杜树浩 李勇 李晓波 万福 朱攀
成都华川电装有限责任公司 四川省成都市 610106
摘 要： 汽车后窗雨刮电机的噪声可主要分为电磁噪声和机械噪声两大部分，本文对后窗雨刮电机电磁噪声和机械噪声的来源和产生机理进行分析研究，在已有成熟后窗雨刮电机平台基础上，采取一系列可行性措施。其中，较为有效的创新性措施概括如下：通过调整磁钢结构优化表磁曲线分布，来抑制电枢反应产生的电磁噪声；通过理论分析并结合试验手段，优化碳刷宽度尺寸，实现对电刷噪声的抑制。而针对后窗雨刮电机承受交变负载，容易产生冲击噪声的问题，则重点介绍了以下措施：设计了缓冲装置来抑制电枢轴的冲击噪声；设计了推力轴承来抑制输出轴的冲击噪声。
关键词：雨刮电机 电磁噪声 机械噪声 抑制噪声
1 引言
噪声特性是衡量汽车舒适性和质量的重要指标，低噪音是乘用车电机不断追求改善的目标。后窗雨刮电机由于承受交变式负载，工况较为复杂，更容易产生噪声，而在一般的传动机构中，由于制造误差，不可避免的在传动机构中存在轴向间隙，而该间隙的存在，往往会造成传动的异响，影响机械寿命。因此，如何
降低后窗雨刮电机的噪声，提高整车的舒适性，对国内外行业来说都是一大难题。
2 后窗雨刮电机噪声分类及来源
噪声的来源是振动，电机的振动和噪声研究十分复杂，涉及电磁、机械振动、能量转换、特殊物理声学等学科[1]，后窗雨刮电机的噪声来源有很多方面，可以分为两大类，即电磁噪声和机械噪声。
2.1 电磁噪声
电磁力作用在定、转子之间的气隙中，由气隙谐波磁场引起的，定转子齿谐波磁通相互作用而产生的径向交变磁拉力，引起转
子铁芯轭部产生周期性的动态径向振动，激
发转子产生电磁噪声[2]。
在抑制电磁噪声方面比较成熟的措施主
要有，选择合适的定、转子槽配合[3]；采用斜
槽铁芯；适当加大气隙[4]等，本文重点研究
如何抑制电枢反应的影响。
2.2 机械噪声
机械噪声与零部件的加工精度、装配工
艺、材料等因素有关[1]，后窗雨刮电机机械噪
声的主要来源有：转子动不平衡引起的振动
噪声、电刷噪声、滚动轴承噪声、涡轮蜗杆
的啮合噪声、电枢轴的冲击噪声、输出轴的
冲击噪声等。
本文重点研究如何抑制电刷噪声、电枢
轴和输出轴冲击噪声等三个方面。
汽车雨刮器3 抑制电磁噪声
3.1 电枢反应机理简述
当电枢绕组没有电流通过时，由定子磁
钢产生的磁场称为主极磁场，近似的按正弦
波分布，当电枢绕组中有电流通过时，绕组
本身产生电枢磁场，电枢磁场对主极磁场的
作用使主极磁场发生畸变，产生电枢反应，
半边磁极增磁，另半边磁极去磁，从而使气
隙磁场分布不均匀，转子所受径向力不均匀，
扭矩波纹变大产生振动，电磁噪声增大[5]。如
图1所示为电枢反应对表磁曲线影响示意图。
因此，电枢反应对直流电机的影响很大，负
载越大，电枢反应引起的磁场畸变越强烈[6]。
图1 电枢反应对表磁曲线影响示意图
B/
1.2
0.9
0.6
0.3
-0.3
-0.6
-0.9
-1.2
3.2 抑制电枢反应的措施
为了抑制电枢反应的影响，可以将磁钢
设计成中间厚两端薄的不等厚结构，同时提
Noise Analysis and Suppression Measures of Rear Wiper Motor
Du Shuhao，Li Yong，Li Xiaobo，Wan Fu，Zhu Pan
Abstract： T he noise of automotive rear wiper motor can be divided into electromagnetic noise and mechanical noise. This article analyzes and studies the source and generation mechanism of electromagnetic noise and mechanical noise of rear window wiper motor. Based on the motor platform, a series of feasible measures have been taken. Among them, the more effective innovative actions as below is summarized. In order to suppress the electromagnetic noise produced by the armature reaction. To adjust magnetic steel structure for optimize magnetic curve distribution, through theoretical
analysis and combined with experimental, the study optimizes the width and size of carbon brush for realizing the suppression of brush noise. The problem is that the rear wiper motor is easy to produce impact noise under alternating load. The following action will be highlighted to design a buffer device for suppressing the impact noise on armature and thrust bearing for suppressing the impact noise on output shaft.
Key words： w iper motor, electromagnetic noise, mechanical noise, noise suppression
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高磁钢的内禀矫顽力HCJ，从而削弱对主极磁场的畸变影响，使磁通量分布曲线尽量接近理想曲线，可以减小扭矩波纹，降低电磁噪声。但是磁钢变成不等厚结构，有效磁通量会有所降低，必要时需要提高剩磁Br，以确保电机性能。图2为等厚和不等厚两种磁钢尺寸对比情况。
图2 等厚和不等厚磁钢尺寸对比
R28.5
R28.5
R24.3
（1.8）
21
216
90°
120°
5.7
3.3 改善效果
如图3所示为等厚磁钢表磁测试曲线，如图4所示为不等厚磁钢表磁测试曲线，从两种测试曲线结果来看采用不等厚方案，有效地削弱了主极磁场的畸变，进而达到抑制电磁噪声的目的。表1为两种方案电机实测结果，不等厚磁钢保持电机力矩不变的前提下，电机噪声下降2.2dB，约4.3%。
4 抑制电刷噪声
4.1 电刷噪声产生机理
电刷噪声是后窗雨刮电机的主要噪声来源之一，按噪声产生的机理分为电刷的振动噪声、电刷的摩擦噪声和电刷的火花噪声三部分，本文重点研究如何抑制电刷的火花噪声。
如图5所示，当换向时，后刷边离开一个换向片转向相邻换向片时，电刷和相邻两片换
向片行成闭合回路，产生回路电流，有电磁能量储存在换向元件内。当电刷离开前一换向片时，换向回路被突然切断，换向元件中的电磁能量就只有击穿空气而释放，从而产生火花[6]。
图5 火花产生机理
电刷
电刷
换向片换向片
电流I1
电流I1
电流I1
电流I1+I2
电流I1+I2
动作电流I1I2
回路电流I2
4.2 抑制电刷噪声的措施
根据电刷火花噪声产生的机理，可以适当减小电刷的宽度，可以有效减小换向电流的峰值和持续时间，从而减小火花噪声。通
过实验手段对比测试宽度分别为4.5mm 和3.5mm 的两种碳刷，换向时的整流波形结果分别如图6和图7所示，表2是两种宽度碳刷的测试结果对比情况。
5 抑制电枢轴的冲击噪声
由于刮臂刮刷在刮拭雨水的过程中是往复式摆动，转子的电枢轴承受冲击力，传统
结构为了消除转子电枢轴的冲击，采用尾孔注塑结构，如图8所示，在使用过程中，随着磨损间隙的出现，转子电枢轴发生窜动，不可避免的出现冲击噪声，该噪声会随着使用时间的加长而急剧增大。
图8 传统尾孔注塑结构
尾孔注塑
减速箱壳体
为了抑制电枢轴的冲击噪声，开发了新结构支撑架缓冲装置，代替传统的注塑结构。
该缓冲装置结构如图9所示，由橡胶垫、支撑架和金属垫片组成。橡胶垫选用耐高温和耐老化的材料，装配后处于压缩状态；支撑架，起装配导向作用；金属垫片材料则为不锈钢，接触转子尾部。
橡胶垫的处于一定的压缩状态，既可以消除装配制造误差，同时起缓冲作用降低转子运动时产生的冲击噪声。而且在使用过程中运动部件出现磨损时，处于压缩状态的橡胶垫能够回弹自动的补偿该磨损量，避免转子窜动产生冲击噪声，也提高了电机的使用
寿命。
6 抑制输出轴冲击噪声
6.1 输出轴冲击噪声的来源
刮臂刮刷在刮拭雨水的过程中往复式摆
动，同样对输出轴带来冲击，传统结构输出
表1 等厚和不等厚磁钢对比
图7 宽度3.5mm碳刷
表2 不同宽度碳刷的整流结果
图3 等厚磁钢表磁曲线
B/KGs
1.21.00.80.60.40.20.20.4
0.60.81.01.2
图4 不等厚磁钢表磁曲线
B/KGs
1.2
1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.01.2
图6 宽度4.5mm碳刷
轴部位的结构如图10所示，采用卡圈固定的方式，输出轴一端用安装板压住，另一端用卡圈、平垫圈轴向固定在减速器箱上。在使用过程中，随着磨损间隙的出现，输出轴发生窜动，不可避免的出现冲击噪声，该噪声会随着使用时间的加长而越变越差，当噪声超过要求值，则判定为寿命失效。根据以往的经验，50万次耐久使用后，磨损间隙约为0.22mm，电机总成噪声55.3dB（A 计）。
6.2 输出轴冲击噪声的抑制措施为了抑制输出轴的冲击噪声，同材料供应商合作开发了新结构塑料推力轴承，代替传统的卡圈固定的结构，如图11所示。推力轴承材料为POM，通过结构设计具备一定的弹性，压缩量设计值为0.5mm，可以消除零件加工误差带来的间隙，从而减小冲击噪声，达到50dB（A 计）以下。在使用过程中出现磨损时，处于压缩状态的推力轴承能够自动的补偿该磨损量，避免输出轴窜动产生冲击噪声，提高电机总成寿命，可以达到75万次耐久。新老两种结构的噪声对比结果如表3所示。
6.3 推力轴承的设计
由于推力轴承是对称结构，为了简化模型，只取一半用于分析计算，推力轴承压缩量为0.5mm，材料为POM，计算模型和边界条件如图12所示。分析结果如图14所示，最大的应变量为7.4%。蠕变寿命曲线如图13所示，对应40℃寿命只有1000h，还未满足要求。因此进一步对推力轴承尺寸优化后，最大应变减小为6.3%，如图15所示，从图13寿命曲线表中可以看出，对应40℃使用寿命为5000h。表4为优化前、后最大应变和蠕变寿命对比情况。
为了尽量提高寿命，材料厂家推荐使用
寿命更长的另一牌号材料，但由于材料库不
表3 新老结构产品噪声对比
表4 寿命分析结果
完整，所以未再次进行理论分析，而是通过实验验证，75万次耐久使用后，推力轴承仍保持一定的压缩量，证明材料和结构是可靠的。
图9 采用缓冲装置结构
图10 传统结构
安装板
减速箱
卡圈
卡圈、平垫圈、弹性垫圈
图11 新结构
减速箱
图12 计算模型
仅固了定垂直方向
R0.1
半模型
固定
考虑板与模型接触
金属板位移量0.5mm
7 结语
本文以后窗雨刮电机噪声为研究对象，在现有电机平台基础上，通过调整磁钢结构优化表磁曲线分布，来抑制电枢反应产生的电磁噪声；通过理论分析并结合试验手段，优化碳刷宽度尺寸，实现对电刷噪声的抑制。
特别是创新性地设计了缓冲装置，有效解决了电枢轴的冲击噪声；创新性地设计了塑料推力轴承结构，有效地解决了输出轴的冲击
噪声问题，从表5的对比数据可知，经过一些列改进后，后窗雨刮电机的噪声达到先进同行企业的水平，已广泛应用于多家主机厂，
图13 寿命曲线
10
86
42
0应变量（%）蠕变寿命（h）
10
100
1000
10000
1000001000000
优化后
优化前
-20℃30℃40℃
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作者简介
杜树浩： 硕士，高级工程师。研究方向：雨刮系
统研发、直流电机噪声研究。
表5 与标杆行业噪声对比
图14 优化前应变量
图15 优化后应变量
具有广阔的市场前景。
参考文献：
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作者简介
何鑫龄： （1990—），男，就职于吉利汽车研究
总院试验部门，从事整车及底盘系统耐
久试验验证工作。
图21 前副车架底板搭接处焊缝开裂
图22 前副车架焊缝开裂
图23 下摆臂后点衬套主筋开裂
图20 相对伪损伤对比结果
CAE分析结果风险点一致，在同一虚拟载荷
输入前提下，CAE分析与实物台架耐久试验
结果保持一致，验证有效性很好。
由多体仿真生成的虚拟载荷，在底盘系
统台架上应用，迭代效果好，总体各零部件
受力情况复现效果从时域、频域、相对损伤
并且已经标准化，可以作为关键验证手段应
用到底盘系统开发上。
参考文献：
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维度衡量，台架试验复现效果好，进一步验
证了虚拟模型的有效性。
虚拟载荷在底盘系统台架上的应用这一
整套试验方法已经被验证是可行的，有效的，
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