浅析汽车雨刮系统的控制原理

2018-06-25徐旭东初洪超董宏兴

汽车实用技术 2018年11期

关键词：雨刮器电刷蜗轮

徐旭东，初洪超，董宏兴

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601）

前言

汽车雨刮系统是保证车辆在雨雪天气能够为驾驶员提供清晰视野的关键。一般汽车雨刮有真空式、气动式和电动式三种类型，其中应用最为广泛的为电动雨刮系统。

汽车雨刮系统的控制一般分为点动、停止、间歇控制、低速、高速和喷水清洗六个基本功能，其中间歇调速是雨刮系统控制的核心功能。本文基于电动雨刮器对上述六个基本功能的控制原理进行浅析。

1 雨刮器基本结构

图1 电动雨刮实物图

图1所示为某款车型的电动雨刮实物图，主要由三部分构成，包括雨刮电机、蜗轮蜗杆机构和连杆。雨刮电动机为直流永磁式三刷电动机，供电电压为整车低压电（12V或者24V）。蜗轮蜗杆为减速传动机构，蜗轮上安装有偏心连杆。

2 雨刮系统控制原理

2.1 机械控制原理

图2所示为电动雨刮器的物理结构图，其机械控制原理为：当电机通电后以一定的转速进行转动，通过蜗杆将电机转矩传递给蜗轮，蜗轮通过拉杆拉动三个摆杆进行有规律的摆动，从而控制雨刮器扫除挡风玻璃上的雨雪及灰尘，为驾驶员提供清晰的视野。

图2 电动式雨刮器物理结构

2.2 电气控制原理

如图3所示为某种车型的电动雨刮控制电路图。主要包括电源输入、间歇控制电路、洗涤电机、多功能控制开关和雨刮电机五个模块组成，共同实现雨刮系统的点动、停止、间歇控制、低速、高速和喷水清洗六个基本功能。

图3 汽车雨刮控制电路简图

（1）低速档调速

由于雨刮电机为三刷电机，其中正极电刷B1为低速控制端，只需通过多功能控制开关控制整车12V电源接入此电刷，并且负极电刷B接地时，即可控制雨刮电机以低速运转。当图3中的多功能调节开关选择低速档时，其简化控制电路如图4所示。

（2）高速档调速

雨刮电机的正极电刷B2端为高速控制端，当通过多功能控制开关控制12V电源输入该电刷，并且负极电刷B接地时，电机则以高速进行运转。当图3中的多功能调节开关选择高速档时，其简化控制电路如图5所示。

图5 高速控制电路

（3）点动

雨刮点动控制与低速档控制相似，也以控制正极电刷B1端的12V电源输入为控制目标。主要区别在物理开关的接触方式上，低速档控制开关可以保持吸合状态，而点动开关在外力消失后会自动回位，即开关断开，雨刮电机通过自复位结构继续运动，直至雨刮停在挡风玻璃下方。当图3中的多功能调节开关选择点动档时，其简化控制电路如图6所示。

图6 点动控制电路

（4）关闭并自动复位

由于雨刮电机的转动与停止取决于其电源输入电刷 B1和B2，即通电转动，断电停止，故存在断电后刮水器停在挡风玻璃上而影响驾驶员视线的风险。针对此状况，需要雨刮器在切断12V电源输入后能够自动回位，即雨刮器的刮臂能够停在挡风玻璃的最下方。

当图3中的多功能调节开关选择停止档时，雨刮停止自动复位控制原理图如图7所示。图中所示8为蜗轮减速机构，其内部安装有铜环9和铜环7，铜环9与雨刮电机的金属外壳相连并接地。触点臂3和触点臂5为弹性铜片，其顶端有触点4和触点6，与铜环7和铜环9接触。图中11为电机永久磁铁，10为电机的电枢。

自动复位的工作原理为：当雨刮多功能开关置于OFF档时，此时雨刮电机的低速电刷接入电路，当雨刮器的刮臂没有停到规定的位置时，由于触点6与铜环9接触，如图9中b）所示，则电流继续流入电枢。此时电流从电源正极→开关1→保险丝2→多功能开关OFF档→雨刮电机正极低速电刷B1→电枢绕组→雨刮电机负极电刷B→触点臂5→触点6→铜环9→搭铁→电源负极，形成封闭回路，雨刮电机以低速转动，当蜗轮转动到如图9中a）所示的位置时，触点4和触点6均搭接在铜环7上，由于惯性原因，雨刮电机的电枢不能立刻停止转动，反而以发电机的形式继续保持转动，使电枢绕组产生反向电动势，方向刚好与电源电压相反，此时电路中电流的方向为：雨刮电机的正极低速电刷B1→多功能开关的OFF档→触点臂3→触点4→铜环7→触点6→触点臂5→雨刮电机的负极电刷 B→雨刮电机电枢，形成回路，产生制动转矩，使雨刮电机迅速停止转动，从而使刮臂停止在挡风玻璃的最下方。

图7 雨刮电动机自动复位装置

（5）间歇控制

当车辆行驶在小雨以及雾雪天环境中，雨刮器摆动后挡风玻璃上的水雾或者灰尘容易使玻璃表面发粘而模糊不清，影响驾驶员的视野。针对此状况，需要在多功能雨刮开关上增加间歇控制档位，选择该档位可以使间歇控制电路接入雨刮控制系统中，确保雨刮器刮拭一次后停留一段时间，以使挡风玻璃上的水膜可以风干，从而为驾驶员提供一个清晰的视野。

刮水系统的间歇控制功能主要靠间歇控制器来实现。当图3中的多功能开关选择间歇控制档位时，间歇控制电路介入工作，其简化控制电路如下图8所示，其中S3、S4同图7中的触点4和触点6。

图8 间歇控制电路

间歇控制电路的控制原理主要是控制电容C1的不断充、放电来控制雨刮电机按一定周期间隔进行运转，从而实现雨刮器的间歇控制。其详细控制逻辑如下：

①12V电源经过保险丝后到达节点1，将电源分为两路，一路连接到雨刮电机蜗轮蜗杆机构的触点开关S3上，一路经电阻R9和电阻R2到达电容C1，使C1进行充电，其充电电路为：12V电源输入→电源开关→保险丝→节点1→电阻R9→电阻R2→电容C1→二极管VD2→三极管VT→搭铁→12V电源负极。

②当电容C1充电时电路中会形成一定的充电电流，从而为三极管提供偏流，使三极管VT的集电极和发射极导通，由于发射极接地，故使继电器 1通电接通，开关 S1闭合，S1闭合后接入电路为：12V电源输入→电源开关→保险丝→开关S1→节点2→雨刮电机正极输入电刷B1（低速）→搭铁→12V电源负极，从而控制雨刮电机以低速开始转动。

③当雨刮电机运转到自动回位的位置时，图7中的开关S3和S4搭接，从而使电容C1开始放电，其放电电路为：电容C1→二极管VD3→电阻R6→开关S4→开关S3→接地→二极管VD4→电阻R1→电容C1。当三极管的基极电压降低到某一值时，使三极管截止，从而使继电器1断电，开关S1断开，S2吸合，从而使电阻R5和电阻R6并联在电路中，这时电容C1加快放电。当电容C1放电一段时间后，由于三极管VT的基极电位逐渐升高，当电位达到某一值时，三极管重新导通，C1回复充电状态，使继电器1重新通电吸合S1。

（6）洗涤电机

当车辆挡风玻璃上有污物需要清除时，需要由洗涤水壶提供一定量的洗涤液，洗涤液一般由水和一定量的添加剂混合而成。洗涤液的提供由洗涤电机完成，其控制原理相对简单，只需通过调节多功能开关至洗涤档位，控制12V电源输入洗涤电机即可。其简化电路原理图如图9所示。