雨刮刮凈度差及抖動異響機理的分析

韓碩　郭勇　孫曉江　蘇婷慧

摘 要：作為車輛上重要的部件，雨刮系統對于車輛在雨雪天氣下的安全行駛起著至關重要的作用，其在運行過程中刮凈度問題會對行駛過程中駕乘人員的安全造成威脅，而抖動異響則十分影響駕駛的舒適性，這兩個問題一直是困擾著雨刮設計師的難題。解決問題的難點在于：首先，由于刮刷過程中膠條的老化磨損等不可控原因，導致雨刮的刮凈度問題十分復雜；另外，由于刮刷過程中刮片與風擋玻璃非線性的摩擦，使得分析雨刮的抖動與異響問題非常困難。本文從刮凈度問題以及抖動異響兩方面入手，全面總結了雨刮刮凈度差以及抖動異響機理，對于雨刮設計工程師有一定指導意義。

關鍵詞：雨刮系統 無骨雨刮片 膠條 刮刷質量 抖動異響

1 引言

汽車產業自19世紀發展至今，已然從簡單的交通工具轉變為移動出行的第二空間，其在國民經濟中扮演著越來越重要的角色。雨刮系統是工作于車身外部并且在極端條件下仍需要保持穩定運動的零部件，清理前后擋風玻璃上的雨水、污漬等是其主要作用，從而使駕駛人員在惡劣條件下依然保持良好的視野，由此可見雨刮系統的重要性。從雨刮系統的結構來講，一般其由以下三部分組成：車身電子模塊、雨刮電機、雨刮臂，其中雨刮電機與雨刮臂的示意圖如圖1所示。當駕駛員操縱撥桿，撥桿發出指令給車身電子模塊，而車身電子模塊接受撥桿的指令后，發出相關的車身控制命令，接收到指令的雨刮電機驅動雨刮臂運動，從而清潔擋風玻璃。在此過程中，雨刮片是唯一與擋風玻璃直接接觸的零件，其性能將直接影響整個過程的刮刷質量與抖動噪聲。

一般來說，雨刮片主要有三種類型，分為有骨刮片、三段式刮片、無骨刮片。有骨刮片結構十分復雜，骨架是由若干金屬支架組成，外形不美觀，目前僅在少量低端品牌上使用；三段式刮片可以將壓力分布保持的較為長久，靜音效果較好，目前日系、美系的部分車型使用；無骨刮片壓力分布尚可，刮凈度好，外形簡潔美觀，目前市場占有率最高。由于無骨刮片最有代表性，因此本文主要討論無骨刮片的刮凈度與刮刷噪聲的機理。無骨刮片的結構如圖2所示，由膠條、簧片、擾流翼、連接塊等組成，其中膠條、簧片直接影響雨刮刮刷的質量與噪音。下面從刮凈度以及抖動異響兩方面入手，全面總結雨刮刮凈度差以及抖動異響機理。

2 刮凈度差

雨刮的刮凈度問題是人們使用雨刮過程中發生較多的故障現象，刮不干凈會威脅駕乘人員的安全。導致刮凈度差的原因主要有膠條基材磨損、膠條的涂層磨損、膠條倒伏嚴重以及刮片壓力分布不均勻等。

2.1 膠條基材磨損

造成膠條基材磨損的原因主要有用戶直接用雨刮去刮刷較大硬物、膠條耐磨性較差等。其中，用戶使用不當是非設計因素，膠條耐磨性較差是設計因素。對于膠條耐磨性差可采用改善膠條配方、改善橡膠分散性、使不同極性的橡膠均勻混合、改善橡膠可塑性、流動性等措施來改善。批量采用的膠條主要有以下幾種材料：天然橡膠（NR膠條）、氯丁橡膠（CR膠條）、丁腈橡膠（NBR膠條）、三元乙丙橡膠（EPDM膠條）、NR：CR（WRC4膠條），其中NR與EPDM膠條的耐磨損性較好。

2.2 膠條涂層磨損

涂層的主要作用在于提高膠條的耐磨性，從而降低膠條磨損維持較高刮凈度；還可以保持膠條較低摩擦，從而使得刮擦噪聲較小。造成膠條涂層磨損的原因主要有涂層主料的摩擦系數較高、涂層粘合劑的附著力低等，二者均為設計因素。涂層主料可以減小摩擦、提高強度，粘合劑可以將不同材料結合在一起，并形成具有整體的聚合力。對于該故障可以優化涂層主料親水性與硬度以及伸長率、涂層粘合劑的延展性和硬度等措施來改善。

2.3 膠條倒伏嚴重

造成膠條倒伏嚴重的原因主要有膠條抗永久變形性能差、截面尺寸、刮臂壓力過大、膠條停止位長時間單向倒伏等，前三者均為設計因素，第四個為過程管控因素。膠條抗老化性能與膠條材料息息相關。對于膠條材料來說，經過外界環境的風吹日曬后，膠條往往會向著長時間停止方向永久倒伏，膠條向著倒伏方向運動時稱為倒鏟，倒鏟現象如圖3所示。倒鏟時由于與玻璃貼合不緊密會發生漏刮現象。而CR膠條的抗永久變形能力較好，NR膠條的抗永久變形能力較差，但是需要綜合考慮的是成本以及膠條其他方面的性能。一般來說，對于截面尺寸來說，應通過優化刮片運行中膠條與玻璃的間隙來改善刮凈度。過大刮臂壓力也會導致膠條倒伏嚴重，膠條換向不順利會產生倒鏟，倒鏟時會產生漏刮現象，針對此項改善措施可以為在不發生漏刮的前提下適當降低刮臂的壓力系數。對于膠條停止位長時間單向倒伏，為避免該現象的發生，長庫存車雨刮片應運行至服務位置，并抬起刮片[1]。

2.4 刮片壓力分布不均勻

刮片壓力分布不均勻同樣地會導致漏刮現象，從而影響駕駛視線。刮片壓力分布不均與簧片變形、刮片壓力衰減有關。其中簧片變形是非設計因素，在雨刮片設計之初，簧片曲率是要與風擋曲率相配合，但是由于用戶使用不當或受到外力作用變形會導致刮片與玻璃貼合程度差，從而導致漏刮。而刮片壓力分布是設計因素，刮片壓力分布一般與刮片結構有關，即有骨、無骨、三段式刮片，其中三段式刮片通過若干支點將刮臂壓力分配簧片，壓力分布更加均勻。

3 抖動異響

雨刮的抖動異響問題是汽車雨刮日常使用過程中發生最多的故障現象，十分影響駕駛的舒適性，往往是用戶最容易抱怨的問題。由于刮刷過程中刮片與風擋玻璃非線性的摩擦，使得分析雨刮的抖動與異響問題非常困難。導致抖動異響的原因主要有膠條截面尺寸不合理、膠條倒伏嚴重、摩擦系數偏大或者不均、刮片壓力分布不均、攻擊角不合理等。

3.1 膠條截面尺寸不合理

如上文所述，膠條基材與涂層屬于材料研發范疇，而截面形狀屬于功能開發范疇。膠條截面尺寸的合理性同樣會影響膠條聲學性能，較差的膠條截面往往會產生換向異響。不合理的截面尺寸會導致偏大的膠條傾角，容易在運動至換向位置時膠條產生異響[2]。因此在設計膠條界面時應注意以下參數：接觸角度數以及變化范圍、刮片壓力系數范圍。

3.2 膠條倒伏嚴重

膠條倒伏嚴重同樣會造成刮刷過程中的抖動異響問題。由于膠條的倒伏，在刮刷時會產生倒鏟現象，而倒鏟會使刮刷過程非常不順利，產生嚴重的抖動和噪聲。改善膠條倒伏嚴重的方法已經在2.3小節中論述，不再贅述。

3.3 摩擦系數偏大或者不均

膠條運動過程中不可避免地與風擋玻璃摩擦，而摩擦系數偏大時，會產生抖動和異響。造成摩擦系數偏大的原因主要有膠條表面涂層脫落、涂層主料的摩擦系數較高等。改善此問題可提高涂層粘合劑的附著力以及選用摩擦系數較小的涂層主料等措施。造成摩擦系數不均的原因有風擋表面親水性不均、膠條表面涂覆不均勻等，改善此問題可采用添加活性劑的玻璃水清洗風擋、以及在膠條生產過程中嚴格控制涂層均勻性等措施。

3.4 刮片壓力分布不均

刮片壓力分布不均同樣會造成噪音問題，由于無骨雨刮的自身的特點，其壓力分布均勻性是比較一般的，即中間點與兩端點的壓力大，其它位置壓力較小。刮片壓力大的位置膠條與玻璃的傾角大，刮片壓力小的位置膠條與玻璃的傾角小，膠條就會展現出扭曲地狀態，扭曲的膠條運動時會造成異響的問題。刮片壓力分布一般與結構有關，即有骨、三段式、無骨刮片，其中三段式刮片通過若干支點將刮臂壓力分配簧片，壓力分布比無骨刮片均勻。

3.5 刮片攻擊角不合理

刮片攻擊角本質上由雨刮臂的攻擊角、扭角、玻璃曲面決定。攻擊角是指雨刮膠條中心線與玻璃法線之間的夾角，如圖4所示與雨刮刮凈度、噪聲等評價指標有非常重要的關系，是雨刮最重要的參數之一[3]，需要重點梳理。

當一個車型的雨刮系統設計完畢，雨刮攻擊角隨即確定。如果攻擊角設計過大，會導致雨刮膠條倒伏嚴重，換向困難，產生倒鏟，從而產生抖動和異響。如果攻擊角過小，會導致膠條過于站立，也會導致抖動和異響。而且攻擊角在雨刮運動過程中是由負到正和由正到負周期性變化的，其存在零點，應該使零點在刮刷過程的合理區間內發生。因此，雨刮設計師應當在設計時重視雨刮攻擊角，使其在合理的區間內變化。

另外，在攻擊角變化時的角梯度與線梯度也應當被注意。角梯度是指在整個刮刷過程中，刮片長度方向上每個點的攻擊角在雨刮刮刷1度下的變化量。角梯度若過大，則刮刷方向攻擊角變化快，會導致膠條翻邊前打滑失穩，在刃口產生高頻自激振動。線梯度是指在整個刮刷過程中，沿著刮片長度方向每100mm長度膠條的攻擊角的變化量。線梯度若變化過大，則膠條方向各位置與玻璃之間的攻擊角差別大，導致玻璃與不同位置的膠條間的摩擦力差異明顯，致使膠條出現抖動。

4 結論

本文就導致雨刮刮凈度差以及抖動異響的原因進行了分析，簡要地分析了導致刮凈度差的原因主要有膠條基材磨損、膠條的涂層磨損、膠條倒伏嚴重以及刮片壓力分布不均勻等；導致抖動異響的原因主要有膠條截面尺寸不合理、膠條倒伏嚴重、摩擦系數偏大或者不均、刮片壓力分布不均、攻擊角不合理等，并針對其中的設計因素提出了改善或者解決措施，我們認為本文對于雨刮設計工程師開展雨刮設計以及故障分析有一定指導意義。

參考文獻：

[1]邵帥，慕輝. 淺談汽車雨刮片全過程管理[J]. 汽車實用技術，2019（24）：239-240，248. DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.082.

[2]楊雪，王巖松，郭輝，等. 雨刮反轉過程摩擦特性分析[J]. 噪聲與振動控制，2022，42（5）：21-28. DOI：10.3969/j.issn.1006-1355.2022.05.004.

[3]樊鳴曉. 攻擊角對雨刮器摩擦噪聲影響的試驗分析[J]. 汽車工程師，2015（4）：51-54. DOI：10.3969/j.issn.1674-6546.2015.04.011.