改進別克GL-8汽車后刮水器刮刷角度設(shè)計

www.sail-shipping.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：俠名類別：汽車電器維修時間：2012-10-27

別克商務(wù)車GL-8后刮水器在實際使用中存在刮刷角度增大、超出設(shè)計值，導(dǎo)致刮水片和玻璃邊框撞擊的現(xiàn)象。在分析刮水器刮刷工況、零部件尺寸等影響刮刷角度的因素基礎(chǔ)上，找出影響刮刷角度變化的關(guān)鍵因素，并對后刮水器刮刷角度設(shè)計提出改進建議。

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行在汽車擋風玻璃的規(guī)定區(qū)域，如果后刮水器的刮水片的運行范圍超出規(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重縮短刮水片的使用壽命，增加刮水電動機的運行負載，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)一的強制性標準來規(guī)范汽車后刮水器的刮水片的運行范圍（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)計標準。

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

別克GL- 8后刮水器的原設(shè)計、制造公司是北美法雷奧（Valeo），由于GL- 8汽車的國產(chǎn)化，該汽車的后刮水器轉(zhuǎn)移到上海Valeo生產(chǎn)。其基本的技術(shù)數(shù)據(jù)如下。試驗電壓：13.5±0.3 V；試驗環(huán)境：溫度24±8℃，相對濕度40%±10%；刮水片的刮刷角度：濕玻璃條件下為175.5°，無負載角度為170.5°；刮水片的刮刷頻率：45±10 r/min；刮水片的刮刷半徑：512 mm；刮水片長度：400 mm。

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)運行。如果刮水片運行區(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子系統(tǒng)、減速傳動子系統(tǒng)（內(nèi)置在電動機中）和刮刷子系統(tǒng)組成。刮水電動機子系統(tǒng)、減速傳動子系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。刮水電動機通過電動機內(nèi)的減速傳動機構(gòu)將電動機的動力輸出到刮水器的輸出軸上，同時將電動機轉(zhuǎn)子的單向旋轉(zhuǎn)的運動形式轉(zhuǎn)換為輸出軸的往復(fù)轉(zhuǎn)動，其減速機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中電動機轉(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的輸出軸的往復(fù)運行角度（直接影響刮水片的刮刷角度）超出設(shè)計規(guī)范。而導(dǎo)致刮水電動機輸出軸的往復(fù)運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行工況（如汽車擋風玻璃的干濕程度）。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。

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）=0.229 mm。

當刮水器的刮水片運行至兩端極限位置，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、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）=0.255 mm。

當刮水器的刮水片運行至兩端極限位置，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)。

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載條件下，其刮刷角度最小（只有171°）；而刮水器在最大負載條件（在擋風玻璃上加上滑石粉，以減小刮水片的膠條與玻璃之間摩擦系數(shù)）下運行時，刮水片的刮刷角度最大（達到了180°）。在最大負載和最小負載條件下，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、濕玻璃上運行，其刮刷角度介于最大和最小負載之間。這是因為刮水電動機在沒有負載情況下，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：刮水器與汽車擋風玻璃之間的摩擦力越小，其刮刷角度越大。

4改進及效果

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14.40 mm，同時將其公差由原來的±0.13 mm減小至±0.05 mm。通過對改進產(chǎn)品的刮刷角度的測試和實際裝車試驗，其負載時刮刷角度從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。

5 結(jié)論

通過對GL- 8刮水器打擋風玻璃邊框的故障件分析，刮水器打邊框的關(guān)鍵因素是減速機構(gòu)的傳動板尺寸R的差異。基于分析，針對后刮水器刮刷角度的設(shè)計提出以下建議。

1）后刮水器刮刷角度和負載工況有直接聯(lián)系，在進行設(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；在進行電動機設(shè)計時，需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定無負載刮刷角度。一般來講，無負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。