现代汽车风窗刮水器结构与工作原理

风窗刮水器用于清扫风窗玻璃上的雨水、雪或尘土，以确保驾驶员具有良好的视线。

刮水器有气压式和电动式等多种，现代汽车多采用电动式。

如图5-1所示，电动刮水器主要由直流电动机、蜗轮箱、曲柄、连杆、摆杆、摆臂和刮水片等组成。电动机与蜗杆箱结合成一体组成刮水电动机总成，电动机旋转时，带动蜗杆、蜗轮，使与蜗轮相连的曲柄、拉杆和摆杆带着左、右两刮片架做往复摆动，橡皮刷便刷去风窗玻璃上的雨水、雪和灰尘。

为了不影响驾驶员的视线，刮水器中常装有自动复位装置，以便在任何位置切断刮水电动机电路时，刮水器的橡皮刷都能自动停止在风窗玻璃的下部。

图5-1　电动刮水器

1—刷架；2—底板；3—电动机；4—蜗杆；5—蜗轮；6—拉杆；7—摆杆

5-1　刮水器的组成

1.刮水电动机的结构

刮水电动机按其磁场结构不同，可分为线绕式和永磁式。永磁式电动机具有体积小、质量轻、构造简单等优点，在国内外汽车上被广泛采用。

图5-2所示为永磁式刮水电动机的结构，主要由外壳及磁铁总成、电枢、电刷安装板及复位开关、输出齿轮及蜗轮、输出臂等组成。电枢通电后转动，经蜗轮和输出齿轮及输出轴后，把动力传给输出臂。

图5-2　永磁式刮水电动机的结构

1—电枢；2—永久磁铁；3—触点；4—蜗轮；5—铜环；6—电刷

为了满足实际使用的需要，刮水器电动机有低速刮水和高速刮水两个挡位。为了不影响驾驶员的视线，刮水器设置有自动复位装置，以便在任何位置切断刮水电动机电路时，刮水器的橡皮刷都能自动停在风窗玻璃的最下端。

2.永磁式刮水电动机的变速原理

永磁式刮水电动机是利用三个电刷来改变正、负电刷之间串联线圈的个数来实现变速的，如图5-3（a）所示。其原理是：刮水电动机工作时，在电枢内同时产生反电势，其方向与电枢电流的方向相反。若要使电枢旋转，外加电压必须克服反电势的作用，当电动机转速升高时，反电势增高，只有当外加电压等于反电势时，电枢的转速才能稳定。

图5-3　永磁式刮水电动机的变速原理

（a）电刷的布置；（b）低速旋转；（c）高速旋转
1—共用电刷；2—电枢线圈；3—低速电刷；4—高速电刷

三刷永磁式刮水电动机工作时，电枢绕组产生的反电势的方向如图5-3（b）中箭头所示。

（1）当将刮水器开关K 拨向“L”（低速）时，如图5-3（b）所示，电源电压U 加在电刷B1和B3之间。在电刷B1和B3之间的两条并联支路中，每条支路中各有4 个串联绕组，反电势的大小与支路中反电势的大小相等。由于外加电压需要平衡4 个绕组所产生的反电势，故电动机转速较低。

（2）当将刮水器开关K 拨向“H”（高速）时，如图5-3（c）所示，电源电压U 加在电刷B2和B3之间。绕组1、2、3、4、8 在同一条支路中，其中绕组8 与绕组1、2、3、4 的反电势方向相反，相互抵消后，使每条支路变为三个绕组，由于电动机内部的磁场方向和电枢的旋转方向没有变化，所以各绕组内反电势的方向与低速时相同。但是外加电压只需平衡3 个绕组所产生的反电势，因此，电动机的转速增大。

3.刮水电动机的控制电路及自动复位原理

图5-4所示为铜环式刮水器的控制电路，其工作过程如下：

图5-4　铜环式刮水器的控制电路

（a）控制电路；（b）复位装置
1—蜗轮；2—铜环；3—触点；4—触点臂；5—熔断丝；6—电源开关；7—永久磁铁；8—电枢

5-2　雨刮控制电路

刮水器开关有三个挡位，0 挡为复位挡，“1”挡为低速挡，“2”挡为高速挡。四个接线柱分别接复位装置、电动机低速电刷、搭铁、电动机高速电刷。复位装置在减速蜗轮（由塑料或尼龙材料制成）上嵌有铜环，铜环的一部分与电动机外壳相连（为搭铁），触点臂用磷铜片或其他弹性材料制成，一端铆有触点。由于触点臂具有一定的弹性，因此在蜗轮转动时，触点与蜗轮的端面和铜环保持接触。

（1）当接通电源开关，并将刮水器开关拉出到“1”挡（低速）位置时，电流从蓄电池正极→电源开关→熔断丝→电刷B3→电枢绕组→电刷B1 →刮水器开关接线柱②→接触片→刮水器开关接线柱③→搭铁→蓄电池负极，构成回路，电动机以低速运转。

（2）把刮水器开关拉出到“2”挡（高速）位置时，电流从蓄电池正极→电源开关→熔断丝→电刷B3→电枢绕组→电刷B2→刮水器接线柱④→接触片→刮水器接线柱③→搭铁→蓄电池负极，构成回路，电动机以高速运转。

（3）当把刮水器开关退回到“0”挡时，如果刮水片没有停在规定的位置，由于触点与铜环接触，如图5-4（b）所示，则电流继续流入电枢，其电路为蓄电池正极→电源开关→熔断丝→电刷B3→电枢绕组→电刷B1→接线柱②→接触片→接线柱①→触点臂→铜环→搭铁→蓄电池负极。由此可以看出，电动机仍以低速运转直至蜗轮旋转到图5-4（a）所示的特定位置，电路中断。由于电枢的运动惯性，电机不能立即停止转动，此时电机以发电机方式运行。因此时电枢绕组通过触点臂与铜环接通而短路，故电枢绕组将产生强大的制动力矩，电机迅速停止运转，使刮水片复位到风窗玻璃的下部。

4.间歇式电动刮水器

现代汽车刮水器上都加装了电子间歇控制系统，使刮水器能按照一定的周期停止和刮水，这样在小雨或雾天中行驶时，不致使玻璃上形成发黏的表面，以使驾驶员获得更好的视线。

汽车刮水器间歇控制电路按照间歇时间是否可调，可分为不可调节型和可调节型。

（1）不可调节型间歇控制电路。

刮水器的间歇控制一般是利用自动复位装置和电子振荡电路或集成电路实现的。

①图5-5所示为同步间歇刮水器内部控制电路。当刮水器开关置于间歇挡位置（开关处于“0”位，且间歇开关闭合）时，电源将通过自动复位开关向电容器C 充电，其电流回路为：蓄电池正极→电源开关→熔断丝→自动复位开关常闭触点（上）→电阻R1→电容器C→搭铁→蓄电池负极。随着充电时间的增长，电容器两端的电压逐渐升高。当电容器C 两端的电压升高到一定值时，三极管T1和T2相继由截止转为导通，从而接通继电器磁化线圈的电路，其电路为：蓄电池正极→电源开关→熔断丝→电阻R5→三极管T2 （e→c）→继电器磁化线圈→间歇刮水器开关→搭铁→蓄电池负极。在电磁吸力的作用下，继电器常闭触点打开，常开触点闭合，从而接通了刮水电动机的电路，其电流回路为：蓄电池正极→电源开关→熔断丝→电刷B3→电刷B1→刮水继电器常开触点→搭铁→蓄电池负极。此时电动机将低速旋转。

②当复位装置将自动复位开关的常开触点（下）接通时，电容器C 通过二极管D、自动复位装置常开触点迅速放电，此时刮水电动机的通电回路不变，电动机继续转动。随着放电时间的增长，三极管T1基极的电位逐渐降低，当三极管T1基极的电位降低到一定值时，T1和T2由导通转为截止，从而切断了继电器磁化线圈的电路，继电器复位，常开触点打开，常闭触点闭合。此时，由于自动复位开关的常开触点处于闭合状态，电动机仍将继续转动，其电流回路为：蓄电池正极→电源开关→熔断丝→电刷B3→电刷B1→继电器常闭触点→复位开关的常开触点→搭铁→蓄电池负极。只有当刮水片回到原位（即不影响驾驶员视线位置），自动复位开关的常开触点打开、常闭触点闭合时，电动机方能停止转动。然后电源将再次向电容器C 充电，重复以上过程，循环反复，实现刮水片的间歇动作，其间歇时间的长短取决于R1、C 电路充电时间常数的大小。

图5-5　同步间歇刮水器内部控制电路

5-3　刮水器挡位

（2）可调节型间歇控制电路。

可调节型间歇控制电路是指刮水器的控制电路能根据雨量大小自动开闭，并自动调节间歇时间。

图5-6所示为刮水自动开关与调速控制电路。电路中S1、S2和S3是安装在风窗玻璃上的流量检测电极，若雨水落在两检测电极之间，则会使其阻值减小，且水流量越大，其阻值越小。

图5-6　刮水自动开关与调速控制电路

S1与S3之间的距离较近（约2.5 cm），因此，三极管T1首先导通，继电器J1通电，在电磁吸力的作用下，P 点闭合，刮水电动机低速旋转。当雨量增大时，S1与S2之间的电阻减小到使三极管T2也导通，于是继电器J2通电，在电磁吸力的作用下，A 点接通，B 点断开，刮水电动机转为高速旋转。雨停时，检测电阻之间的阻值均增大，三极管T1、T2截止，继电器复位，刮水电动机自动停止工作。

5.风窗洗涤装置

风窗洗涤装置与刮水器配合使用，可以使汽车风窗刮水器更好地完成刮水工作并获得更好的刮水效果。

图5-7所示为风窗洗涤装置的结构，其主要由储液罐、洗涤泵、软管、喷嘴等组成。洗涤泵一般由永磁直流电动机和离心叶片泵组装成为一体，喷射压力可达70～88 kPa。

图5-7　风窗洗涤装置

1—储液罐；2—洗涤泵；3—软管；4—熔断丝；5—刮水开关；6—三通管接头；7—喷嘴

洗涤泵通常直接安装在储液罐上，在泵的进口处设置有滤清器。洗涤泵喷嘴安装在挡风玻璃的下面，其方向可根据使用情况调整，喷水直径一般为0.8 ～1.0 mm。洗涤泵的连续工作时间不应超过1 min，对于刮水和洗涤分别控制的汽车，应先开洗涤泵，再接通刮水器。喷水停止后，刮水器应继续刮动3～5 次，以便达到良好的清洁效果。

常用的洗涤液是硬度较低的清水。为了能刮掉挡风玻璃上的油、蜡等物质，可在水中添加少量的去垢剂和防锈剂。强效洗涤液的去垢效果好，但会使风窗密封条和刮片胶条变质，还会引起车身喷漆变色以及储液罐、喷嘴等塑料件开裂。冬季使用洗涤器时，为了防止洗涤液冻结，应添加甲醇、异丙醇和甘醇等防冻剂，再加少量的去垢剂和防锈剂，即成为低温洗涤液，可使凝固温度下降到-20 ℃以下。如冬季不用洗涤器时，应将洗涤管中的水倒掉。

6.刮水器的控制电路

图5-8所示为桑塔纳轿车刮水器的控制电路。从图中可知，刮水器控制开关有5 个挡位，分别为复位停止挡、间歇挡、低速挡、高速挡和点动挡。INT 挡为间歇刮水挡，LO 挡为低速刮水挡，HI 挡为高速刮水挡。

其工作过程如下：

①将点火开关置于“ON”挡，接通蓄电池至中间继电器磁化线圈放电的回路，其电流路径为：蓄电池正极→点火开关“30”接线柱→点火开关“X”接线柱→中间继电器磁化线圈→搭铁→蓄电池负极。在电磁吸力的作用下，中间继电器触点闭合，为刮水电动机工作做好准备。

②将刮水器开关拨到“F”挡（即点动挡）时，蓄电池将通过刮水器开关、间歇继电器常闭触点向刮水电动机供电，其电流路径为：蓄电池正极→中间继电器触点→熔断丝S11→刮水器开关“53a”接线柱→刮水器开关“53”接线柱→间歇继电器常闭触点→电刷B1→电刷B3→搭铁→蓄电池负极，此时电动机以低速运转。

图5-8　桑塔纳轿车刮水器的控制电路

③当手离开刮水器开关时，开关将自动回到“0”位，如果此时刮水片处在影响驾驶员视线的位置上，自动复位装置的常闭触点打开、常开触点闭合，刮水电动机电枢内继续有电流通过，其电流路径为：蓄电池正极→中间继电器触点→熔断丝S11 →复位装置的常开触点→刮水器开关“53e”接线柱→刮水器开关“53”接线柱→间歇继电器常闭触点→电刷B1→电刷B3→搭铁→蓄电池负极，故电动机仍以低速运转。只有当自动复位装置处在图示位置时，刮水电动机方可停止运转。

④当将刮水器开关拨到“1”挡（低速挡）时，蓄电池仍然是通过中间继电器、刮水器开关、间歇继电器、电刷B1和B3向刮水电动机放电（放电回路与点动时相同），电动机以42～52 r/min 的转速低速运转。

⑤当将刮水器开关拨到“2”挡（高速挡）时，蓄电池向电动机放电的回路为：蓄电池正极→中间继电器触点→熔断丝S11→刮水器开关“53a”接线柱→刮水器开关“53b”接线柱→电刷B2→电刷B3→搭铁→蓄电池负极，此时电动机以62～80 r/min 的转速高速运转。

⑥当自动复位装置切断电机电路，由于旋转惯性而使电机不能立即停下来时，电机将以发电机方式运行而发电。电枢绕组中所产生的感应电动势的方向与外加电压的方向相反，通过刮水器开关、自动复位常闭触点构成回路，其电流路径为：电刷B1→间歇继电器常闭触点→刮水器开关“53”接线柱→刮水器开关“53e”接线柱→自动复位装置的常闭触点→电刷B3。电枢绕组中产生反电磁力矩（制动力矩），电机迅速停止运转，使刮水片复位到风窗玻璃的下部。

⑦当将刮水器开关拨到“J”（间歇）位置时，电子式间歇继电器投入工作。当间歇继电器的常闭触点打开、常开触点闭合时，蓄电池向电动机放电的回路为：蓄电池正极→中间继电器触点→熔断丝S11→间歇继电器的常开触点→电刷B1→电刷B3→搭铁→蓄电池负极，电动机低速运转。当间歇继电器断电，其触点复位（常闭触点闭合，常开触点打开）时，电动机将停止运转。在此过程中，自动复位装置的工作和制动力矩的产生与上述相同。在间歇继电器的作用下，刮水电动机每6 s 使曲柄旋转一周。

5-4　丰田车刮水电路

⑧当将洗涤开关接通时（将刮水器开关向上扳动），洗涤泵控制电路接通，其电流路径为：蓄电池正极→中间继电器触点→熔断丝S11→洗涤开关→洗涤泵V6→搭铁→蓄电池负极，位于发动机盖上的两个喷嘴同时向风窗玻璃喷射清洗液。与此同时，刮水器间歇继电器的控制电路接通，其电流路径为：蓄电池正极→中间继电器触点→熔断丝S11→洗涤开关→刮水器间歇继电器→搭铁→蓄电池负极，于是刮水电动机工作，驱动刮水片刮掉已经湿润的尘土和污物。当驾驶员松开控制手柄时，开关自动复位，切断洗涤泵的控制电路，喷嘴停止喷射清洗液，刮水电动机在自动复位开关起作用后，将刮水片停靠在风窗玻璃的下方。

7.后窗玻璃除霜装置

冬季风窗玻璃上易结冰霜，用刮水器是无法清除的，目前最有效的办法是将玻璃加热进行除霜。

装有空调或暖风装置的汽车上，通过风道将热风吹向前面或侧面的风窗玻璃就可避免结冰，而后窗玻璃常利用电热丝加热的方法来除霜。在后窗玻璃的内表面上镀有数条导电膜，形成电热丝，通电加热，即可防止结霜。这种装置的耗电量为30 ～50W，故在轿车上广泛应用。