一種軍用雨刮系統(tǒng)的布置方法

楊曦明，閆博

一種軍用雨刮系統(tǒng)的布置方法

楊曦明，閆博

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

文章主要介紹了一種在狹小空間內(nèi)布置雨刮系統(tǒng)的方法。該方法將雨刮系統(tǒng)所需相關(guān)參數(shù)進行分解，使雨刮系統(tǒng)布置分解為刮刷/刮臂布置和連桿布置。然后分別對它們求解，使得雨刮系統(tǒng)的布置更為簡單、準確。

汽車雨刮器；刮刷面積；仿真

1 引言

軍用汽車行駛路況惡劣，特別是在雨天、雪天行駛時，前風(fēng)窗玻璃容易被雨水、雪水、泥水覆蓋，妨礙駕駛員視線。汽車雨刮系統(tǒng)能清除風(fēng)擋玻璃上的雜物，使駕駛員有一個清晰的視野，降低了惡劣路況下交通事故的發(fā)生，是行車安全的重要保證。本文以一款軍用駕駛室前風(fēng)窗雨刮的布置為例，介紹了布置軍車雨刮器的一種新方法。

2 常見的幾種軍用雨刮器類型

軍車駕駛室雨刮器可分為以下四種形式：同向刮刷、對刮、單臂可控刮刷和普通單臂刮刷。前兩種雨刮器根據(jù)電機數(shù)量不同可分為單電機驅(qū)動和雙電機驅(qū)動，其安裝位置多采用頂置或底置，運動方式多采用四連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)。

3 汽車雨刮刮刷布置的方法

汽車雨刮器主要由電機組件、刮片、刮臂和控制系統(tǒng)等部分組成，其設(shè)計根據(jù)用戶使用情況和維修情況滿足一些性能和結(jié)構(gòu)要求。軍車雨刮系統(tǒng)不僅要滿足雨刮的常用功能，同時還需考慮軍車在戰(zhàn)時的生存性和實用性，因此前風(fēng)窗都比較小。軍車在儀表臺部位的電器和裝置較多，故留給雨刮連桿的布置空間很緊湊。

3.1 雨刮刮刷面積

雨刮刮刷面積是指刮片往復(fù)運動過程中，刷過的風(fēng)窗玻璃外表面上的面積。

3.2 軍用雨刮刮刷面積設(shè)計要求

目前軍用車輛無具體雨刮刮刷面積要求的國家標準，通常根據(jù)GB 11565-1989《轎車風(fēng)窗玻璃刮水器刮刷面積》[1]中第4.2節(jié)的要求：刮水器的刮刷面積不得小于A區(qū)域的98%；B區(qū)域的80%。因此布置雨刮刮刷面積前，應(yīng)根據(jù)GB 11556-1994《汽車風(fēng)窗玻璃除霜系統(tǒng)的性能要求及試驗方法》中關(guān)于A、B區(qū)域的定義方法，在駕駛室前風(fēng)擋玻璃上繪制出A、B區(qū)。并根據(jù)駕駛室前圍布置情況繪制出可供雨刮軸布置的區(qū)域。如圖1。

圖1 雨刮布置區(qū)域

3.3 雨刮片和刮臂的設(shè)計

雨刮片由橡膠唇、骨架、可移動臂等部分組成，是雨刮器與目標清除物支架接觸的部件[2]。刮臂是由臂、壓縮彈簧、夾緊件和支座等部件組成。它們是決定視野范圍的主要因素。因此設(shè)計時應(yīng)在以下方面進行考量：

3.3.1 刮片長度

受軍方產(chǎn)品種類統(tǒng)型和備件影響，刮片長度主要有以下12種類型，長度分別為：200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、700mm、800mm。

3.3.2 刮片長度應(yīng)和刮臂相適應(yīng)

因刮臂提供的壓縮預(yù)計力是恒定的，當刮片過長時，預(yù)緊力在刮片單位長度的壓力會不足，會存在漏刮和刮不凈的隱患，當刮片過短時，預(yù)緊力在刮片單位長度的壓力富余，會存在橡膠唇永久變形和刮片工作時抖動的隱患。因此刮片長度和刮臂的對應(yīng)關(guān)系如表1：

表1 刮片和刮臂的長度對應(yīng)表

3.3.3 刮片和刮臂布置的要求

（1）刮片受刮臂的制造和裝配精度影響，刮片在縱向方向需預(yù)留10mm~20mm的富余量（推薦值為15mm）；在橫向方向需預(yù)留1°~2°的富余量或20mm~30mm的富余量（推薦值為25mm）。

（2）刮片起始位置與周邊件的夾角盡可能小，或不外露（藏在周邊件內(nèi)）。

（3）刮片極限位置與A柱夾角盡可能小。

（4）同車雨刮片盡可能通用。

（5）同車雨刮臂盡可能通用。

3.3.4 刮片長度估算方法

（1）輸入條件：玻璃的長度L1、玻璃的寬度L2、轉(zhuǎn)軸距離玻璃下沿的距離L3。

（2）刮片的長度L4：

（3）由3.3.1可初定雨刮片長度為300mm。布置如圖2：

（4）由圖2可見雨刮刮刷面積未能覆蓋完A區(qū)，因此需重新調(diào)整刮刷長度、刮刷邊界距離玻璃的距離。用于確定刮臂旋轉(zhuǎn)點位置、刮片的初始角度α1、刮臂旋轉(zhuǎn)角度α2。調(diào)整后的布置如圖3，其中刮刷長度L4增加50mm，達到350mm。

圖3 雨刮布置2

（5）核算刮刷面積

由圖3可知A區(qū)的刮刷率為100%，滿足設(shè)計要求（≥98%）；

經(jīng)尺寸核算B區(qū)的刮刷率為85%，滿足設(shè)計要求（≥80%）。

（6）根據(jù)雨刮布置2（圖3），輸出刮刷的初始角度α1、刮臂旋轉(zhuǎn)角度α2、刮臂長度L5和刮臂旋轉(zhuǎn)點的相對坐標。

4 雨刮連桿系統(tǒng)的設(shè)計

雨刮連桿系統(tǒng)包含輸出軸、擺臂、曲柄、連桿等部件。在設(shè)計時，要特別注意連桿系統(tǒng)的運動學(xué)特性，其中刮角的大小需滿足雨刮在整車上的布置需求（如圖3），同時需兼顧其速度、加速度、行程速比等影響雨刮穩(wěn)定性的因素。

4.1 工作原理

電機轉(zhuǎn)軸做圓周運動，帶動電機曲柄l1做圓周運動，通過連桿l2將運動傳遞給擺臂l3，從而實現(xiàn)將曲柄l1的圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)閿[臂l3的往復(fù)運動。擺臂鉚接在雨刮輸出軸上，而刮臂固定在雨刮輸出軸上，故擺臂的往復(fù)擺動通過雨刮輸出軸同步傳遞給刮臂，實現(xiàn)刮臂的往復(fù)擺動，從而帶動雨刮片的刮刷運動。

4.2 軍車連桿設(shè)計要求

4.2.1 在連桿系統(tǒng)中

球頭球碗是一個關(guān)鍵零部件，其材料的耐磨性以及配合間隙、接觸角等因素均影響雨刮的穩(wěn)定性，是雨刮運行平順性的保證[3]。因此進行雨刮連桿布置時，需了解開發(fā)廠家的相類似部件的精度和其產(chǎn)品運動時的邊界誤差，再進行連桿長度的布置，給其留有足夠的容差。

4.2.2 軍車駕駛室種類眾多

但單個駕駛室數(shù)量很少。因此曲柄、擺臂、刮臂、刮片盡可能用現(xiàn)有成熟部件，連桿僅進行長度變更。

4.2.3 連桿長度計算

當曲柄旋轉(zhuǎn)與連桿重合時，連桿的擺臂處在左右最極限的位置點，產(chǎn)生擺桿的兩個極限角度（θmax、θmin），則擺臂的擺角θ擺角=θmax-θmin=α2=83.5°（見圖3）；

軍車常用曲柄長度l1=30mm；從圖3可得知轉(zhuǎn)軸和雨刮輸出軸之間距離l4=36.5mm，則擺臂選取范圍如下：

擺臂長度l3≤l4/COS(α2/2)=36.5/COS(83.5/2)≈48.9；

擺臂長度l3≥l1/sin(α2/2)=30/sin(83.5/2)≈45；

結(jié)合軍車常用擺臂的長度，暫選定l3=45。

因l3x sin(83.5/2)=29.965，與曲柄長度接近。故連桿長度與轉(zhuǎn)軸和電機中心的水平距離l5=437相近，通過CATIA軟件對雨刮臂的擺動角度大小與雨刮連桿長度變化關(guān)系進行設(shè)計和仿真，得出數(shù)據(jù)如表2：

表2 擺動角度隨連桿長度的變化數(shù)據(jù)

則最優(yōu)連桿長度2=436mm

4.2.3 連桿運動校核

（1）根據(jù)刮臂轉(zhuǎn)軸旋中心坐標，作出各個旋轉(zhuǎn)點。

（2）根據(jù)雨刮電機轉(zhuǎn)軸中坐標，作出旋轉(zhuǎn)點。

（3）繪制曲柄l1，設(shè)置其與水平夾角變量α3，設(shè)初始值為0°，終止值3600°，步驟數(shù)1000。

（4）繪制連桿l2和擺臂l3，使其端點連接。

（5）繪制刮片L4和刮臂L5，按照刮片的初始角度α1進行固連。

（6）將刮臂L5、擺臂在曲柄l1與水平夾角為初始值θmax/θmin的位置進行固連。

（7）驅(qū)動變量α3，使其形成雨刮運動仿真，如圖4。

圖4 雨刮連桿運動軌跡

（8）核查雨刮的刮刷面積滿足法規(guī)需求。

（9）協(xié)同供應(yīng)商核查雨刮在運動過程中位置與周邊件間隙滿足產(chǎn)品的精度需求。

（10）發(fā)布某軍車的雨刮布置圖。

5 結(jié)束語

雨刮總成是功能件，也是安全件。本文在雨刮布置時，首先根據(jù)玻璃大小和視野區(qū)域需求進行雨刮區(qū)域設(shè)計，確定刮刷角度、刮臂旋轉(zhuǎn)點、刮臂長度、刮臂旋轉(zhuǎn)角度；其次，從系統(tǒng)匹配的角度和零部件的結(jié)構(gòu)功能進行分析，并運用CATIA進行運動仿真，確定最優(yōu)布置方案。此方法在車型設(shè)計初期，能夠快速提供雨刮的布置方案，為后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)縮短了開發(fā)周期和費用。

[1] GB 11565-1989《轎車風(fēng)窗玻璃刮水器刮刷面積》.

[2] 袁乾鋒,馮彬.昆明6號線城市軌道交通車輛刮雨器設(shè)計[J].技術(shù)與市場.2016年第7期p18-p19.

[3] 任丙成,寇青林,王宜海.分體式雨刮連桿系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2017年第2期p56-p59.

A layout method for military wiper system

Yang Ximing, Yan Bo

( Institute of Automotive Engineering R&DShaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper mainly introduces a method of distributing wiper system in narrow space. The method decomposes the relevant parameters of the wiper system into the wiper/wiper arm arrangement and the connecting rod arrangement. And then solve them respectively, making the layout of the wiper system simpler and more accurate.

Automobile windscreen wiper; Wiper area; Simulation

B

1671-7988(2019)21-110-03

U463.9

B

1671-7988(2019)21-110-03

楊曦明，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。閆博，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.038

CLC NO.: U463.9