汽车雨刮器设计报告.docx

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汽车雨刮器设计报告

摘要

汽车雨刮器是用来清扫汽车风窗玻璃上的雨雪和尘埃的装置，是汽车不可缺少的重要部件。

很多汽车制造企业将雨刮器列为汽车的安全部件,并将雨刮器的一些功能特性（如刮刷频率）列为安全特性,其目的是要求雨刮器在工作时既能及时刮清汽车风窗玻璃上雨雪杂物,又不能影响驾驶员的视线；除此以外,汽车雨刮器在停止状态还有一个关键功能要求自动复位功能,即雨刮器在停止工作时，雨刮器的刮刷子系统（由刮杆和刮片组成）自动停止在汽车风窗玻璃下沿的规定区域，其目的也是为了不阻挡驾驶员的视线。

关键词：

雨刮器；功能；自动复位；安全性

一．汽车雨刮器设计的价值及意义

最早的雨刮器是由一个摇臂与夹有橡皮刮片的臂组成，由司机手工操作。

后来为了看位的需要，在左右两侧都装上了刮水臂，用连杆连接，成为手动双刮水片，也就是今天汽车雨刮器的原始型。

后来的雨刮器用气压差来代替人力，称为真空雨刮器。

用一根管子接到发动机，利用发动机的真空度来驱动雨刮器里面的活塞，推动摇臂转动，雨刮器就可以动作了。

40年代初期，汽车上陆续安装了电动雨刮器取代真空雨刮器。

不过，直到80年代初，我国一些客车和货车仍然使用真空雨刮器。

现在，汽车已经全部使用电动雨刮器了。

雨刮器看似简单，实际上构造并不简单，雨刮器总成含有电动机、减速机、四连杆机构、刮水臂心轴、刮水片总成等。

当司机按下雨刮器的开关时，电动机启动，电动机的转速经过蜗轮蜗杆的增扭作用驱动摇臂，摇臂带动四连杆机构，四连杆机构带动安装在前围板上的转轴左右摆动，最后由转轴带动雨刮片刮扫挡风玻璃。

雨刮器是汽车本身系统的重要组成部分之一，关系到汽车雨天行车安全性。

据统计，全世界雨天行车7%的交通事故是由驾驶员手动操作雨刮器引起的。

当司机关闭雨刮器时，雨刮臂往往不停在适当的位置，阻碍司机的视线。

为解决这一问题，雨刮器设有一个回位开关，它控制雨刮器电机，当雨刮臂停在挡风玻璃下的适当位置时，电机才会停止运转。

现今的雨刮器已经普遍采用快档、慢档、间歇控制档。

其中间歇控制档一般是利用电机的回位开关触点与电阻电容的充放电功能使雨刮器按照一定周期刮扫，即每动作一次停止2-12秒时间，对司机的干扰更少。

有些车辆的雨刮器还装有电子调速器，该调速器附带感应功能，能根据雨量的大小自动调节雨臂的摆动速度。

雨大刮水臂转得快，雨小刮水臂转得慢，雨停刮水臂也停。

雨刮臂是重要的安全件。

它必须能有效的清楚雨水、雪和污垢；能在高温（摄氏零上80度）和低温（摄氏零下30度）下工作；能抗酸、碱、盐等有害物质腐蚀。

使用寿命达到15万次挂刷循环。

二．汽车雨刮器机构的原理

2.1雨刮器的运作原理

雨刮器的动力源来自电动机，它是整个雨刮器系统的核心。

雨刮器电动机的质量要求是相当高的。

它采用直流永磁电动机，安装在前挡风玻璃上的雨刮器电动机一般与蜗轮蜗杆机械部分做成一体。

蜗轮蜗杆机构的作用是减速增扭，其输出轴带动四连杆机构，通过四连杆机构把连续的旋转运动改变为左右摆动的运动。

雨刮器电机采用3刷结构以方便调速。

间歇时间由间歇继电器控制，利用电机的回位开关触点与继电器电阻电容的冲放电功能使雨刮器按照一定周期刮扫。

雨刮器的刮片胶条是直接清除玻璃上雨水和污垢的工具。

刮片胶条通过弹簧条压向玻璃表面，它的唇口必须与玻璃角度配合一致，方能达到所要求的性能。

一般情况下在汽车组合开关手柄上有雨刮器控制旋钮，设有低速、高速、间歇三个档位。

手柄顶端是洗涤器按键开关，按下开关有洗涤水喷出，配合雨刮器洗涤挡风玻璃。

洗涤器系统是目前汽车上很普遍的装置，它由储水箱、水泵、输水管、喷水嘴组成。

其中储水箱一般是1.5升-2升的塑料罐，水泵是一种微型电动离心泵，通过它将储水箱的洗涤水输向喷水嘴，经2-4个喷水嘴的挤压作用将洗涤水分成细小的射流喷向挡风玻璃，配合雨刮器起到清洁挡风玻璃的作用。

除了前挡风玻璃雨刮器外，许多乘用车还装置了后玻璃窗雨刮器，驾车者雨天能看到后面的东西。

有些高级乘用车上的前照灯也安装有类似雨刮器的清洁装置。

后玻璃窗雨刮器和前照灯清洁装置没有专门的四连杆机构，只在电动机上附加一个紧凑的转换机构，（例如齿条齿轮或四连杆机构），将旋转变为摆动。

据欧美法规定，当前照灯脏污到照明度降到20%时，前照灯清洗装置应当在8秒内洗涤干净污垢，使照明度恢复到80%。

前照灯洗涤用的水由挡风玻璃雨刮器储水箱提供，其喷水嘴的位置要设置合理才能使车辆在任何速度下都能使洗涤水喷到灯面上。

目前国内应用比较普遍的雨刮器形式总共有四种，分别为同向刮刷、对刮、单臂可控刮刷和普通单臂刮刷。

前2种根据电机数目不同，可分为单电机驱动和双电机驱动。

其中具备私服功能的双电机的对刮模式是目前比较先进的刮刷方式。

传统雨刮器有如下特点：

1）雨刮采用对刮和同向刮刷方式布置，这使得刮刷面积增大了10%，刮刷时盲区进一步减少。

2）雨刮片更符合空气动力学特性。

在关闭雨刮器的状态下，雨刮将完全收进雨刮槽内，这样就减少了空气阻力。

3）雨刮片的空气动力学部件在车辆高速状态下的下压力更强，避免了下压力不强造成的刮刷不干净现象。

4）雨刮器采用双电机设计左右雨刮间不存在机械连接，减少了噪声，同时也节省了布置空间。

5）伺服系统能在雨刮片接近上刮刷位置时自动降低刮刷速度进而达到上刮刷位置，此时电机反转则雨刮向相反方向刮刷，这样大大降低了刷片突然反转造成的噪声。

6）对于普通单臂刮刷式雨刮器而言，结构最简单，成本最低，但刮刷面积不够大是其最大缺点。

7）对于单臂可控刮刷式雨刮器而言，刮刷面积最大是其最大优点，但其结构和控制方式较复杂，使用频率较低。

2.2工作原理图

2.2.1雨刮器的工作原理图如下所示

2.2.2各档控制原理图下面作简单介绍：

1）低速档控制

把组合开关的刮水手柄打到“I”档，电流从蓄电池正极—熔断器—共用电刷—电枢绕组—低速电刷—开关触点—搭铁。

2）高速档控制

把组合开关的刮水手柄打到“II”档，电流从蓄电池正极—熔断器—共用电刷—电枢绕组—高速电刷—开关触点—搭铁。

3）自动复位控制

电流从蓄电池正极—熔断器—共用电刷—电枢绕组—低速电刷—开关触点—触点臂5—铜环9—搭铁。

4）间歇运动控制

当组合开关的刮水手柄打到间歇档时，间歇刮水控制器开始工作，定时接通低速刮水继电器，刮水器以间歇形式刮水，工作电路与低速电路相同。

间歇时间由间歇继电器控制，利用电机的回位开关触点与继电器电阻电容的充放电功能使雨刮器按一定周期刮扫。

2.3性能与技术要求

2.3.1性能要求

序号

项目

技术标准要求

1

刮刷面积

至少覆盖A区域的98%，B区域的80%

2

刮水频率

高频≥45次/min，低频≥20次/min且≤45次/min，高低频之差≥15次/min。

3

刮片复位

刮水器关闭，刮片自动返回至初始位置。

4

压紧力

曲刮≥0.12N/cm，平刮≥0.09N/cm。

5

刮刷效果

初期：

整个刮刷范围内充分干净，不出现任何挂刷痕迹；

：

整个刮刷范围内充分干净，不出现任何挂刷痕迹；

：

允许局部出现模糊状刮痕。

6

刮片耐久性

次

2.3.2各国技术要求

国标GB15085

EEC78-318

美国国家标准

刮水器刮刷频率

高频≥45次/min，

低频≥20次/min且≤45次/min。

高低频之差≥15次/min。

高频≥45次/min，

低频≥10次/min且≤55次/min。

高低频之差≥15次/min.。

高频≥45次/min，

低频≥20次/min

高低频之差≥15次/min

刮水器的固定

此项空白

刮片的固定结构和固定方法应当保证能够从风挡玻璃外表面拆下刮片以便于手动清洗。

此项空白

此外，刮水器还应经过以下试验：

1.高低温试验：

即刮水器在-40℃—80℃温度条件下应能正常工作，金属件的油漆层和塑料喷涂层应无皱缩和起层现象。

2.耐久性试验：

刮水器经

此刮刷循环后，应扔符合相关规定。

刮水器（除胶条外）经

次刮刷循环后，应仍具有工作能力，刮杆对刮片压紧力的变化率应在15%以内，各零部件不得有明显松动或其他异常现象出现；胶条耐久性不应低于

次。

3.其他还应经过高低温交变试验、电机连杆耐久性试验及洗涤器耐久性检测。

三．

设计方案确定

系统总方案：

电动机——传动系统——执行机构

初选三种方案，如下：

方案一：

电动机带动皮带轮转动，皮带轮电动铰链四杆机构完成转动到摆动运动形式的改变。

方案二：

电动机带动齿轮机构，齿轮的减速增拒后，有曲柄摇杆机构把转动运动转变成摆动运动。

方案三：

电动机带动涡轮蜗杆完成转动，涡轮蜗杆的转动带动曲柄摇杆机构摆动，完成运动。

由于电机的转速较大，如果用第一种和第二种方案则造成齿轮机构庞大，不符合汽车设备轻便的要求；如果用混合轮系则造成机构复杂，安装维修，麻烦，并且设备昂贵。

综合比较采用第三种方案。

对于第三种方案，可以有0极位角，和有极位角度两种设计，对实际情况，为了使安装简便，使用有小角度的极位角设置，本课题方案采用小角度极位角设置。

四．分析设计及计算

2.1电机的参数

由电机的转速选择涡轮蜗杆可以计算出涡轮蜗杆的比为i=w1/w2=1000/30=33.3,以此作为涡轮蜗杆选用参数。

2.2连杆机构分析

连杆的结构图如下：

4.2.1机构的合理性

表1设计数据

内容

曲柄摇杆机构设计及运动分析

曲柄摇杆机构动态静力分析

符号

a

c

单位

数据

30

1.08

120

39.995

107.67

40

15

0.01

500

系统的要求为摇杆摆动角度为120°，设摇杆的长度为40mm，如上图右边建立基准。

设连架杆的长度为b，主动杆的长度为a，从动杆的长度为c，机架的长度为d。

设d=107.67，

四杆机构必须符合的条件为：

a＜b

a＜c

a＜d

a+b

a+c

a+d

所以设置的机构可以按设定的轨迹做运动。

4.2.2分析机构的急回特性

当机构运动到右极限位置时，主动杆与机架的夹角：

A=arctan（c*sin30/（d+c*cos30））=8°

当机构运动到左极限位置是，主动杆与机架的夹角：

B=arctan（c*sin30/d-c*cos30））=15.31°

所以机构的极位夹角为：

C=A-B=7.31°

机构的数度变化系数为：

K=（180+C）/（180-C）=1.08

急回运动不是很明显。

4.2.3静态分析机构的受力特点

机构的摇杆与连架杆的铰链的受力如下（在右极限位置）

杆受到的摩擦力矩为

，其中e为雨刷杆的长度，f为刷雨时受到的摩擦力，f始终与雨刷垂直并且大小不变，给定的参数为f=15N，一般的雨刷长度为300mm，可以简化为在中点受力。

则

连架杆为二力杆，其受力为与连架杆重回位置，设为

，由平衡方程可得

摇杆与机架相连的铰链受力为

，

得

在材料所能承受的范围内，符合设计要求。

在左极限位置时主动杆与连架杆相重合，如下图所示：

则主动杆的两个铰链受到的力都是为40.42N，即

电动机的工作最大质量为1.6kg即16N，但是通过涡轮蜗杆的减速增矩可以有足够的力带动起来,40.42N的力普通的材料就可以承受，所以设计合理。

五．雨刮器的使用方法

雨天，当雨点洒落在车窗玻璃上时，车前方的视线很快就受到阻碍，车辆、行人和景物都变得模糊不清。

此时，开启雨刮器，车前方就会一片清晰。

　　如果雨天驾驶车辆，不使用雨刮器或雨刮器发生故障而不能正常工作的话，对行车安全十分不利。

首先，大雨之前，应检查汽车雨刮器是否能正常工作。

其次，暴雨天，急速而且大颗的雨点打在风窗玻璃上，即使雨刮器运动再快，也难刮净雨点，致使驾驶员的视线受到影响，为了确保行车安全，应立即停驶。

1.雨刮器能发挥良好作用的关键是：

橡胶的雨刮条能保持充足的湿润度。

只有充足的湿润度，它才能有非常好的韧性，以保持和车窗玻璃接触的紧密性。

很简单的道理，一颗米干在碗上了，如果不把它泡软，别说洗碗了，就是用硬器去刮，都刮不下来。

雨刮器的使用，也是这样。

很多车友常抱怨雨刮器刮不干净，就是这个道理。

2.雨刮器，顾名思义，是用来刮雨用的，不是用来刮“泥”用的。

所以正确地使用雨刮器，不仅仅是能够延长雨刮器的使用寿命，关键是能有效地保持良好的视线，更有利于行车安全。

想明白了这两个基本点，就大体知道了雨刮器的正确使用方法。

3.所以没有车库的车友，应该养成每天早晨出车前，用湿布擦一遍前窗的习惯。

一夜下来，雨刮器是干的，想在出车时，用雨刮器把一夜积在前窗上的灰刮干净，这样的干磨，不仅很难达到良好的效果，还容易损坏雨刮器。

正确的方法是：

湿布擦完后，再喷水刮一次。

因为良好的洗玻璃水是带有挥发性的，能很快让窗面达到干燥，从而避免潮湿的玻璃吸灰起泥。

4.有车库的车友，应该养成每晚回车库收车时，清理干净前窗的习惯。

尤其是从雨中回来，积在前窗上的水滴，第二于早晨干成水渍后，再参合其中吸附的灰尘，前窗是很难单靠雨刮刮干净的。

如果头天晚上，乘着湿润的雨刮器，把前窗刮干净。

第二天早晨，就能很轻松、很干净的开车上路了。

5.开车途中，掉小雨点时，不要急着开雨刮器。

这时前窗上的水份不足，雨刮器干刮，只会产生适得其反的效果。

前窗上刮花的泥渍，还很难再刮干净。

如果雨点积得很慢，不影响视线，最好是等前窗上雨点积的更多再开启雨刮器。

小雨中开始使用雨刮器，最好是喷次洗玻璃水后再开始刮（喷洗玻璃水不仅仅是停车时能用，开车途中也是能用的）。

以保证前窗上有足够的水份来温润雨刮器。

6.雨刮器最好使用第二档，连续的来回刮。

有些车友喜欢小雨时使用间歇的模式来刮，这样不太好。

开车上路，不仅仅是要防天上的雨，还更好防前车溅起的泥水。

碰上这种情况，间歇模式很容易把前窗刮成泥渍的花纹，严重影响视线。

7.路上雨停了，不要急于关闭雨刮器。

道理和上面是一样的，等前窗溅满了前车带起的泥点子，再匆忙地开雨刮器，这时就变成刮泥了。

六．本次设计心得总结

6.1设计总结

在学完在校的众多课程的同时，作为一名合格的机电学生，需要将所学的应用到实际设计机构中去，提高我们综合运用理论分析的能力，并结合生产实际来分析和解决工程问题。

根据已知机械的工作要求，通过制定设计方案、合理选择机构的类型、正确地对机构的运动和受力进行分析和计算，让我们对机构设计有一个较完整的概念。

同时也训练我们收集和运用设计资料以及计算、制图和数据处理及误差分析的能力，并在此基础上利用计算机基础理论知识，初步掌握编制计算机程序并在计算机上计算来解决机构设计问题的基本技能。

完成了整个课程设计，收获颇多，尤其是在软件应用上面，同时对机械原理的知识有了更进一步的认识。

纵观本次设计过程，短短的几月让我受益匪浅：

首先要对问题认真重视，然后就是数学思想的完美性的思考，将机构放之现实生活中我要考虑的问题，安全、稳定、美观、便捷、经济。

这是最复杂和困难的，也是想的最多的地方，也是能够突出成绩的地方。

我在这方面想了很多，虽然有很多都没有在设计中体现出来，但总体上已满足要求。

此外我也参考了一些网上的资料，大多数都比我的方案要复杂，完善。

这也是我此次设计的不足之处，可是我确是在这些简单的零件组合与机构运动分析，对比，修改，调整中慢慢地喜欢上了许多原本被认为枯燥的课程。

6.2设计展望

生活中我们发现，雨下得很大时使用雨刷感觉不错，可是当下小雨启动雨刷时，就会发现雨刷会在玻璃面上留下擦拭不均的痕迹；还有的时候会卡在玻璃上造成视线不良。

这种情况表明雨刷已硬化。

若排除此故障，应先了解一下雨刷的工作原理。

原来，雨刷是借马达的转动作用，靠连接棒转变成一来一往的运动，并将此作用力传达至雨刷臂及雨刷本身。

当雨刷的橡胶部分硬化时，雨刷便无法与玻璃面紧密贴合，或者雨刷一有了伤痕便会造成擦拭上的不均匀，形成残留污垢。

雨刷或雨刷橡胶片的更换很简单，但在更换时应注意，车型及年份不同，雨刷的安装方法及长度不同。

有的雨刷只需要更换橡胶片即可。

　　1.雨刷臂如果是可立式的就立起来，如果是不可立的屏蔽式，先将玻璃面弄湿，当雨刷在较易更换的位置时将马达开关定在OFF。

　　2.雨刷的安装方法有U钩型、螺丝锁定型。

钩型者只要将钩子拉起来雨刷即可拔下。

　　3.取下来的雨刷最好与新装的雨刷的长度比一比，看看是否相同，再观察一下安装方法是否相同。

　　4.将雨刷尽量按原来的方式插入，使其固定。

　　5.将挡风玻璃弄湿，观察雨刷的动作是否正常。

七．

参考文献

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