鄭 虎，葉明挺

（1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201206；2.上海法雷奧汽車電機(jī)雨刮系統(tǒng)有限公司，上海 200245）

汽車后刮水器一般廣泛安裝在兩廂小汽車、商務(wù)車上，其作用是通過后刮水器清潔汽車后風(fēng)窗玻璃，以便于駕駛員從后視鏡中觀察汽車后面的情況。這就要求后刮水器的刮水片正常地運(yùn)行在汽車擋風(fēng)玻璃的規(guī)定區(qū)域，如果后刮水器的刮水片的運(yùn)行范圍超出規(guī)定區(qū)域，極易導(dǎo)致后刮水器的刮水片出現(xiàn)打邊框——即刮水片與汽車擋風(fēng)玻璃下邊緣或側(cè)邊緣的橡膠密封條撞擊。這種故障模式不僅嚴(yán)重縮短刮水片的使用壽命，增加刮水電動機(jī)的運(yùn)行負(fù)載，同時產(chǎn)生令汽車駕乘人員煩躁的噪聲。

目前，國內(nèi)外汽車公司還沒有統(tǒng)一的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范汽車后刮水器的刮水片的運(yùn)行范圍 （即刮刷面積，通過刮刷角度和刮刷半徑來評價），各汽車公司根據(jù)各自的要求規(guī)定后刮水器的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

本文通過對GL-8汽車后刮水器刮水片打邊框的故障件的分析，找出了刮水片打邊框的主要原因，同時針對該故障模式提出了改進(jìn)建議。

1 別克GL-8后刮水器的簡介

1.1 技術(shù)數(shù)據(jù)與要求

汽車刮水器基本的技術(shù)要求是:刮水片必須在規(guī)定的刮刷區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。如果刮水片運(yùn)行區(qū)域超出規(guī)定的區(qū)域，極易出現(xiàn)刮水片打邊框，從而嚴(yán)重縮短刮水片膠條的使用壽命。

1.2 主要組成與結(jié)構(gòu)

汽車后刮水器主要由刮水電動機(jī)子系統(tǒng)、減速傳動子系統(tǒng) （內(nèi)置在電動機(jī)中）和刮刷子系統(tǒng)組成。刮水電動機(jī)子系統(tǒng)、減速傳動子系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。刮水電動機(jī)通過電動機(jī)內(nèi)的減速傳動機(jī)構(gòu)將電動機(jī)的動力輸出到刮水器的輸出軸上，同時將電動機(jī)轉(zhuǎn)子的單向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動形式轉(zhuǎn)換為輸出軸的往復(fù)轉(zhuǎn)動，其減速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中電動機(jī)轉(zhuǎn)子的蝸桿部分與減速蝸輪嚙合，實現(xiàn)減速功能；扇形齒輪與小齒輪嚙合實現(xiàn)刮水器輸出軸的往復(fù)運(yùn)動，即實現(xiàn)刮水器的刮水片的往復(fù)刮刷功能。

2 后刮水器打邊框故障原因分析

通過對故障件的初步分析，產(chǎn)生刮水片打邊框的直接原因是刮水電動機(jī)的輸出軸的往復(fù)運(yùn)行角度（直接影響刮水片的刮刷角度）超出設(shè)計規(guī)范。而導(dǎo)致刮水電動機(jī)輸出軸的往復(fù)運(yùn)行角度超差的原因主要有內(nèi)因和外因2個方面。

1）內(nèi)因方面 ①傳動子系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件尺寸，如圖2中的減速蝸輪、蝸桿、尺寸R、扇形齒輪和小齒輪的相關(guān)尺寸超差；②電動機(jī)轉(zhuǎn)子的蝸桿和減速蝸輪的嚙合間隙過大；③扇形齒輪和小齒輪的嚙合間隙過大；④傳動板尺寸R及其公差過大。

2）外因方面 刮水器的運(yùn)行工況 （如汽車擋風(fēng)玻璃的干濕程度）。

為了從各相關(guān)原因中找出刮水片打邊框的主要因素，我們從內(nèi)、外因兩方面對故障件的相關(guān)因素進(jìn)行分析。

3 具體故障件的檢測與分析

3.1 關(guān)鍵零部件尺寸

對影響刮刷角度的關(guān)鍵零部件 （如減速蝸輪、轉(zhuǎn)子蝸桿、扇形齒輪、小齒輪、傳動板）的主要尺寸進(jìn)行了檢測，其結(jié)果如表1所示。由表1可見，關(guān)鍵零部件的尺寸均在公差范圍內(nèi)，符合圖紙設(shè)計要求，即關(guān)鍵零部件的相關(guān)尺寸不是導(dǎo)致刮水器的刮水片打邊框的根本原因。

上文通過對大數(shù)據(jù)和工程造價這兩個基本概念的介紹，使得我們對它們有了一個清晰的認(rèn)識，接下來就需要對大數(shù)據(jù)對工程造價的意義進(jìn)行詳細(xì)的分析，主要表現(xiàn)在以下四個方面：

表1 關(guān)鍵零部件相關(guān)尺寸實測值

3.2 蝸桿與減速蝸輪嚙合間隙

蝸桿與其嚙合的減速蝸輪的設(shè)計參數(shù):分度圓節(jié)距2.827 mm；減速蝸輪齒厚1.411±0.015 mm；蝸桿齒厚1.272±0.07 mm；最大嚙合間隙=分度圓節(jié)距-最小減速蝸輪齒厚-最小蝸桿齒厚=2.827-（1.411-0.015） - （1.272-0.07） =0.229mm。

當(dāng)刮水器的刮水片運(yùn)行至兩端極限位置，即刮水片的換向位置，如果蝸桿與減速蝸輪的嚙合間隙過大，則其系統(tǒng)慣量 （指刮水電動機(jī)、刮水片和刮臂組成的后刮水器總成的慣量）會引起刮水電動機(jī)輸出軸的刮刷角度增大。

通過對故障件的仿真計算顯示:最大間隙0.229 mm導(dǎo)致齒輪可以發(fā)生的角度變化為0.19°，最大間隙導(dǎo)致刮刷角度變化量為0.19°×1.5754≈0.3°，其中1.5754為角度放大倍數(shù)。

由于蝸桿和減速蝸輪的嚙合間隙的變化量導(dǎo)致刮刷角度最大增量為0.3°，由此可見，蝸桿和減速蝸輪的嚙合間隙對刮水電動機(jī)輸出軸的刮刷角度的增加影響不大。

3.3 扇形齒輪和小齒輪的嚙合間隙

扇形齒輪和與其嚙合的小齒輪的設(shè)計參數(shù):分度圓節(jié)距5.498 mm；齒輪齒厚2.749±0.05 mm；小齒輪齒厚2.594±0.05 mm；最大間隙=分度圓節(jié)距-最小齒輪齒厚-最小小齒輪齒厚=5.498-（2.749-0.05）-（2.594-0.05）=0.255mm。

當(dāng)刮水器的刮水片運(yùn)行至兩端極限位置，即刮水片的換向位置，如果扇形齒輪和小齒輪的嚙合間隙過大，則其系統(tǒng)慣量會引起刮水電動機(jī)輸出軸的刮刷角度增大。

通過對故障件的仿真計算顯示:最大間隙0.255 mm導(dǎo)致齒輪可以發(fā)生的角度變化為0.796°，最大間隙導(dǎo)致刮刷角度變化量為0.796°×1.5754=1.254°，其中1.5754為角度放大倍數(shù)。

由于扇形齒輪和小齒輪的嚙合間隙的變化量導(dǎo)致刮刷角度最大增量為1.254°，由此可見，扇形齒輪和小齒輪間隙對刮水電動機(jī)輸出軸的刮刷角度的增加有較大影響。

3.4 傳動板的轉(zhuǎn)軸中心與減速蝸輪的轉(zhuǎn)軸中心的距離R

表2是實測的4個故障件刮水器刮刷片的刮刷角度與其R值的結(jié)果。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，刮水器刮刷片的刮刷角度隨著R值的增大而增大。因此，R值的大小與刮水器刮刷片的刮刷角度直接相關(guān)。

表2 故障件不同R下的刮刷角度

3.5 刮水器的工況

通過試驗分析，刮水器在不同工況下的刮刷角度也存在一定的差異，如表3所示。

由表3可見，同一個刮水器在無負(fù)載條件下，其刮刷角度最小 （只有171°）；而刮水器在最大負(fù)載條件 （在擋風(fēng)玻璃上加上滑石粉，以減小刮水片的膠條與玻璃之間摩擦系數(shù)）下運(yùn)行時，刮水片的刮刷角度最大 （達(dá)到了180°）。在最大負(fù)載和最小負(fù)載條件下，同一個刮水器的刮刷角度的差異是很明顯的。而刮水器在干、濕玻璃上運(yùn)行，其刮刷角度介于最大和最小負(fù)載之間。這是因為刮水電動機(jī)在沒有負(fù)載情況下，其系統(tǒng)慣量最小，以此類推。由此可見，刮水系統(tǒng)慣量對刮刷角度有很大影響，系統(tǒng)慣量越大，刮刷角度增加越多。

因此，我們得出:刮水器與汽車擋風(fēng)玻璃之間的摩擦力越小，其刮刷角度越大。

表3 刮水器在不同工況下的刮刷角度

4 改進(jìn)及效果

通過以上分析，可以得出結(jié)論:影響后刮水器刮打擋風(fēng)玻璃邊框的關(guān)鍵內(nèi)在因素是扇形齒輪和小齒輪間隙和傳動板的轉(zhuǎn)軸中心與減速蝸輪的轉(zhuǎn)軸中心的距離R；外因是刮水器的實際工況。

針對本案例，綜合各方面情況，我們在不改變其它相關(guān)零部件的情況下，僅利用減小傳動板尺寸R來驗證降低刮水器的刮刷角度，避免其打玻璃邊框。主要措施是將R的設(shè)計值由原來的14.77 mm減小至14.40mm，同時將其公差由原來的±0.13 mm減小至±0.05 mm。通過對改進(jìn)產(chǎn)品的刮刷角度的測試和實際裝車試驗，其負(fù)載時刮刷角度從175.5°減小至172.2°，同時未發(fā)生刮水片打邊框現(xiàn)象。表4是減小后的不同R測試的刮刷角度測試值。測試和試驗結(jié)果表明:該設(shè)計更改有效合理，滿足顧客要求。

表4 更改后不同尺寸R下的刮刷角度

5 結(jié)論

通過對GL-8刮水器打擋風(fēng)玻璃邊框的故障件分析，刮水器打邊框的關(guān)鍵因素是減速機(jī)構(gòu)的傳動板尺寸R的差異?；诜治觯槍蠊嗡鞴嗡⒔嵌鹊脑O(shè)計提出以下建議。

1）后刮水器刮刷角度和負(fù)載工況有直接聯(lián)系，在進(jìn)行設(shè)計時，需要考慮刮水系統(tǒng)的慣量、干玻璃工況或濕玻璃工況對刮刷角度的影響；在進(jìn)行電動機(jī)設(shè)計時，需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定無負(fù)載刮刷角度。一般來講，無負(fù)載刮刷角度比濕玻璃條件下刮刷角度小5°～9°是安全的。

2）磨損導(dǎo)致間隙增大，會導(dǎo)致刮刷角度增加，從而導(dǎo)致打邊框故障。故在設(shè)計時，需要減小刮刷角度名義值。

3）對于最直接影響刮刷角度的關(guān)鍵尺寸R的公差帶，不宜定義太大，否則對刮刷角度的控制不利。

［1］許實章.電機(jī)學(xué) （第3版）［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］陳景華.民用微電機(jī)原理與設(shè)計［M］.上海:微特電機(jī)編輯部，1990.