汽車雨刮片的結構與耐久性能研究

田永，方瑛

(廣汽菲亞特汽車有限公司產品技術部,湖南長沙 410100)

0 引言

汽車前風窗玻璃刮水器系統(tǒng)是汽車上的重要部件，又稱雨刮器，用來清潔玻璃上的雨水、灰塵、雪等，保持駕駛員的視野清晰[1]。目前的乘用車刮水器多數采用電動式，它由刮水電機和一套傳動機構組成[2]，刮水器電機驅動減速機構旋轉，并通過驅動連桿做往復運動[3]，達到刮刷的目的。

刮水器在刮刷過程中，雨刮片和玻璃直接接觸，可以保持擋風玻璃外表面清潔，確保雨雪天氣視野清晰和行車安全，是汽車不可缺少的零部件，它必須具備耐熱、耐寒、耐酸堿、抗腐蝕、能貼合擋風玻璃、減輕馬達負擔、低噪聲、撥水性強、質軟不能刮傷擋風玻璃等特點。由于雨刮片刮刷一定時間以后膠條就會出現磨損，所以需要及時進行更換，一般正常使用的雨刮片，大概12個月左右更換一次[4]。

1 雨刮刮片結構

雨刮片的作用十分重要，但在刮刷過程中，雨刮片不能將玻璃上的水完全刮掉，而是通過刮刷將玻璃表面的雨水抹平形成均一的水膜層，允許光線順利穿過不會產生折射和變形彎曲。如圖1所示，是雨刮片工作中形成水膜的原理示意圖。

1907年，BOSCH生產出了第一套雨刮片系統(tǒng)，直到20世紀60-70年代，雨刮片基本上全部采用注塑成型的制造工藝[5]，但隨著時代的不斷發(fā)展和科技的不斷進步，雨刮片的結構也發(fā)生了巨大的變化，目前常用的雨刮片為金屬材料和橡膠材料復合制造而成，按照結構的不同，主要可分為有骨架刮片和無骨平刮片兩大類。

1.1 有骨架雨刮片

所謂的有骨架，即雨刮膠條是通過骨架支撐進行固定并與玻璃進行貼合的，最常用的有骨刮片結構如圖2所示，分為膠條、支撐桿、支撐臂、連接件、接頭、壓片等部分，支撐臂和支撐桿通過鉚接的形式進行連接，支撐桿通過壓接的形式和膠條連接，也就是所謂的支撐點，一根刮片一般有6個支撐點，支撐點傳遞壓力給雨刮膠條，使膠條可以和玻璃貼合。

在雨刮器運行的過程中，雨刮膠條和玻璃是直接接觸的，磨損非常劇烈，人們會對膠條表面進行一些特殊的處理，以避免膠條表面過快磨損。一般采用納米碳素涂層處理膠條表面，以保證刮拭的平滑，減少噪聲與振動，延長膠條壽命。

由于有骨刮片的結構所限，通常和導流片一起使用，可以減少風阻，提高刮刷效率。有骨刮片刮刷可靠、制造工藝成熟、工序簡單、制造成本低，但在使用的過程中,由于有骨雨刮片各個支撐點處壓力偏大，無支撐點處壓力偏小，容易出現雨刮片和玻璃之間磨擦的噪聲，不易刮干凈雜質，所以，有骨雨刮片多裝備在中低擋車型的雨刮系統(tǒng)中，如比亞的速銳、長安逸動、雪弗蘭賽歐等。目前生產有骨刮片的廠家較多，國外廠家有博世、法雷奧等，國內廠家有國雨、萬江等。

1.2 無骨平刮片

無骨平刮片是相對于有骨雨刮片來講的。無骨雨刮片本身是由雨刮膠條、無骨雨刮鋼片、雨刮護套和塑料件4種配件組成。其中支架為不銹鋼材質，鋼片為碳鋼且長度在10～28英寸之間，厚度為0.80～0.90 mm，寬度一般在7.00～14.00 mm。無骨雨刮片中的鋼片利用一整根導力鋼片條來分散壓力，使雨刮片各部分受力均勻，以達到減少水痕、擦痕的效果。鋼片外層包裹有電鍍層，使其更加耐銹蝕。

無骨刮片和有骨刮片相比，可以承受較大的壓力，雨刮片在使用的過程中，支點越多，雨刮片的受力就越均勻，和玻璃接觸得就越服帖，也就能達到更好的去水效果。無骨雨刮沒有支架，采用整支雨刮片本身來加壓，這樣相當于雨刮片整體都是受力點，因此無骨雨刮相比傳統(tǒng)支架有骨雨刮更有效。無骨雨刮鋼片的彈性比一般有骨雨刮鋼片更好一些，可降低抖動磨損，壽命比有骨雨刮要長，再加上其受力均勻、防日曬、結構簡單、質量更輕等特性，已經成為雨刮片未來的發(fā)展趨勢。

但無骨雨刮片也存在著制造成本偏高、工藝比較復雜等不利因素，因此，主要應用在中高端車型上，比如大眾速騰、雪鐵龍C5、通用君威等。目前國內有能力生產無骨刮片的廠家主要集中在博世、法雷奧、輝門、山多力等廠家。

1.3 其他類型刮片

除了上述兩種常用的刮片結構外，還有一種刮片介于有骨和無骨之間，叫做Unit Blade，它把支撐桿隱藏在倒流板中，將整個導流板分成三段，這三段可以自由活動，調節(jié)壓力和與玻璃的貼合，這種雨刮片的結構更加接近于有骨刮片。這種刮片常見于日系車型，主要生產廠家為電裝。

2 雨刮片卡接種類

雨刮片的卡接口是刮片的重要組成部分，它直接和雨刮刮桿相連，連接的穩(wěn)固性和可靠性是雨刮片正常工作的保證。在設計卡接口時，既要注意拆裝的方便，又要保證有一定的連接強度，防止受力脫落。目前常用的卡接口有U Hook、Top Lock和多功能卡接口3種形式。

2.1 U Hook卡接形式

所謂U Hook卡接形式，就是刮桿接頭為U型，直接插入雨刮片的U形卡槽內，并用蓋子蓋住，防止其脫落的一種卡接形式。如圖5所示，是U Hook卡接口的連接形式。這種連接形式制造工藝簡單、制造成本低、拆裝方便，是目前比較流行的一種卡接方式。

2.2 Top Lock卡接形式

Top Lock卡接形式，其固定點在刮桿連接頭的頂部，圖6為Top Lock卡接形式結構圖，可以看出：拆卸口在頂部，而且連接頭的形狀較為復雜，這就對刮桿和連接頭的形狀精度有很高的要求，所以在制造過程中要控制好零件精度，否則會影響裝配。這種設計的連接十分穩(wěn)固、工作可靠性高，多用在刮片長度較長、刮刷面積大的雨刮系統(tǒng)上。

2.3 多功能卡接形式

不管是U Hook還是Top Lock的卡接形式，對刮桿端的匹配結構要求都是單一的，但在實際使用過程中，尤其是在更換刮片的過程中，會出現刮片和卡接口不匹配的問題，所以，多功能卡接形式應運而生。如圖7所示，通過對刮片連接頭的優(yōu)化設計，可以同時滿足4種以上不同接頭的匹配要求。

3 雨刮片耐久性能

玻璃刮水器系統(tǒng)的耐久試驗主要分為三大部分，即堵轉試驗、連續(xù)濕刮耐久試驗、壓縮角度試驗。其中考驗刮片性能最直接的試驗就是連續(xù)刮刷試驗。試驗時，將整個刮水器系統(tǒng)放置在專用的模擬試驗臺架或者實際車身上進行試驗。

耐久試驗順序一般為：堵轉試驗1→連續(xù)濕刮耐久試驗→壓縮角度試驗→堵轉試驗2。

3.1 堵轉試驗

堵轉試驗是模擬刮水電機在運行過程中受到突然的阻擋而停止運行，要求突然停止后可以重新啟動運行，對系統(tǒng)功能無影響。試驗時，可選擇刮水系統(tǒng)停止位、翻轉位或運行中間位作為停止位置，阻擋刮水器電機突然停止運行，阻滯時間15 s左右，然后測量刮水器電機的刮刷角度和刮刷頻率變化是否在允許范圍內。

3.2 連續(xù)濕刮耐久試驗

連續(xù)濕刮耐久試驗是整個耐久試驗中試驗時間最長，考驗最嚴酷的試驗，要求刮水器系統(tǒng)在濕刮、干刮、高速擋、低速擋的條件下運行150萬次，以檢驗刮片的耐久能力以及破壞情況。

測試周期為：濕運行 (噴水)：5 min 30 s→干運行 (不噴水)：30 s→停止 (休息)：15 s。

測試順序為：高速擋運行750 000個刮刷周期→低速擋運行750 000個刮刷周期→在0.5×106個刮刷周期后更換刮片。

有部分主機廠還要求模擬車輛極限條件下的工作情況，要求刮水器在極高溫和極低溫條件下進行刮刷耐久性能試驗，對刮片的考驗更加嚴酷。

這樣進行間歇試驗模擬了使用過程中頻繁啟動的過程，如果只連續(xù)噴水刮刷，則玻璃表面充分濕潤，刮片工況好，相當于小雨情況，與實際工況不符，就不能將實際使用中的問題暴露出來，所以要進行間歇、高速、低速、溫度交變等不同情況下的試驗。

3.3 壓縮角度試驗

壓縮角度試驗主要是模擬汽車在大雪天行駛，雪阻滯在A柱附近，在刮刷冰雪等惡劣工況下刮片的損傷情況。一般的壓縮角度在3°～5°之間，要求壓縮角度試驗后，系統(tǒng)不能有功能失效。

測試周期為：連續(xù)噴水，低速擋或高速擋，連續(xù)運行10萬次。

4 總結

綜上所述，雨刮系統(tǒng)是汽車必不可少的零部件之一，而雨刮片又是雨刮系統(tǒng)工作中與玻璃直接接觸的部件，十分重要。雨刮片按照結構的不同，分為有骨刮片、無骨刮片、復合刮片等3種；雨刮片與刮桿的卡接口形式可分為U Hook、Top Look、復合接口3種形式；為了保證雨刮片的使用性能和耐久性能，對雨刮片進行耐久試驗是必要的，雨刮耐久試驗可以分為堵轉試驗、連續(xù)濕刮耐久試驗、壓縮角度試驗等3個不同的階段，通過對雨刮片的結構與耐久性能研究，可以更好地優(yōu)化雨刮片的結構和延長雨刮片的使用壽命。

【1】 陳家瑞.汽車構造(下)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009:343-348.

【2】 凌凱汽車資料編寫組.汽車原理[M].北京：北京郵電大學出版社，2005:235-236.

【3】 范迪彬.汽車構造(下)[M].合肥：安徽科學技術出版社，2001：346-348.

【4】 吳熔琳.汽車雨刮片會買還得會用[J].當代汽車,2009(3):92.

【5】 周應軍.博世公司汽車電子技術簡介(十二)：刮水器(上)[J].汽車與配件,2001(24):24-26.