原因主要有膠條表面涂層脫落、涂層主料的摩擦系數(shù)較高等。改善此問題可提高涂層粘合劑的附著力以及選用摩擦系數(shù)較小的涂層主料等措施。造成摩擦系數(shù)不均的原因有風(fēng)擋表面親水性不均、膠條表面涂覆不均勻等，改善此問題可采用添加活性劑的玻璃水清洗風(fēng)擋、以及在膠條生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制涂層均勻性等措施。

3.4 刮片壓力分布不均

刮片壓力分布不均同樣會(huì)造成噪音問題，由于無(wú)骨雨刮的自身的特點(diǎn)，其壓力分布均勻性是比較一般的，即中間點(diǎn)與兩端點(diǎn)的壓力大，其它位置壓力較小。刮片壓力大的位置膠條與玻璃的傾角大，刮片壓力小的位置膠條與玻璃的傾角小，膠條就會(huì)展現(xiàn)出扭曲地狀態(tài)，扭曲的膠條運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)造成異響的問題。刮片壓力分布一般與結(jié)構(gòu)有關(guān)，即有骨、三段式、無(wú)骨刮片，其中三段式刮片通過(guò)若干支點(diǎn)將刮臂壓力分配簧片，壓力分布比無(wú)骨刮片均勻。

3.5 刮片攻擊角不合理

刮片攻擊角本質(zhì)上由雨刮臂的攻擊角、扭角、玻璃曲面決定。攻擊角是指雨刮膠條中心線與玻璃法線之間的夾角，如圖4所示與雨刮刮凈度、噪聲等評(píng)價(jià)指標(biāo)有非常重要的關(guān)系，是雨刮最重要的參數(shù)之一[3]，需要重點(diǎn)梳理。

當(dāng)一個(gè)車型的雨刮系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢，雨刮攻擊角隨即確定。如果攻擊角設(shè)計(jì)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致雨刮膠條倒伏嚴(yán)重，換向困難，產(chǎn)生倒鏟，從而產(chǎn)生抖動(dòng)和異響。如果攻擊角過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致膠條過(guò)于站立，也會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)和異響。而且攻擊角在雨刮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是由負(fù)到正和由正到負(fù)周期性變化的，其存在零點(diǎn)，應(yīng)該使零點(diǎn)在刮刷過(guò)程的合理區(qū)間內(nèi)發(fā)生。因此，雨刮設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)時(shí)重視雨刮攻擊角，使其在合理的區(qū)間內(nèi)變化。

另外，在攻擊角變化時(shí)的角梯度與線梯度也應(yīng)當(dāng)被注意。角梯度是指在整個(gè)刮刷過(guò)程中，刮片長(zhǎng)度方向上每個(gè)點(diǎn)的攻擊角在雨刮刮刷1度下的變化量。角梯度若過(guò)大，則刮刷方向攻擊角變化快，會(huì)導(dǎo)致膠條翻邊前打滑失穩(wěn)，在刃口產(chǎn)生高頻自激振動(dòng)。線梯度是指在整個(gè)刮刷過(guò)程中，沿著刮片長(zhǎng)度方向每100mm長(zhǎng)度膠條的攻擊角的變化量。線梯度若變化過(guò)大，則膠條方向各位置與玻璃之間的攻擊角差別大，導(dǎo)致玻璃與不同位置的膠條間的摩擦力差異明顯，致使膠條出現(xiàn)抖動(dòng)。

4 結(jié)論

本文就導(dǎo)致雨刮刮凈度差以及抖動(dòng)異響的原因進(jìn)行了分析，簡(jiǎn)要地分析了導(dǎo)致刮凈度差的原因主要有膠條基材磨損、膠條的涂層磨損、膠條倒伏嚴(yán)重以及刮片壓力分布不均勻等；導(dǎo)致抖動(dòng)異響的原因主要有膠條截面尺寸不合理、膠條倒伏嚴(yán)重、摩擦系數(shù)偏大或者不均、刮片壓力分布不均、攻擊角不合理等，并針對(duì)其中的設(shè)計(jì)因素提出了改善或者解決措施，我們認(rèn)為本文對(duì)于雨刮設(shè)計(jì)工程師開展雨刮設(shè)計(jì)以及故障分析有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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