汽車雨刮刮片刮拭能力分析研究

敖世奇 李瓊 吳文良

1.博世汽車部件（長沙）有限公司 湖南省長沙市 410199 2.湖南工業職業技術學院 湖南省長沙市 410208 3.上汽大眾汽車有限公司 上海市 201805

雨刮系統是在雨天保持駕駛員清晰的事業的汽車關鍵零部件[1]。雨刮片的刮拭性能是汽車雨刮系統最重要的功能，如何對其進行分析一直是雨刮系統的研究重點之一。本文通過理論分析以及設計相應的試驗設備，對汽車雨刮刮片刮拭能力的分析進行了相應的研究。

1 雨刮膠條的密封性

雨刮刮拭時的本質是通過膠條在玻璃上的刮刷形成一層均勻的水膜，要達到這個目的，則需要通過壓力使膠條與玻璃之間形成良好的“密封”。

一般良好的密封性要求水膜的厚度h＜600nm。

圖1 水膜的厚度

圖1所示為影響水膜厚度的相關因素，其中h為水膜的厚度，單位為m；η為水的黏度，單位為Pa.s；x為膠條與玻璃接觸的寬度，單位為μm；dp/dx為膠條的壓力分布，單位為MPa/μm；v為膠條的移動速度，單位為m/s。于是，有：

2 水膜雷諾方程

北京航空航天大學馬綱在《建立雷諾方程的一種新概念》中，推導了不可壓縮的水膜雷諾方程[2]。當流體密度ρ為常數時，考慮等溫等粘的情況，略去有關的無限小的壓力流項，有近似的水膜雷諾方程：

在U1=U2的情況下，將其平均速度定義為則有有

3 水膜厚度

3.1 水膜厚度的微觀分析

圖2所示為水膜厚度的微觀分析。

由式（1）、（3）及圖2，得水膜的厚度為：

式（4）中的R與ER說明接觸中的可變形體，其外形（接觸半徑）與剛度必須在變形過程中更新。R為接觸半徑，通過接觸半徑R的計算，可以分析水膜的厚度。可通過試驗進行確定。

3.2 接觸半徑的測試

圖3所示為所設計的接觸半徑R的測試方法。

如圖3所示，將膠條材料的樣品放置于測試臺中，浸泡在含熒光染料的潤滑劑中，由驅動系統帶動的玻璃盤和加載系統共同對膠條材料進行加載，在其上方設置一個熒光顯微鏡。在加載系統進行加載后，由驅動系統帶動玻璃盤進行旋轉，通過熒光顯微鏡觀察的熒光強度來測量薄膜厚度。

圖3 接觸半徑的測試

4 刮拭性能分析

由圖1可知，雨刮系統的刮拭性能與雨刮膠條和玻璃之間的密封性有關，而密封性則與其壓力梯度有關。由式（4）可知，其壓力方程為：

將雨刮膠條的壓緊力分布（單位為N/m）作為橫坐標，將雨刮膠條最大刃口接觸壓強（單位為MPa）作為縱坐標，分析其壓緊力分布與接觸壓強之間的關系。經過對相關產品的測試，得到的結果如圖4所示。

圖4中x為膠條與玻璃接觸的寬度，可見隨著壓緊力的上升，最大膠條刃口接觸壓強由于x的變大并不是直線上升，而是在壓緊力在20-25N/m之間達到最大值。結合圖4，可知在雨刮刮片的壓力分布中，要能夠有一個良好的刮拭性能（密封性能），其壓力分布需在7N/m-35N/m之間。過低（＜7N/m）在刮刷過程中容易出現水線（漏刮）、噪音，同時導致車輛高速行駛時的刮拭性能下降等；過高（＞35 N/m）則在刮刷過程在會出現抖動（噪音），以及導致膠條過度磨損等。

5 小結

雨刮系統作為汽車重要組成部分，其設計的有效性、合理性將直接影響其運行效率[3]。由本文的分析結果，在企業指導了十數款車型的雨刮系統的設計并仿真分析，最后通過實際裝車驗證，取得了良好的效果。

圖4 壓緊力分布與接觸壓強之間的關系