重型載貨汽車雙電機刮水器系統設計

李 靜，張曉東，趙文杰，董建奇，卜軍軍

（北奔重汽（北京）汽車研發有限公司，北京 102308）

1 雙電機刮水器系統的優勢

雙電機刮水器系統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被破壞掉的同時，另一個雨刮系統能夠正常工作，并且節省連桿機構的安裝、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、節約車內空間的特點。如圖1所示,此系統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，取消了傳統的刮水系統機械連桿結構，節省車內空間、減小機械噪聲，同時兩側刮水系統獨立工作，使系統運行比傳統刮水系統更加平穩可靠。

2.2 噪聲要求

1） 刮水器工作時，不應發出異常聲音。

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下，每分鐘內的刮刷循環次數。

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

實際掛刷區域是指風窗玻璃表面被刮片刮到的區域。實際掛刷區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域［2］。如圖2所示，經計算，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 刮刷區域

4.1 法規中關于刮刷區域的規定

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域的定義及要求,根據車身給出的區域示意圖如圖3所示，對比結果見表2。

表2 SAE J198中A、B、C區刮刷比例要求

4.2 實際刮刷區域檢查

通過測量和計算，計算出實際刮刷面積和占各區域總面積的百分比，刮刷比例：K=S刮/S總。 A區、B區、C區中實際刮刷的面積，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%。檢查結果統計見表3。

圖3 A、B、C區域示意圖

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《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》；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，并經過烘烤，電機發熱也不會產生水分，全面防潮。

9 結論

綜上所述，雙電機刮水器系統具備節省空間、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）對刮水器系統進行控制，實現了低速、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各模塊工作狀態發送至儀表顯示。刮水器系統裝車后，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，噪聲等性能參數明顯優于標準要求數據。