一種新型前雨刮輸出軸設(shè)計(jì)及仿真

劉毅

(湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

傳統(tǒng)的前雨刮通過(guò)調(diào)整刮桿的扭角來(lái)適應(yīng)前風(fēng)擋的曲率變化，雨刮片與前風(fēng)擋的攻角變化比較大，雨刮片刮水時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)噪聲，影響駕駛員的駕駛感受和乘客的乘坐舒適性。

文中介紹的新型前雨刮輸出軸可以減小雨刮片與前風(fēng)擋的攻角變化，減小雨刮片刮水時(shí)產(chǎn)生的噪聲。

1 傳統(tǒng)雨刮系統(tǒng)介紹

1.1 零部件組成

傳統(tǒng)前雨刮由副駕駛側(cè)刮片1、副駕駛側(cè)刮桿2、駕駛側(cè)刮片3、駕駛側(cè)刮桿4、駕駛側(cè)搖臂5、電機(jī)及四連桿機(jī)構(gòu)6、駕駛側(cè)輸出軸7、副駕駛側(cè)搖臂8、副駕駛側(cè)輸出軸9組成，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)前雨刮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 前雨刮刮水原理

前雨刮系統(tǒng)由電機(jī)及四連桿機(jī)構(gòu)6帶動(dòng)搖臂5和搖臂8做往復(fù)擺動(dòng)，搖臂5和搖臂8分別和刮桿2、刮桿4固定連接，刮桿2和刮桿4在搖臂往復(fù)擺動(dòng)作用下，以輸出軸9和輸出軸7為中心，做上下擺動(dòng)。與刮桿固定連接的刮片1和刮片3在前風(fēng)擋上擺動(dòng)，將前風(fēng)擋上的水刮凈。

1.3 影響前雨刮噪聲的因素

雨刮片在前風(fēng)擋上刮水時(shí)，雨刮片產(chǎn)生的噪聲與雨刮片壓力、雨刮片與前風(fēng)擋形成的攻角、雨刮片膠條截面尺寸、雨刮片膠條材料、前風(fēng)擋表面潔凈度有關(guān)，其中雨刮片壓力、雨刮片膠條截面尺寸、雨刮片膠條材料、前風(fēng)擋表面潔凈度可以通過(guò)優(yōu)化參數(shù)值進(jìn)行改善，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

雨刮片與前風(fēng)擋形成的攻角在刮水過(guò)程中不是一個(gè)恒定值，參數(shù)變化范圍大，難以調(diào)整到最優(yōu)值，攻角調(diào)整不合適時(shí)容易導(dǎo)致雨刮片刮水出現(xiàn)噪聲和異常的磨損。

1.4 雨刮片與前風(fēng)擋的攻角介紹

攻角是前風(fēng)擋玻璃法線和雨刮片對(duì)稱面之間的角度，如圖2所示。

1.4.1 雨刮片攻角曲線

雨刮片在前風(fēng)擋上刮水時(shí)，受到前風(fēng)擋曲面不斷變化的影響，攻角曲線不是線性變化，傳統(tǒng)的攻角曲線如圖3所示。

刮片中間點(diǎn)的攻角，理論上應(yīng)介于-5°到+5°之間，實(shí)際上介于-9°到+9°，攻角的變化范圍達(dá)到20°，與理論值相差太大。

圖2 前雨刮片攻角示意圖

圖3 刮片中間點(diǎn)的攻角曲線

1.4.2 傳統(tǒng)前雨刮攻角調(diào)整

在完成整車裝配后，傳統(tǒng)前風(fēng)擋和前雨刮的物理位置就固定了，攻角曲線可以通過(guò)攻角測(cè)量設(shè)備得到，需要調(diào)整攻角時(shí)，只能通過(guò)改變刮桿的扭角進(jìn)行。刮桿扭角是輸出軸向與雨刮片對(duì)稱面之間的角度(如圖4所示)，此角度的變化便于優(yōu)化攻角。

圖4 刮桿扭角示意圖

由于刮桿采用低碳鋼材料，導(dǎo)致刮桿扭角在生產(chǎn)過(guò)程中的誤差為± 2°，在調(diào)整扭角過(guò)程中容易出現(xiàn)角度回彈現(xiàn)象，因此在前雨刮開(kāi)發(fā)過(guò)程中，攻角參數(shù)的確定需要花費(fèi)大量的工時(shí)。

2 一種新型前雨刮輸出軸設(shè)計(jì)

為了提高雨刮片對(duì)前風(fēng)擋曲面的適應(yīng)性，降低攻角參數(shù)調(diào)整的難度，設(shè)計(jì)了一種新型的前雨刮輸出軸，通過(guò)輸出軸的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，減少雨刮片攻角的變化范圍，讓攻角保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

2.1 技術(shù)方案

新型的前雨刮輸出軸增加了一個(gè)錐齒輪，軸套上端增加一個(gè)錐齒輪，前雨刮輸出軸除了繞軸向旋轉(zhuǎn)外，通過(guò)錐齒輪的嚙合，增加了擺頭運(yùn)動(dòng)，由于刮桿和前雨刮輸出軸固定連接，雨刮片可以在刮水過(guò)程中做擺頭運(yùn)動(dòng)，抵消玻璃曲面對(duì)攻角的影響。

2.2 新型前雨刮輸出軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

如圖5所示，新型前雨刮輸出軸由擺頭軸3、旋轉(zhuǎn)軸5、大錐齒輪4組成。

圖5 新型雨刮輸出軸結(jié)構(gòu)圖

工作原理如圖6所示：軸套6的上端具有一個(gè)小錐齒輪12，旋轉(zhuǎn)軸5安裝于軸套6中，搖臂7上設(shè)置有裝配孔13，旋轉(zhuǎn)軸5的底部穿過(guò)軸套6安裝于搖臂的裝配孔13中，卡簧10裝配在旋轉(zhuǎn)軸5中部的卡簧槽11中，旋轉(zhuǎn)軸5的頂部有一個(gè)連接頭14，連接頭14中間設(shè)置有一個(gè)裝配槽，擺頭軸3的底部裝入于裝配槽中，擺頭軸3與連接頭14上均設(shè)置有一個(gè)通孔，大錐齒輪4的一側(cè)設(shè)置有一個(gè)連接軸9，大錐齒輪4通過(guò)連接軸9安裝于擺頭軸3以及連接頭14的通孔內(nèi)，擺頭軸3的頂部穿過(guò)刮桿總成1上開(kāi)設(shè)的裝配孔8至刮桿總成的上端，其伸出端通過(guò)固定螺母2鎖緊。

圖6 新型雨刮輸出軸工作原理圖

此方案中，先把旋轉(zhuǎn)軸放入軸套中，下端與搖臂上的孔過(guò)盈配合，搖臂做90°往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸也會(huì)做90°的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸的卡簧槽裝入卡簧后，旋轉(zhuǎn)軸沿軸向移動(dòng)時(shí)受到卡簧和搖臂的限制，無(wú)法在軸套內(nèi)竄動(dòng)。再將擺頭軸放入旋轉(zhuǎn)軸上端連接頭的裝配槽中，用大錐齒輪上端的連接軸穿過(guò)旋轉(zhuǎn)軸和擺頭軸的通孔，其中擺頭軸的通孔與大錐齒輪的連接軸采用過(guò)盈配合，大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擺頭軸也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，大錐齒輪的連接軸和連接頭的通孔采用間隙配合，大錐齒輪繞自己的旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸繞自己的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，大錐齒輪會(huì)繞旋轉(zhuǎn)軸的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。

大錐齒輪與軸套上的小錐齒輪組成齒輪組，傳動(dòng)比設(shè)定為4.5。如圖7所示：當(dāng)大錐齒輪繞旋轉(zhuǎn)軸的軸向旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，大錐齒輪繞自己的旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)20°。

圖7 刮刷角度示意圖

圖8中，刮桿總成在起始位置時(shí)大錐齒輪偏向左側(cè)，設(shè)定刮片在前風(fēng)擋上的攻角為0°，搖臂在雨刮機(jī)構(gòu)連桿帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)45°，搖臂和旋轉(zhuǎn)軸是過(guò)盈配合，旋轉(zhuǎn)軸也會(huì)旋轉(zhuǎn)45°。

大錐齒輪和擺頭軸在旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)下繞旋轉(zhuǎn)軸的軸向旋轉(zhuǎn)45°，由于軸套上的小錐齒輪固定，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)齒輪嚙合，大錐齒輪同時(shí)繞自己的旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)10°，擺頭軸和大錐齒輪是過(guò)盈配合，擺頭軸繞大錐齒輪的旋轉(zhuǎn)中心也轉(zhuǎn)動(dòng)10°，刮桿總成和刮片跟隨擺頭軸繞旋轉(zhuǎn)軸的軸向旋轉(zhuǎn)45°，同時(shí)繞大錐齒輪的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)10°，刮片在前風(fēng)擋上的攻角可以保持在0°左右。

圖8 新型雨刮輸出軸工作過(guò)程

當(dāng)搖臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°到返回位置，大錐齒輪和擺頭軸跟隨旋轉(zhuǎn)軸繞旋轉(zhuǎn)軸的軸向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)45°，通過(guò)齒輪嚙合，大錐齒輪繞自己的旋轉(zhuǎn)中心再轉(zhuǎn)動(dòng)10°，擺頭軸繞大錐齒輪的旋轉(zhuǎn)中心再轉(zhuǎn)動(dòng)10°，最終刮桿總成和刮片同樣繞旋轉(zhuǎn)軸的軸向旋轉(zhuǎn)45°，同時(shí)繞大錐齒輪的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)10°，在返回位置的刮片攻角繼續(xù)保持在0°左右。

搖臂從返回位置旋轉(zhuǎn)返回到起始位置時(shí)，上述過(guò)程逆向重復(fù)一次。

當(dāng)前風(fēng)擋曲面的曲率發(fā)生變化時(shí)，可以調(diào)整齒輪的傳動(dòng)比和刮桿扭角，滿足不同前風(fēng)擋的要求。

3 傳統(tǒng)雨刮輸出軸和新型雨刮輸出軸攻角曲線對(duì)比

3.1 新型攻角曲線的計(jì)算

攻角曲線的對(duì)比以設(shè)定的傳統(tǒng)前雨刮輸出軸攻角曲線為基準(zhǔn)，將傳統(tǒng)前雨刮輸出軸和新型前雨刮輸出軸的攻角曲線放在一起進(jìn)行攻角對(duì)比。

對(duì)比的攻角曲線限定為雨刮從起始位置向返回位置運(yùn)動(dòng)方向，刮刷角度設(shè)定為90°。

新型前雨刮輸出軸攻角計(jì)算公式：

式中：θ為新型前雨刮輸出軸攻角；α為刮刷角度；i為傳動(dòng)比；β為傳統(tǒng)前雨刮輸出軸攻角；γ為傳統(tǒng)前雨刮輸出軸攻角初始值；δ為新型前雨刮輸出軸攻角初始值。

設(shè)定新型前雨刮輸出軸和傳統(tǒng)前雨刮輸出軸具有相同的前風(fēng)擋、雨刮輸出軸安裝位置、刮刷角度、刮桿、刮片，根據(jù)新型前雨刮輸出軸攻角計(jì)算公式可以計(jì)算出新型前雨刮輸出軸的攻角曲線。

3.2 前雨刮設(shè)計(jì)攻角曲線對(duì)比

在攻角曲線圖中根據(jù)攻角曲線設(shè)計(jì)值模擬了一條傳統(tǒng)前雨刮刮片中心點(diǎn)的攻角曲線，通過(guò)計(jì)算得到新型雨刮輸出軸的攻角曲線，如圖9所示。

圖9 模擬的設(shè)計(jì)攻角曲線和新型攻角曲線

從攻角曲線的對(duì)比看：傳統(tǒng)前雨刮輸出軸的攻角曲線如果滿足設(shè)計(jì)值，攻角控制在±5°內(nèi)；新型前雨刮輸出軸通過(guò)改變傳動(dòng)比和初始攻角，可以將攻角控制在±3°內(nèi)，降低了刮片刮水過(guò)程中的噪聲。

3.3 前雨刮實(shí)際攻角曲線對(duì)比

在攻角曲線圖中根據(jù)攻角曲線實(shí)際值模擬了一條傳統(tǒng)前雨刮刮片中心點(diǎn)的攻角曲線，通過(guò)計(jì)算得到新型前雨刮輸出軸的攻角曲線，如圖10所示。

圖10 模擬的實(shí)際攻角曲線和新型攻角曲線

從攻角曲線的對(duì)比看：傳統(tǒng)前雨刮輸出軸的攻角曲線在實(shí)際應(yīng)用中，攻角控制在±10°內(nèi)，刮片在刮水過(guò)程中容易出現(xiàn)噪聲；新型前雨刮輸出軸通過(guò)刮桿擺頭運(yùn)動(dòng)、刮桿扭角設(shè)定初始攻角，可以優(yōu)化攻角曲線，將攻角控制在±5°內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)值要求，降低刮片刮水過(guò)程中出現(xiàn)的噪聲。

4 總結(jié)

通過(guò)攻角曲線的對(duì)比可以看出：新型前雨刮輸出軸對(duì)攻角曲線具有優(yōu)化作用，當(dāng)前風(fēng)擋的曲率變化比較大，導(dǎo)致前雨刮的攻角曲線變化比較大時(shí)，采用新型前雨刮輸出軸可以減小攻角曲線變化范圍，改善雨刮刮水過(guò)程中出現(xiàn)的噪聲。

新型前雨刮輸出軸的設(shè)計(jì)可以滿足曲率變化比較大的前風(fēng)擋，使整車造型更為美觀。