雨刮器 论文

华中科技大学文华学院

毕业设计（论文）题目：汽车雨刮器的机构设计

学生姓名：学号：

学部（系）：机械与电气工程学部专业年级：07 机械设计制造及其自动化指导教师：职称或学位：讲师

2011年4月20日

目录

摘要.................................................. I 关键词................................................. I Abstract.............................................. II Key Words............................................ III 1. 前言. (1)

1.1 选题的目的和意义 (1)

1.2 选题的研究现状及发展趋势 (1)

2. 设计题目：汽车雨刮器 (3)

2.1 设计内容及步骤 (3)

2.2 机构简介 (4)

3. 设计方案比较 (5)

3.1 设计方案一 (5)

3.2 设计方案二 (6)

3.3 设计方案三 (7)

3.4 设计方案四 (8)

4.设计的数据及运动分析 (9)

4.1 整体工作流程 (9)

4.2 工作部分即齿轮组 (10)

4.3 摇杆滑块机构 (11)

4.4 方案最终效果 (12)

5. 设计综述 (14)

结束语 (15)

参考文献 (16)

致谢 (17)

雨刷的发明

摘要

雨刷是最早发明于1910年.从1900年就有正规生产汽车在道路上，这意味着汽车没有雨刷在道路上遭受各种天气行驶至少10年！雨刷的构想产生于美国特瑞科公司的董事长在下雨天驾车，由于天气模糊，无法看清道路，导致撞倒了一个骑自行车的男孩。虽然男孩没有受很大的伤，但是驾驶者被他的经历所震惊。为他所震惊的是驾驶的危险是在没有完全看清道路的情况下发生的，这引起了雨刷的产生。在我们熟悉的电动雨刷系统出现以前一系列不同的方法都尝试过。最早的雨刷设计是一个塑料刀片在挡风玻璃上手动旋转。虽然这使挡风玻璃变干净，前方的视野变清晰，但操作者的手很快就累了，于是这种设计被放弃了。另一个的设计是由一个真空驱动泵所引发的。不幸的是这种设计被操作速度随车速改变的事实所困扰。这次失败最终导致连接一个电机到雨刮臂，这种本质一直沿用到今天。

关键词：雨刷；发明；电动雨刷；

The invented of wiper blade

Abstract

The windshield wiper was first invented in 1910. The first regular production automobiles had been on the roads since 1900, which means that cars were driving on roads in all kinds of weather for at least ten years without windshield wipers!The idea for windshield wipers was born when the President of the Trico company in the United States was driving his car on a rainy day and, unable to see the road well because of the weather, he hit a boy on a bicycle. Though the boy was not hurt badly, the driver was considerably shaken by the experience. It was his shock at the danger of driving without seeing the road properly that brought about the birth of windshield wipers.But a number of different methods were tried before the motor-driven wiper systems we are familiar with today came about. The initial windshield wiper design was one in which a rubber blade on the windshield was rotated manually. While this allowed the windshield to be cleared and forward vision improved, the operator hand soon tired, and the design was abandoned. The next design was powered by a vacuum driven pump. Unfortunately this design was plagued by the fact that its speed of operation changed with the speed of the vehicle. This

failure finally led to the attachment of a motor to the wiper arm, which is essentially the one still in use today.

Key Words：blade；invent；Electric wipers

1. 前言

1.1 选题的目的和意义

下雨的时候，大车小车前档风玻璃上的雨刮器就会齐齐动作，两只雨刮片以固定的转轴柱为中心作摆动，将前档风玻璃的雨水刮去，还司机一个有效的视野。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、减速器、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减速增扭作用驱动摆臂，摆臂带动四连杆机构，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。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。有些人认为雨刷片的长度越长、刷的面积越大、视野越好。其实，雨刮器片并非越长越好。加长雨刷片长度虽然可以增加视野可见的范围，但相对地也会增加雨刮器马达、雨刮杆的负担。当然，要加长当然可以，但要保证绝不能妨碍雨刮器的正常工作。

1.2 选题的研究现状及发展趋势

最早期的雨刮器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。用一条管子接到发动机，利用发动机的真空度来驱动雨刮器里面的活塞，推动摆臂转动，雨刮片就可以动作了。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，我国一些货车和客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。

现在，汽车的雨刮臂有两个，电机一般是一个，称为“单机双臂”，也有每个雨刮器带一只电机，称为“单机单臂”。有些雨刮臂还附带胶水管，水管接至

洗涤器上，按一下开关会有水注喷向前档风玻璃。在一些中高级轿车上，不但前后档风玻璃有雨刮器，就是前大灯也有一支小小的雨刮片，用以清除前灯玻璃上的尘埃。现今的雨刮器已经普遍采用快档、慢档和间歇控制档。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。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。

2.设计题目：汽车雨刮器

2.1 设计内容及步骤

本次要做的是雨刮器的机构设计，说实在的，对于雨刮器，这个题材真的太不起眼了，好像也不太受关注，目前市场上，雨刮器的结构基本上千篇一律，大同小异，实在没什么要做设计，首先应明确设计的任务和要求，拟定设计计划，保证设计进度、设计质量，按时完成。在设计过程中，提倡独立思考、深入钻研，主动地、创造性地进行设计工作。要求设计态度严肃认真、一丝不苟，反对不求甚解，这样才能确保毕业设计达到基本要求，并在设计思想、方法和技能等方面得到良好的训练和提高。

1)设计内容

（1）机构运动方案设计。即根据给定的原始数据和工艺要求，构思并选定机构方案；

（2）设计上述各机构。根据选定的方案采用各机构，如凸轮机构、连杆机构、齿轮机构、间歇运动机构及其组合机构等，即具体机构的尺度综合；

（3）根据已选定好的设计方案，求出各机构的主要尺寸；

（4）根据上面求得的尺寸，按比例画出全部机构的运动简图；据此对上述机构进行运动分析，即绘制机构的运动线图，或进一步进行运动和动力分析；

2)设计步骤

（1）设计题目（包括设计条件和要求）。

（2）机构运动简图或设计方案的确定。

（3）全部原始数据。

（4）完成设计所用方法及其原理的简要说明。

（5）建立设计所需的数学模型并列出必要的计算公式、计算过程及说明，写出设计计算结果。

（6）利用相关的计算机软件，绘制出运动简图。

（7）列出计算结果并画出主要曲线图。

（8）对设计结果进行分析讨论，写出设计的收获和体会。

（9）列出主要参考文献资料。

2.2 机构简介

如下图1所示，雨刮器的一般结构原理图，雨刮器的动力源来自电动机，它是整个雨刮器系统的核心。

图2-1 电动式雨刮器结构原理

1-直流电动机；2-蜗轮箱；3-底板；4、6-曲柄；5、7-连杆；

8、10-摆杆；9、11-摆臂

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，安装在前档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。雨刮器电动机采用3刷结构以方便变速。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充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扭，设有低速、高速、间歇3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，配合雨刮器洗涤档风玻璃。洗涤器系统是目前汽车上很普通的装置，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档风玻璃，配合雨刮器起到清洁档风玻璃的作用。

3.设计方案比较

3.1 设计方案一

图3-1

1 蜗轮 3 雨刷

2 摇杆

分析：蜗轮1带动摇杆2转动，进而带动雨刷3上下移动，从而达到刮水效果。

该方案优点：

雨刷刮水面积较大；

结构相对较简单。

该方案缺点：

中间固定部位过长，影响视线；

雨刷向上移动的时，又将雨水向上刮，从而影响效率，实际上，这是一个很不成熟的方案。

3.2 设计方案二

图3-2

1 支座 4 连杆 5 蜗轮

2 摇杆

3 摆杆

分析：

蜗轮5转动带动摇杆2，摇杆2带动连杆4移动，从而使摆杆3左右以一定频率摆动，达到刮水的效果。

该方案优点：

1.整体构建布局可以在汽车上较为容易实现；

2.机构简单实用；

3.设置急回特性（推杆快，收杆慢），因为在刮片起挂前，挡风玻璃上附着

的雨水量相对较多，对司机观察前方路线不利，这时刮片需快速挂清雨水，而在回程时玻璃上雨量较少，这时慢挂可进一步刮净雨水，是玻璃保持相对较长的清晰度。同时急回特性的运用也提高了雨刮器的工作效率；

4.在雨刮器收杆的时候，刮片贴紧挡风玻璃下沿时间较长，这就可以让雨刷器间隔工作。

这个方案的工作部位是目前市场上最普遍，最常见的一种结构，在这种结构的基础上，我们可以从动力部分出发，去设计更高效的雨刮器。

3.3 设计方案三

图3-3

柔性齿条刮水器结构图

1 齿轮箱 4 蜗轮 5 柔性齿条

2 滑块

3 连杆

分析：

电动机带动蜗轮4转动，5再带动连杆3，而连杆3的另一端连接着滑块2，滑块2又连接着柔性齿条5，由此带动齿轮转动，而齿轮与雨刷杆固结在一起的，从而就带动了雨刷完成刮水动作。

该方案优点：

1.两个雨刷的轨迹可以通过对齿轮与齿条的初始啮合位置控制，这完全省去了

像连杆机构那种复杂的轨迹计算，使设计起来更加简单，调节起来更方便。

2.采用柔性齿条，从而使动力传输一下子就简单了下来。

缺点主要是可能对齿轮齿条的要求更高一些，要保证啮合精度及材料要好。

3.4 设计方案四

图3-4

双连杆雨刷结构

1 支座 4 蜗轮

2 连杆

3 摆杆

分析：

由蜗轮4转动带动固结在其上的杆转动，因此带动连杆2，再由连杆2带动摆杆3转动，从而完成刮水动作。

该方案优点：

显然此机构基本上是连杆机构，所以从机构上来看还是很简单的，个人觉得唯一不足的是，好像各杆件的具体数据长度，各杆件的轨迹貌似还是有些复杂的。

结合各方面的优点最终方案选择方案三，但是为便于计算，可将柔性齿条改为刚性直齿条，其工作原理完全相同，还是滑块带动齿条往复运动，但此时滑块与齿条是在一条直线上运动，这样便于计算行程，继而便于对齿轮的相关数据的确定，详见下。

4.设计的数据及运动分析

4.1 整体工作流程

如下图

图4-1

此图是将方案三修改后的机构图，现将其整个运动叙述一下：

此时是雨刷器的两个极限位置，且这是一个急回设置，由图中知，这是由电机作为动力，以蜗轮蜗杆作为第一个动力传输机构，再将动力传给摇杆滑块机构，带动滑块往复运动，再通过与滑块固结的齿条的往复运动，带动与齿轮组齿轮固结的雨刷往复运动，以完成刮水动作。

如图，蜗轮是逆时针转动的，初始状态如图B所示，此时雨刷停留在玻璃下沿，当蜗轮沿逆时针方向转动到如图A所示，即刚好经过了一个工作行程时，雨刷刚好从玻璃下沿顺时针运动到竖直位置（如图A所示），即雨刷也恰好经过了一个工作行程，此时，蜗轮继续沿逆时针方向转动，当再次转到如图B的初始位置时，这一过程是回程过程，则雨刷也刚好从竖直位置沿逆时针转回玻璃下沿（如图B所示），由此，一个工作周期结束，以后的运动总是周而复始的循环往

复运动。

具体各机构的工作如下分解

4.2 工作部分即齿轮组

在摇杆滑块机构的带动下，齿轮组也有两个极限位置，即90度的旋转角度，从而带动固结在其上的雨刷摆动。

图4-2

对齿轮组确定相关数据：

取m=1，z=17，则

分度圆直径d=m*z=17mm

P=∏*m=3.14*1=3.14mm

ha ＝ha*m=m=1mm

hf ＝（ha*+c*）m=1.25m=1.25mm

s=∏*m/2=1.57mm

e=∏*m/2=1.57mm

c=c*m=0.25mm

db=d*cosα

α=20°，m=1,ha*=1,z=17

分度圆周长C=∏*d=3.14*17=53.38mm,显然齿轮的行程只有四分之一圆，故连接着齿条的滑块的行程也只能是四分之一分度圆的周长。

则可进入下一个环节，对摇杆滑块机构的尺寸确定。

4.3 摇杆滑块机构

此连杆机构即作为传动部分，将蜗轮蜗杆的动力传输给齿条，从而带动雨刷的运动。此机构不仅实现了雨刷的往复运动，实现了持续刮水的动作，并且拥有急回特性，以免挡住开车者的视线时间过长。

图4-3

由3.1知，摇杆滑块机构的行程是由齿轮组齿轮的行程决定的，则

S=1/4C=1/4*πd=1/4*3.14*17=13.345mm

取导路偏距e=10mm，行程速度变化系数k=1.32，则

极位夹角θ=180*(k-1/k+1)=25°，

可测得，α=24°，则

AB杆与BC杆的长度分别设为a，b，其值确定可用数学分析法和几何法两种方法求的，

数学分析法：

(a+b)*sinθ=s*sin(θ+α)

(a-b)* sinθ=s* sinα

(a-b)* sin(θ+α)=e

(a-b)≥e

联立以上式子，便可求出a=5.464,b=18.660;

若用几何方法求：

则是相当简单的，如下图作图法即可测得杆AC与杆AC’的长度，即a+b与a-b 的长度，再通过简单的数学运算即可求得a与b的值。

图4-4

4.4 方案最终效果

确定了数据后，雨刷器的总体方案效果图如下

图4-5

图中，绿色细实线代表雨刷器处于第一个极限位置，而黑色粗实线代表雨刷器处

于第二个极限位置。

5.设计综述

通过这次毕业设计，我们真是收获颇丰,不仅温习、巩固了课本上学所学知识，而且使让我们在实际操作中学会了多动脑带来的快乐，团体合作的力量以及相互讨论的好处。对于设计流程：参与设计的选题，对刮水器的机构进行构思，设计方案和设计思路。绘制刮水器的机构简图。对选定的方案进行尺寸设计。在软件中设计出雨刮器机构。在此次设计中，我们对于某些机构的原理知识，有了更高有一层的认识，有感性的认识变为了理性的理解以及掌握。在设计过程中我们对于软件的使用变得越来越熟练。完成这项课题，还得感谢老师的帮助。

要做设计，首先我们确定设计方案，根据现有的方案，算出主要的数据，并用CAD画出了它的运动简图。通过这次设计我学会并熟练了AUTOCAD，OFFICE,的基本操作掌握了更多的使用工具。并且在此设计过程中也培养了团队之间的协作精神。

在学完机械相关一些课程的同时，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，提高我们综合运用机械设计理论分析的能力，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、制图和数据处理的能力。完成了整个设计，收获颇多，尤其是在软件应用上面，同时对机械的知识有了更进一步的认识。

纵观整个设计过程，我们各组员任务分配明确，相互沟通交流，互帮互助，工作有条不紊地前进。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们要考虑的问题，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，但总体上以满足要求。此外我们也参考了一些网上的资料，大多数都比我们的方案要复杂，完善。这也是我们此次设计的不足之处，可是我们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一些原本被认为枯燥的课程。当我踏实看到自己辛苦了几天所最终确定下来方案时，激动之心溢于言表。

总而言之，良好的团队精神与认真负责的态度在让我们受益良多的同时也圆满地完成了此次设计。