汽車雨刷機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

邵 衛(wèi)

汽車雨刷機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

邵 衛(wèi)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的提煉，重構(gòu)雨刷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),完成一理想的雨刷運(yùn)動(dòng)型態(tài)，創(chuàng)造新型肘式雨刷機(jī)構(gòu)。此種雨刷機(jī)構(gòu)掃掠范圍比原車大，掃掠比率比原車雨刷機(jī)構(gòu)多出至少14%以上。

汽車 雨刷 機(jī)構(gòu) 創(chuàng)新 設(shè)計(jì)

創(chuàng)造、創(chuàng)新是一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族的靈魂，先進(jìn)的創(chuàng)新方法是提升一個(gè)國(guó)家總體創(chuàng)新能力和創(chuàng)新水平的的關(guān)鍵。汽車是目前一種大量被使用的高科技個(gè)人化消費(fèi)性產(chǎn)品，汽車一年小改款，三年大改款，當(dāng)汽車改款時(shí)，雨刷機(jī)構(gòu)必然或多或少地要跟著變更設(shè)計(jì)以符合新車體要求，所以進(jìn)行新型雨刷機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是極為重要的一項(xiàng)工程。

1 雨刷機(jī)構(gòu)基本構(gòu)造與原理解析

汽車雨刷的主要功能是刮除附著在擋風(fēng)玻璃污物，以確保駕駛者的視野清晰，汽車雨刷系統(tǒng)基本上包括“刷”和“洗”兩個(gè)系統(tǒng)，甚至有些雨刷系統(tǒng)已經(jīng)將這兩部分的功能整合在一起。但就“刷”的部分主要構(gòu)成包括電動(dòng)馬達(dá)與馬達(dá)控制器、雨刷連桿機(jī)構(gòu)、雨刷臂、雨刮片。

現(xiàn)在最常見的雨刷系統(tǒng)其運(yùn)動(dòng)方式是靠一曲柄連桿推拉一組四連桿機(jī)構(gòu)，該四連桿的兩支雨刷臂則分別屬于輸入桿與輸出桿，整個(gè)連桿組形成六連桿機(jī)構(gòu)。

2 雨刷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

在已知的擋風(fēng)玻璃上盡可能的掃掠出最大面積與范；盡量使雨刷機(jī)構(gòu)在停駐狀態(tài)時(shí)不遮擋視線；機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)潔可靠、易制造、易裝配、易保養(yǎng)、易維修；適用于大面積大曲度擋風(fēng)玻璃。

3 雨刷機(jī)構(gòu)形式合成—機(jī)構(gòu)創(chuàng)新

（1）雨刷部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式根據(jù)不同的分類原則大概可分為以下數(shù)種：連續(xù)性、間歇性、周期性運(yùn)動(dòng)，直線、圓周、曲線運(yùn)動(dòng)；往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)與從動(dòng)部可逆和不可逆運(yùn)動(dòng)等。檢視雨刷機(jī)構(gòu)并解析大部分汽車雨刷的掃掠動(dòng)作可知：雨刷機(jī)構(gòu)的掃掠動(dòng)作可以分為雨刷片和雨刷臂的掃掠運(yùn)動(dòng)，兩者之間存在著相對(duì)位置或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。雨刷臂相對(duì)于車體的運(yùn)動(dòng)方式有固定、旋轉(zhuǎn)、平移（沿軸向/夾軸向）三種；雨刷片相對(duì)于雨刷臂的運(yùn)動(dòng)方式有固定、旋轉(zhuǎn)、平移（沿軸向/夾軸向）三種。根據(jù)以上雨刷和雨刷臂的運(yùn)動(dòng)形式的分類，若以單雨刷和單雨刷臂的組合，并且不限制雨刷臂與車體接觸（安裝）的位置，可以有128種的組合。從實(shí)務(wù)上來(lái)看，雨刷臂若固定不動(dòng)，只有靠雨刷運(yùn)動(dòng)可能造成雨刷（片）構(gòu)造復(fù)雜，所以進(jìn)一步將雨刷臂固定的可能性剔除，則成為96種運(yùn)動(dòng)組合。再者，機(jī)構(gòu)盡可能置于擋風(fēng)玻璃下緣以免遮蔽視線，并符合雨刷停駐點(diǎn)在下緣的條件，依此逐步加上限制條件，雨刷片和雨刷臂運(yùn)動(dòng)組合剩下至少有12種可能性，參考表1的初步組合。

將雨刷臂相對(duì)于車體的四種可能相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式置于左邊列為縱軸，而將雨刷相對(duì)于雨刷臂的四種可能相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式置于上方列為橫軸，構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)形式與形能組合矩陣。解讀收集到的專利資料或成品的構(gòu)造，按照運(yùn)動(dòng)形式分類，發(fā)現(xiàn)有專利申請(qǐng)者集中以雨刷臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)搭配雨刷（片）平移運(yùn)動(dòng)的組合占絕大多數(shù)。

（2）建立雨刷理想運(yùn)動(dòng)圖形。根據(jù)“簡(jiǎn)單機(jī)械構(gòu)造、盡可能掃掠最大面積、雨刷機(jī)構(gòu)有創(chuàng)新”的三原則，結(jié)合汽車玻璃承受正向風(fēng)壓的弧度造型，滿足自擋風(fēng)玻璃下緣向A柱兩側(cè)往復(fù)掃掠的方式，以保證雨刷機(jī)構(gòu)的雨刷片掃到接近A柱附近仍具又絕佳清除效果的實(shí)用性，參照雨刷機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的項(xiàng)目：采用單片雨刷掃掠、掃掠面積趨于最大、雨刷可以刷到與A柱平行、視線未被遮到的地方皆可掃到、雨刷停駐處不遮視線、構(gòu)造趨于簡(jiǎn)單，勾勒出一種單一的雨刷臂相對(duì)車體旋轉(zhuǎn)的理想化的雨刷掃掠范圍圖形，見圖1。

表1　

圖3　

進(jìn)一步利用雨刷相對(duì)雨刷臂做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而且雨刷臂相對(duì)車體也做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)組合，基本上可以獲致相當(dāng)接近理想化的掃掠，但是當(dāng)擋風(fēng)玻璃為較扁平的形狀時(shí)，其左下方將無(wú)法掃掠到。若雨刷和雨刷臂不再局限以單純的運(yùn)動(dòng)方式做組合而使機(jī)件的運(yùn)動(dòng)方式呈現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的話，雨刷臂與車體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、雨刷與雨刷臂旋轉(zhuǎn)和平移組合，其掃掠方式見圖2，則雨刷機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的形式基本成形——單雨刷片肘式雨刷機(jī)構(gòu)。

4 雨刷機(jī)構(gòu)的尺寸合成

（1）尺寸合成方法。尺寸合成方法有函數(shù)創(chuàng)生、運(yùn)動(dòng)創(chuàng)生和路徑創(chuàng)生。函數(shù)創(chuàng)生的合成方法是指輸入和輸出之間有某特定的函數(shù)關(guān)系；運(yùn)動(dòng)創(chuàng)生則指最終輸出的連桿被要求具有特定位置和姿態(tài)；路徑創(chuàng)生是指特定輸出的位置坐標(biāo)點(diǎn)有一定的路徑與時(shí)序關(guān)系。本案擬采用運(yùn)動(dòng)創(chuàng)生尺寸合成，利用特征平面法解答平面四連桿三個(gè)精確點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)生合成方法進(jìn)行肘式雨刷機(jī)構(gòu)的尺寸合成。尺寸合成又分為計(jì)算法和圖解法，借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，能快速得到比較精確的解答。

（2）四連桿三個(gè)精確點(diǎn)確定。根據(jù)四連桿運(yùn)動(dòng)創(chuàng)生合成的理論的相關(guān)公式，輸入樞軸A0坐標(biāo)位置（xA0，yA0）、連桿點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的三精確點(diǎn)（xn，yn）和n、計(jì)算 R2、rA、sA和輸入桿角度Φn，完成α、β解答平面，選擇α和β角后算出λ1、λ2和λ3，終而完成符合三精確點(diǎn)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)合成。四連桿各桿件關(guān)系示意圖如圖3所示。

5 創(chuàng)新雨刷機(jī)構(gòu)的運(yùn)用

以某牌的車為例，其擋風(fēng)玻璃的投影尺寸、雨刷尺寸和掃掠范圍經(jīng)測(cè)量后得知，通過(guò)A柱一側(cè)的玻璃外框尺寸判斷，若要采用本案創(chuàng)新雨刷機(jī)構(gòu)的話，雨刷片最大長(zhǎng)度絕對(duì)不宜超過(guò) 80.5cm，再者，A 柱側(cè)的玻璃框與水平線夾角為82，這個(gè)角度便是雨刷機(jī)構(gòu)合成做為參考的初步數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算并修正后得四桿機(jī)構(gòu)的靜件R1＝3.1cm，輸入桿30.7cm，連桿10.2cm，輸出桿37.3cm。計(jì)算出雨刷掃描比例如表2。

表2　掃掠比率之比較

6 結(jié)論

結(jié)果顯示本創(chuàng)新的肘式雨刷機(jī)構(gòu)不但可以應(yīng)用在該型汽車，而且比原來(lái)的雨刷機(jī)構(gòu)有更大的掃掠比率（多14%以上），此外，還能有效的掃掠到擋風(fēng)玻璃更重要區(qū)域。

[1]符煒.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)思方法[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[2]張策.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]王玉新．機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1996.

[4]雷永剛，彭穎紅.阮雪輸機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)：綜述與分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，（1）：19-21．

Innovative Design of Automobile Wiper Mechanism

SHAO Wei
(Tianjin Vocational and Technical Normal University,Tianjin 300222)

The kinematic nature of refining, the reconstructed wiper mechanism to complete an ideal wiper motion patterns, create new toggle wiper mechanism. Such wiper mechanism swept large range than the original car, sweep rate is at least 14 percent morethan the original car wiper mechanism .

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