基于Pro/E的汽車雨刮器仿真分析

柏艷雪

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156）

基于Pro/E的汽車雨刮器仿真分析

柏艷雪

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156）

本文通過Pro/E軟件對(duì)汽車雨刮器的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成汽車雨刮器的虛擬裝配；利用Pro/E的仿真模塊，獲得雨刮臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，得出通過改變電動(dòng)機(jī)曲柄長(zhǎng)度，可以改變雨刮臂的擺動(dòng)角度大小，從而獲得設(shè)計(jì)的雨刮器的雨刮臂擺最大擺動(dòng)角度，為研究雨刮臂的擺動(dòng)角度提供相關(guān)參考。

仿真 運(yùn)動(dòng)軌跡 雨刮器 擺動(dòng)角度

引言

從1927年電動(dòng)雨刷器發(fā)明以來，不管是高檔豪華轎車，還是普通民用代步車，或是笨重的貨車，雨刷器都已經(jīng)成為機(jī)動(dòng)車輛不可或缺的部件。它保持擋風(fēng)玻璃外表面清潔，確保駕駛者雨雪天氣視野清晰和行車安全。

雨刮器的種類很多，按安裝位置可分為頂置、底置、側(cè)置、前后置和內(nèi)外置等；按雨刮范圍可分為局部雨刮、整體雨刮、單面雨刮和雙面雨刮；按運(yùn)動(dòng)方式可分為四桿機(jī)構(gòu)左右擺動(dòng)式、導(dǎo)軌式直線和弧線運(yùn)動(dòng)式；按制作材料可分為普通黑膠體雨刮器、透明塑料體雨刮器和磁性體雨刮器。目前，車輛上廣泛使用的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)黑膠體雨刮器。雨刮總成一般由雨刮電機(jī)、雨刮聯(lián)動(dòng)桿、刮臂組件組成?，F(xiàn)在汽車的雨刮臂有兩個(gè)，電機(jī)一般是一個(gè)，稱為“單機(jī)雙臂”；還有每個(gè)雨刮臂帶一只電機(jī)，稱為“單機(jī)單臂”。一般轎車的雨刮輕且行程短，通常為單機(jī)雙臂。

1　雨刮器結(jié)構(gòu)原理分析及建模

雨刮器是由電機(jī)帶動(dòng)，通過連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣伪鄣耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)刮雨動(dòng)作。其中，連桿機(jī)構(gòu)是主要運(yùn)動(dòng)單元。仿真運(yùn)動(dòng)則主要是模擬連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

其實(shí)，雨刮器的模型介紹，主要就是介紹連桿機(jī)構(gòu)模型。應(yīng)用最多的、較為簡(jiǎn)單的連桿機(jī)構(gòu)就是四連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。該機(jī)構(gòu)中，固定不動(dòng)的構(gòu)件4稱為機(jī)架，與機(jī)架相連接的構(gòu)件1和3稱為連架桿，不與機(jī)架相連的構(gòu)件2稱為連桿。在兩個(gè)連架桿中，能作整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件稱為曲柄，若只能繞其回轉(zhuǎn)軸線作往復(fù)擺動(dòng)的構(gòu)件稱為搖桿。四連桿機(jī)構(gòu)根據(jù)兩連架桿運(yùn)動(dòng)形式不同可分為三種基本型式：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。

圖1　四連桿機(jī)構(gòu)

然而，這種普通的四連桿機(jī)構(gòu)并不是真正的雨刮器的連桿機(jī)構(gòu)模型。該雨刮器機(jī)構(gòu)是“單機(jī)雙臂”，即兩個(gè)雨刮臂只由一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)運(yùn)行。

該機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為圖2所示。電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)由曲柄1的圓周運(yùn)動(dòng)代替，連架桿3和4分別帶動(dòng)雨刮臂運(yùn)動(dòng)；曲柄1、搖桿3、連桿2和機(jī)架6組成一個(gè)簡(jiǎn)單的四連桿機(jī)構(gòu)（曲柄搖桿機(jī)構(gòu)）；曲柄1做圓周運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)搖桿3做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；搖桿3、4，連桿5和機(jī)架7也組成一個(gè)簡(jiǎn)單的四連桿機(jī)構(gòu)（雙搖桿機(jī)構(gòu)），同時(shí)搖桿3帶動(dòng)搖桿4做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖2　機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

根據(jù)已知實(shí)物的模型，最終生成的簡(jiǎn)易雨刮器整體組裝模型如圖3所示。

圖3　雨刮器模型

2　雨刮器的仿真分析

圖4　某點(diǎn)軌跡曲線

將裝配好的雨刮器模型導(dǎo)入Pro/E的“應(yīng)用程序”中“機(jī)構(gòu)”模塊進(jìn)行仿真，得出兩個(gè)雨刮臂的往復(fù)擺動(dòng)軌跡和擺動(dòng)角度，如圖4所示。往復(fù)擺動(dòng)角度的測(cè)量：得到運(yùn)動(dòng)軌跡后，可以利用“測(cè)量”工具，測(cè)量空間運(yùn)動(dòng)弧長(zhǎng)和半徑。利用公式弧長(zhǎng)、半徑和角度關(guān)系：角度=弧長(zhǎng)/半徑，可以算出運(yùn)動(dòng)弧長(zhǎng)的角度。此處取其中一個(gè)為例。如圖5和6所示，從圖5可以看出，弧長(zhǎng)C是119.71mm，從圖6可以看出，弧長(zhǎng)的半徑是56.66mm，由此得出，弧長(zhǎng)的空間角度約為121°。

圖5　軌跡弧長(zhǎng)

圖6　軌跡半徑

通過改變伺服電動(dòng)機(jī)曲柄的長(zhǎng)度，觀察運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)角度的改變情況。在以上設(shè)計(jì)中，伺服電動(dòng)機(jī)曲柄長(zhǎng)度是4.8mm。若將其曲柄長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，按照之前的操作流程，可得到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡、弧長(zhǎng)和半徑。擺動(dòng)角度隨著曲柄長(zhǎng)度的改變?nèi)绫?所示。

通過以上的比較，我們發(fā)現(xiàn)：通過改變電動(dòng)機(jī)曲柄長(zhǎng)度，可以改變雨刮臂的擺動(dòng)角度大小。當(dāng)將曲柄長(zhǎng)度改至5.0mm時(shí)，雨刮器的運(yùn)動(dòng)情況脫離了實(shí)際運(yùn)動(dòng)情形。因此，設(shè)計(jì)的雨刮器的雨刮臂所能運(yùn)動(dòng)達(dá)到的最大擺動(dòng)角度為124°。

3　結(jié)論

通過Pro/E軟件對(duì)雨刮器進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，對(duì)雨刮臂的擺動(dòng)角度大小與電動(dòng)機(jī)曲柄長(zhǎng)度變化關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單的研究。研究數(shù)據(jù)表明：電動(dòng)機(jī)曲柄長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)，曲柄越長(zhǎng)，雨刮臂擺動(dòng)角度越大；在符合正常運(yùn)動(dòng)的情況下，設(shè)計(jì)的雨刮臂存在最大擺動(dòng)角度。事實(shí)證明，該方法直觀、方便，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，為研究雨刮臂的擺動(dòng)角度提供了相關(guān)參考。

表1　擺動(dòng)角度隨曲柄長(zhǎng)度的變化數(shù)據(jù)

[1]范大偉，柏艷雪，等.Creo Elements/Pro5.0產(chǎn)品設(shè)計(jì)與KeyShot渲染表現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

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Simulation Analysis of Automobile Wiper Based on Pro/E

BAI Yanxue
(Nanhang Jincheng College, Nanjing 211156)

With the rapid development of computer aided design and manufacturing technology, it can shorten the design cycle and improve the design level by using the computer to simulate and analyze the motion and change process of the mechanical mechanism. Design of parts and complete the virtual assembly of auto wiper by using Pro/E; also obtain the trajectory of wiper arm through simulation module. Concluded: by changing the motor crank length, you can change the wiper arm swing angle, so as to obtain the maximum swinging angle, to provide a reference for the study of the swing angle of the wiper arm.

Simulation,Trajectory,Wiper,Swing angle