直接驅動電機在汽車雨刮設計中的應用

趙國平 張 晶 肖育林

(1. 同濟大學汽車學院，上海 200092；2. 上海汽車集團股份有限公司乘用車公司技術中心， 上海 201804)

1 引言

隨著汽車工業的迅速發展，消費者對于汽車造型與安全的要求越來越高，這直接導致汽車雨刮布置空間越來越小，經常會出現由于雨刮的原因導致汽車安全與造型很難兩全的局面。由于汽車雨刮占據著流水槽這個非常關鍵的部位，所以雨刮布置已經成為汽車總布置中很重要的環節。

2 直驅電機發展

2.1 雨刮布置

雨刮系統是一個具有維持駕駛員及乘客視野的功能系統，需要在汽車動靜態和最高車速時都能夠正常工作。傳統意義上的雨刮一般由一個電機帶動四連桿機構運動，即雨刮電機是圓周運動，由四連桿機構帶動刮刷和刮臂進行往復運動。雨刮一般布置在由汽車前圍與導水板組成的流水槽中(如圖1-a所示)。

由于前風窗雨刮器布置在前圍區域，此區域決定了整車的造型和安全根基。現代汽車越來越要求車身采取流線型設計，需要玻璃盡量往前移，從而就要求玻璃安裝下橫梁也相應往前移，這將導致沒有足夠的空間布置雨刮連桿機構(如圖1-b、1-c所示)；同時為了使整車行人保護提高得分，當行人頭部碰到發蓋壓饋時，發蓋下面零件的剛度較低才能保證較好的行人保護性能。為了滿足這些要求，一方面需要雨刮越來越小、剛度越來越低，但另一方面雨刮本身是一個運動件，對于強度有較高的要求，所以很難持續在體積與剛度上讓步。

為了解決這些矛盾，直接驅動電機應運而生。直接驅動電機顛覆了傳統的雨刮設計：沒有連桿。傳統雨刮機構是靠一個電機驅動，所以需要通過四連桿運動機構將電機的圓周運動轉化為兩個刮桿刮片的往復運動。在直驅電機系統中，電機采用電子馬達，電子馬達可以通過程序設計進行往復運動，所以連桿在直驅電機中就沒有存在的價值，雨刮系統通過兩個電機直接驅動刮桿刮片運動。

(a)

圖2 直驅雨刮電機布置Fig.2 Direct drive motor package

在將連桿去掉后并將直驅電機布置在汽車流水槽兩邊(如圖2所示)，這樣就給造型師及安全工程師更大的優化空間，在美化了整車造型的同時提高了雨刮的安全性能。

2.2 直驅電機發展

直驅電機的發展大概經歷了以下幾個階段。

1) 初始階段(2003—)

初始階段一套雨刮系統是由兩個電機組成(如圖3所示)。電機沒有長連桿，但電機本身自帶有小型四連桿機構，體積相對于傳統雨刮大幅降低，但其本質上還是傳統電機，只是布置上相對于普通電機更加緊湊。

圖3 直驅雨刮電機(2003)Fig.3 Direct drive motor(2003)

2) 起步階段(2009—)

起步階段的直驅電機將初始階段的小型四連桿機構封裝在一個板式結構箱中(如圖4所示)。相對于前一種結構，這種結構看上去更加美觀，同時由于雨刮運動包絡都被包含在封裝結構中，布置也變得更加容易。

圖4 直驅雨刮電機(2009)Fig.4 Direct drive motor(2009)

3) 全新階段(2012—)

全新階段的直驅電機徹底拋棄了四連桿機構，由電機輸出軸直接帶動刮桿刮片運動(如圖5所示)。這種電機也非常規的圓周運動，是根據刮刷角度設定的往復運動，而刮刷角度的設定是通過電機自帶的模塊實現，由于沒有連桿機構，空間進一步縮小，從而為雨刮優化布置提供了便利可行的條件。

圖5 直驅雨刮電機(2012)Fig.5 Direct drive motor(2012)

3 直驅電機優勢

3.1 模塊化設計

傳統雨刮電機的布置采用了連桿機構，機構需與車身流水槽完全同步開發，不同車型對應的雨刮機構基本沒法通用。由于直驅電機省去了連桿機構，使得雨刮與車身的配合不再復雜，雨刮能實現模塊化設計，不同車型只需修改電機程序及安裝點位置即可通用于不同車型，減少研發與模具費用。

3.2 節省空間

傳統雨刮采用四連桿機構帶動左右雨刮臂運動，這種布置一般將電機布置于流水槽中部，占用了流水槽空間，如圖6所示。

圖6 普通雨刮電機Fig.6 Common wiper motor

如果采用直驅電機，中間流水槽的空間可以省下來，節省了大量的空間，如圖7所示。

圖7 直驅雨刮電機Fig.7 Direct drive motor

由于節約了大量的空間，玻璃面可以更傾斜(如圖8所示)，從而可將汽車做成流線型設計，增加內部乘員空間。同時由于中間沒有連桿，行人保護碰撞可以達到更高的等級。

3.3 有利于設計更好的刮刷模式

由于直驅電機采用程序控制的方式，所以電機轉速是變化的，在如圖的B區與C區加速度小于A區(如圖9所示)。

圖8 汽車造型Fig.8 Vehicle style

圖9 刮刷模式Fig.9 Wiper pattern

圖10 刮刷模式Fig.10 Wiper pattern

通常情況下，考慮到制造公差、慣性等因素，雨刮實際刮刷模式與理論刮刷模式有較大的差異(如圖10所示)。由于直驅電機采取變加速模式，雨刮實際刮刷模式與理論刮刷模式差距變小，雨刮片初始位置可以隱藏得更好，有利于乘客視野，從而增加了消費者的美譽度及雨刮安全性能。

3.4 減重

直驅電機由于采用了直接驅動的方式，省去了連桿等運動機構，所以重量相對傳統對刮減輕約29%。

3.5 EMC

新平臺的直驅電機集成了PCB板，為提升EMC性能提供了硬件基礎。

4 直驅電機面臨的問題

4.1 成本高

首先，在技術上，直驅電機是近兩年才開始上市的新技術，目前只有博世、法雷奧等跨國公司掌握了直驅電機的核心技術。其次，在用料上，直驅電機雖然節省了連桿，但一套雨刮系統應用兩個電機，而電機成本高于連桿，所以直驅雨刮系統相對于普通雨刮系統成本高。由于以上兩個原因導致現階段直驅電機成本居高不下。

4.2 軟件開發難度大

直驅電機與普通電機最大的差異在于軟件。普通電機控制模塊集成于BCM(車身控制器)，只能實現簡單的高低速及間歇功能，開發相對簡單。而直驅電機控制模塊之間集成于電機本體，除了能實現簡單的高低速及間歇功能外，還能實現變加速度、改變刮刷角度和隨速轉動等復雜功能，軟件開發難度較大。國內雨刮廠商已經在直驅電機開發商做了一些嘗試，但由于軟件開發還沒有取得突破性進展，所以目前與博世等跨國公司還存在很大的差距。

5 總結

直驅電機在整車上的應用屬于起步階段，主要由于成本的原因，還不能在短時間內普及。但由于直驅電機在布置及安全等方面有其不可替代的優勢，可以預見在不久的將來隨著技術導入成本降低后，直驅電機將是汽車上普遍采用的雨刮形式。