改进别克GL-8汽车后刮水器刮刷角度设计
别克商务车GL-8后刮水器在实际使用中存在刮刷角度增大、超出设计值，导致刮水片和玻璃边框撞击的现象。在分析刮水器刮刷工况、零部件尺寸等影响刮刷角度的因素基础上，找出影响刮刷角度变化的关键因素，并对后刮水器刮刷角度设计提出改进建议。
汽车后刮水器一般广泛安装在两厢小汽车、商务车上，其作用是通过后刮水器清洁汽车后风窗玻璃，以便于驾驶员从后视镜中观察汽车后面的情况。这就要求后刮水器的刮水片正常地运行在汽车挡风玻璃的规定区域，如果后刮水器的刮水片的运行范围超出规定区域，极易导致后刮水器的刮水片出现打边框———即刮水片与汽车挡风玻璃下边缘或侧边缘的橡胶密封条撞击。这种故障模式不仅严重缩短刮水片的使用寿命，增加刮水电动机的运行负载，同时产生令汽车驾乘人员烦躁的噪声。
目前，国内外汽车公司还没有统一的强制性标准来规范汽车后刮水器的刮水片的运行范围（即刮刷面积，通过刮刷角度和刮刷半径来评价），各汽车公司根据各自的要求规定后刮水器的设计标准。
本文通过对GL- 8汽车后刮水器刮水片打边框的故障件的分析，找出了刮水片打边框的主要原因，同时针对该故障模式提出了改进建议。
1 别克GL-8后刮水器的简介
1.1 技术数据与要求
别克GL- 8后刮水器的原设计、制造公司是北美法雷奥（Valeo），由于GL- 8汽车的国产化，该汽车的后刮水器转移到上海Valeo生产。其基本的技术数据如下。试验电压：13.5±0.3 V；试验环境：温度24±8℃，相对湿度40%±10%；刮水片的刮刷角度：湿玻璃条件下为175.5°，无负载角度为170.5°；刮水片的刮刷频率：45±10 r/min；刮水片的刮刷半径：512 mm；刮水片长度：400 mm。
汽车刮水器基本的技术要求是：刮水片必须在规定的刮刷区域内运行。如果刮水片运行区域超出规定的区域，极易出现刮水片打边框，从而严重缩短刮水片胶条的使用寿命。
1.2 主要组成与结构
汽车后刮水器主要由刮水电动机子系统、减速传动子系统（内置在电动机中）和刮刷子系统组成。刮水电动机子系统、减速传动子系统的外形结构如图1所示。刮水电动机通过电动机内的减速传动机构将电动机的动力输出到刮水器的输出轴上，同时将电动机转子的单向旋转的运动形式转换为输出轴的往复转动，其减速机构的结构如图2所示。
图2中电动机转子的蜗杆部分与减速蜗轮啮合，实现减速功能；扇形齿轮与小齿轮啮合实现刮水器输出轴的往复运动，即实现刮水器的刮水片的往复刮刷功能。
2 后刮水器打边框故障原因分析
通过对故障件的初步分析，产生刮水片打边框的直接原因是刮水电动机的输出轴的往复运行角度（直接影响刮水片的刮刷角度）超出设计规范。而导致刮水电动机输出轴的往复运行角度超差的原因主要有内因和外因2个方面。
1）内因方面①传动子系统的关键零部件尺寸，如图2中的减速蜗轮、蜗杆、尺寸R、扇形齿轮和小齿轮的相关尺寸超差；②电动机转子的蜗杆和减速蜗轮的啮合间隙过大；③扇形齿轮和小齿轮的啮合间隙过大；④传动板尺寸R及其公差过大。
2）外因方面刮水器的运行工况（如汽车挡风玻璃的干湿程度）。为了从各相关原因中找出刮水片打边框的主要因素，我们从内、外因两方面对故障件的相关因素进行分析。
3具体故障件的检测与分析
3.1 关键零部件尺寸
对影响刮刷角度的关键零部件（如减速蜗轮、转子蜗杆、扇形齿轮、小齿轮、传动板）的主要尺寸进行了检测，其结果如表1所示。由表1可见，关键零部件的尺寸均在公差范围内，符合图纸设计要求，即关键零部件的相关尺寸不是导致刮水器的刮水片打边框的根本原因。
3.2 蜗杆与减速蜗轮啮合间隙
蜗杆与其啮合的减速蜗轮的设计参数：分度圆节距2.827 mm；减速蜗轮齿厚1.411±0.015 mm；蜗杆齿厚1.272±0.07 mm；最大啮合间隙=分度圆节距- 最小减速蜗轮齿厚- 最小蜗杆齿厚=2.827-（1.411- 0.015）- （1.272- 0.07）=0.229 mm。
当刮水器的刮水片运行至两端极限位置，即刮水片的换向位置，如果蜗杆与减速蜗轮的啮合间隙过大，则其系统惯量（指刮水电动机、刮水片和刮臂组成的后刮水器总成的惯量）会引起刮水电动机输出轴的刮刷角度增大。
通过对故障件的仿真计算显示：最大间隙0.229 mm导致齿轮可以发生的角度变化为0.19°，最大间隙导致刮刷角度变化量为0.19°×1.5754≈0.3°，其中1.5754为角度放大倍数。
由于蜗杆和减速蜗轮的啮合间隙的变化量导致刮刷角度最大增量为0.3°，由此可见，蜗杆和减速蜗轮的啮合间隙对刮水电动机输出轴的刮刷角度的增加影响不大。
3.3 扇形齿轮和小齿轮的啮合间隙
扇形齿轮和与其啮合的小齿轮的设计参数：分度圆节距5.498 mm；齿轮齿厚2.749±0.05 mm；小齿轮齿厚2.594±0.05 mm；最大间隙=分度圆节距-最小齿轮齿厚- 最小小齿轮齿厚=5.498- （2.749- 0.05）- （2.594- 0.05）=0.255 mm。
当刮水器的刮水片运行至两端极限位置，即刮水片的换向位置，如果扇形齿轮和小齿轮的啮合间隙过大，则其系统惯量会引起刮水电动机输出轴的刮刷角度增大。
通过对故障件的仿真计算显示：最大间隙0.255 mm导致齿轮可以发生的角度变化为0.796°，最大间隙导致刮刷角度变化量为0.796°×1.5754=1.254°，其中1.5754为角度放大倍数。
由于扇形齿轮和小齿轮的啮合间隙的变化量导致刮刷角度最大增量为1.254°，由此可见，扇形齿轮和小齿轮间隙对刮水电动机输出轴的刮刷角度的增加有较大影响。
3.4 传动板的转轴中心与减速蜗轮的转轴中心的距离R
表2是实测的4个故障件刮水器刮刷片的刮刷角度与其R值的结果。从表2中可以发现，刮水器刮刷片的刮刷角度随着R值的增大而增大。因此，R值的大小与刮水器刮刷片的刮刷角度直接相关。
3.5 刮水器的工况
通过试验分析，刮水器在不同工况下的刮刷角度也存在一定的差异，如表3所示。
由表3可见，同一个刮水器在无负载条件下，其刮刷角度最小（只有171°）；而刮水器在最大负载条件（在挡风玻璃上加上滑石粉，以减小刮水片的胶条与玻璃之间摩擦系数）下运行时，刮水片的刮刷角度最大（达到了180°）。在最大负载和最小负载条件下，同一个刮水器的刮刷角度的差异是很明显的。而刮水器在干、湿玻璃上运行，其刮刷角度介于最大和最小负载之间。这是因为刮水电动机在没有负载情况下，其系统惯量最小，以此类推。由此可见，刮水系统惯量对刮刷角度有很大影响，系统惯量越大，刮刷角度增加越多。
因此，我们得出：刮水器与汽车挡风玻璃之间的摩擦力越小，其刮刷角度越大。
4改进及效果
通过以上分析，可以得出结论：影响后刮水器刮打挡风玻璃边框的关键内在因素是扇形齿轮和小齿轮间隙和传动板的转轴中心与减速蜗轮的转轴中心的距离R；外因是刮水器的实际工况。
针对本案例，综合各方面情况，我们在不改变其它相关零部件的情况下，仅利用减小传动板尺寸R来验证降低刮水器的刮刷角度，避免其打玻璃边框。主要措施是将R的设计值由原来的14.77 mm减小至14.40 mm，同时将其公差由原来的±0.13 mm减小至±0.05 mm。通过对改进产品的刮刷角度的测试和实际装车试验，其负载时刮刷角度从175.5°减小至172.2°，同时未发生刮水片打边框现象。表4是减小后的不同R测试的刮刷角度测试值。测试和试验结果表明：该设计更改有效合理，满足顾客要求。
5 结论
通过对GL- 8刮水器打挡风玻璃边框的故障件分析，刮水器打边框的关键因素是减速机构的传动板尺寸R的差异。基于分析，针对后刮水器刮刷角度的设计提出以下建议。
1）后刮水器刮刷角度和负载工况有直接联系，在进行设计时，需要考虑刮水系统的惯量、干玻璃工况或湿玻璃工况对刮刷角度的影响；在进行电动机设计时，需要根据这些数据，结合试验数据确定无负载刮刷角度。一般来讲，无负载刮刷角度比湿玻璃条件下刮刷角度小5°~9°是安全的。
2）磨损导致间隙增大，会导致刮刷角度增加，从而导致打边框故障。故在设计时，需要减小刮刷角度名义值。
3）对于最直接影响刮刷角度的关键尺寸R的公差带，不宜定义太大，否则对刮刷角度的控制不利。