雨刮刮净度差及抖动异响机理的分析

韩硕　郭勇　孙晓江　苏婷慧

摘 要：作为车辆上重要的部件，雨刮系统对于车辆在雨雪天气下的安全行驶起着至关重要的作用，其在运行过程中刮净度问题会对行驶过程中驾乘人员的安全造成威胁，而抖动异响则十分影响驾驶的舒适性，这两個问题一直是困扰着雨刮设计师的难题。解决问题的难点在于：首先，由于刮刷过程中胶条的老化磨损等不可控原因，导致雨刮的刮净度问题十分复杂；另外，由于刮刷过程中刮片与风挡玻璃非线性的摩擦，使得分析雨刮的抖动与异响问题非常困难。本文从刮净度问题以及抖动异响两方面入手，全面总结了雨刮刮净度差以及抖动异响机理，对于雨刮设计工程师有一定指导意义。

关键词：雨刮系统 无骨雨刮片 胶条 刮刷质量 抖动异响

1 引言

汽车产业自19世纪发展至今，已然从简单的交通工具转变为移动出行的第二空间，其在国民经济中扮演着越来越重要的角色。雨刮系统是工作于车身外部并且在极端条件下仍需要保持稳定运动的零部件，清理前后挡风玻璃上的雨水、污渍等是其主要作用，从而使驾驶人员在恶劣条件下依然保持良好的视野，由此可见雨刮系统的重要性。从雨刮系统的结构来讲，一般其由以下三部分组成：车身电子模块、雨刮电机、雨刮臂，其中雨刮电机与雨刮臂的示意图如图1所示。当驾驶员操纵拨杆，拨杆发出指令给车身电子模块，而车身电子模块接受拨杆的指令后，发出相关的车身控制命令，接收到指令的雨刮电机驱动雨刮臂运动，从而清洁挡风玻璃。在此过程中，雨刮片是唯一与挡风玻璃直接接触的零件，其性能将直接影响整个过程的刮刷质量与抖动噪声。

一般来说，雨刮片主要有三种类型，分为有骨刮片、三段式刮片、无骨刮片。有骨刮片结构十分复杂，骨架是由若干金属支架组成，外形不美观，目前仅在少量低端品牌上使用；三段式刮片可以将压力分布保持的较为长久，静音效果较好，目前日系、美系的部分车型使用；无骨刮片压力分布尚可，刮净度好，外形简洁美观，目前市场占有率最高。由于无骨刮片最有代表性，因此本文主要讨论无骨刮片的刮净度与刮刷噪声的机理。无骨刮片的结构如图2所示，由胶条、簧片、扰流翼、连接块等组成，其中胶条、簧片直接影响雨刮刮刷的质量与噪音。下面从刮净度以及抖动异响两方面入手，全面总结雨刮刮净度差以及抖动异响机理。

2 刮净度差

雨刮的刮净度问题是人们使用雨刮过程中发生较多的故障现象，刮不干净会威胁驾乘人员的安全。导致刮净度差的原因主要有胶条基材磨损、胶条的涂层磨损、胶条倒伏严重以及刮片压力分布不均匀等。

2.1 胶条基材磨损

造成胶条基材磨损的原因主要有用户直接用雨刮去刮刷较大硬物、胶条耐磨性较差等。其中，用户使用不当是非设计因素，胶条耐磨性较差是设计因素。对于胶条耐磨性差可采用改善胶条配方、改善橡胶分散性、使不同极性的橡胶均匀混合、改善橡胶可塑性、流动性等措施来改善。批量采用的胶条主要有以下几种材料：天然橡胶（NR胶条）、氯丁橡胶（CR胶条）、丁腈橡胶（NBR胶条）、三元乙丙橡胶（EPDM胶条）、NR：CR（WRC4胶条），其中NR与EPDM胶条的耐磨损性较好。

2.2 胶条涂层磨损

涂层的主要作用在于提高胶条的耐磨性，从而降低胶条磨损维持较高刮净度；还可以保持胶条较低摩擦，从而使得刮擦噪声较小。造成胶条涂层磨损的原因主要有涂层主料的摩擦系数较高、涂层粘合剂的附着力低等，二者均为设计因素。涂层主料可以减小摩擦、提高强度，粘合剂可以将不同材料结合在一起，并形成具有整体的聚合力。对于该故障可以优化涂层主料亲水性与硬度以及伸长率、涂层粘合剂的延展性和硬度等措施来改善。

2.3 胶条倒伏严重

造成胶条倒伏严重的原因主要有胶条抗永久变形性能差、截面尺寸、刮臂压力过大、胶条停止位长时间单向倒伏等，前三者均为设计因素，第四个为过程管控因素。胶条抗老化性能与胶条材料息息相关。对于胶条材料来说，经过外界环境的风吹日晒后，胶条往往会向着长时间停止方向永久倒伏，胶条向着倒伏方向运动时称为倒铲，倒铲现象如图3所示。倒铲时由于与玻璃贴合不紧密会发生漏刮现象。而CR胶条的抗永久变形能力较好，NR胶条的抗永久变形能力较差，但是需要综合考虑的是成本以及胶条其他方面的性能。一般来说，对于截面尺寸来说，应通过优化刮片运行中胶条与玻璃的间隙来改善刮净度。过大刮臂压力也会导致胶条倒伏严重，胶条换向不顺利会产生倒铲，倒铲时会产生漏刮现象，针对此项改善措施可以为在不发生漏刮的前提下适当降低刮臂的压力系数。对于胶条停止位长时间单向倒伏，为避免该现象的发生，长库存车雨刮片应运行至服务位置，并抬起刮片[1]。

2.4 刮片压力分布不均匀

刮片压力分布不均匀同样地会导致漏刮现象，从而影响驾驶视线。刮片压力分布不均与簧片变形、刮片压力衰减有关。其中簧片变形是非设计因素，在雨刮片设计之初，簧片曲率是要与风挡曲率相配合，但是由于用户使用不当或受到外力作用变形会导致刮片与玻璃贴合程度差，从而导致漏刮。而刮片压力分布是设计因素，刮片压力分布一般与刮片结构有关，即有骨、无骨、三段式刮片，其中三段式刮片通过若干支点将刮臂压力分配簧片，压力分布更加均匀。

3 抖动异响

雨刮的抖动异响问题是汽车雨刮日常使用过程中发生最多的故障现象，十分影响驾驶的舒适性，往往是用户最容易抱怨的问题。由于刮刷过程中刮片与风挡玻璃非线性的摩擦，使得分析雨刮的抖动与异响问题非常困难。导致抖动异响的原因主要有胶条截面尺寸不合理、胶条倒伏严重、摩擦系数偏大或者不均、刮片压力分布不均、攻击角不合理等。

3.1 胶条截面尺寸不合理

如上文所述，胶条基材与涂层属于材料研发范畴，而截面形状属于功能开发范畴。胶条截面尺寸的合理性同样会影响胶条声学性能，较差的胶条截面往往会产生换向异响。不合理的截面尺寸会导致偏大的胶条倾角，容易在运动至换向位置时胶条产生异响[2]。因此在设计胶条界面时应注意以下参数：接触角度数以及变化范围、刮片压力系数范围。

3.2 胶条倒伏严重

胶条倒伏严重同样会造成刮刷过程中的抖动异响问题。由于胶条的倒伏，在刮刷时会产生倒铲现象，而倒铲会使刮刷过程非常不顺利，产生严重的抖动和噪声。改善胶条倒伏严重的方法已经在2.3小节中论述，不再赘述。

3.3 摩擦系数偏大或者不均

胶条运动过程中不可避免地与风挡玻璃摩擦，而摩擦系数偏大时，会产生抖动和异响。造成摩擦系数偏大的原因主要有胶条表面涂层脱落、涂层主料的摩擦系数较高等。改善此问题可提高涂层粘合剂的附着力以及选用摩擦系数较小的涂层主料等措施。造成摩擦系数不均的原因有风挡表面亲水性不均、胶条表面涂覆不均匀等，改善此问题可采用添加活性剂的玻璃水清洗风挡、以及在胶条生产过程中严格控制涂层均匀性等措施。

3.4 刮片压力分布不均

刮片压力分布不均同样会造成噪音问题，由于无骨雨刮的自身的特点，其压力分布均匀性是比较一般的，即中间点与两端点的压力大，其它位置压力较小。刮片压力大的位置胶条与玻璃的倾角大，刮片压力小的位置胶条与玻璃的倾角小，胶条就会展现出扭曲地状态，扭曲的胶条运动时会造成异响的问题。刮片压力分布一般与结构有关，即有骨、三段式、无骨刮片，其中三段式刮片通过若干支点将刮臂压力分配簧片，压力分布比无骨刮片均匀。

3.5 刮片攻击角不合理

刮片攻击角本质上由雨刮臂的攻击角、扭角、玻璃曲面决定。攻击角是指雨刮胶条中心线与玻璃法线之间的夹角，如图4所示与雨刮刮净度、噪聲等评价指标有非常重要的关系，是雨刮最重要的参数之一[3]，需要重点梳理。

当一个车型的雨刮系统设计完毕，雨刮攻击角随即确定。如果攻击角设计过大，会导致雨刮胶条倒伏严重，换向困难，产生倒铲，从而产生抖动和异响。如果攻击角过小，会导致胶条过于站立，也会导致抖动和异响。而且攻击角在雨刮运动过程中是由负到正和由正到负周期性变化的，其存在零点，应该使零点在刮刷过程的合理区间内发生。因此，雨刮设计师应当在设计时重视雨刮攻击角，使其在合理的区间内变化。

另外，在攻击角变化时的角梯度与线梯度也应当被注意。角梯度是指在整个刮刷过程中，刮片长度方向上每个点的攻击角在雨刮刮刷1度下的变化量。角梯度若过大，则刮刷方向攻击角变化快，会导致胶条翻边前打滑失稳，在刃口产生高频自激振动。线梯度是指在整个刮刷过程中，沿着刮片长度方向每100mm长度胶条的攻击角的变化量。线梯度若变化过大，则胶条方向各位置与玻璃之间的攻击角差别大，导致玻璃与不同位置的胶条间的摩擦力差异明显，致使胶条出现抖动。

4 结论

本文就导致雨刮刮净度差以及抖动异响的原因进行了分析，简要地分析了导致刮净度差的原因主要有胶条基材磨损、胶条的涂层磨损、胶条倒伏严重以及刮片压力分布不均匀等；导致抖动异响的原因主要有胶条截面尺寸不合理、胶条倒伏严重、摩擦系数偏大或者不均、刮片压力分布不均、攻击角不合理等，并针对其中的设计因素提出了改善或者解决措施，我们认为本文对于雨刮设计工程师开展雨刮设计以及故障分析有一定指导意义。

参考文献：

[1]邵帅，慕辉. 浅谈汽车雨刮片全过程管理[J]. 汽车实用技术，2019（24）：239-240，248. DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.082.

[2]杨雪，王岩松，郭辉，等. 雨刮反转过程摩擦特性分析[J]. 噪声与振动控制，2022，42（5）：21-28. DOI：10.3969/j.issn.1006-1355.2022.05.004.

[3]樊鸣晓. 攻击角对雨刮器摩擦噪声影响的试验分析[J]. 汽车工程师，2015（4）：51-54. DOI：10.3969/j.issn.1674-6546.2015.04.011.