一種實(shí)現(xiàn)驅(qū)動航空雨刮的減速搖擺電機(jī)設(shè)計(jì)

師立峰

(貴州航空工業(yè)技師學(xué)院，貴陽 550009)

0 引 言

雨刮器應(yīng)用于汽車和飛機(jī)前擋風(fēng)玻璃雨刮除水，在汽車和民用飛機(jī)領(lǐng)域均有廣泛的市場領(lǐng)域，其基本功能要求采用微電機(jī)驅(qū)動、通過減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速并增加驅(qū)動力矩、帶動玻璃雨刮刮架搖擺往復(fù)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)刮水器刮刷擋風(fēng)玻璃的功用。

雨刮的種類很多，按安裝位置有頂置、底置、側(cè)置、前后置和內(nèi)外置等; 按雨刮范圍分局部雨刮、整體雨刮、單面雨刮 和雙面雨刮；按照運(yùn)動方式分四連桿機(jī)構(gòu)左右擺動式、導(dǎo)軌式直線和弧線運(yùn)動式；按照制作材料可以分為普通膠體雨刮器、透明塑料體雨刮器和次形體雨刮器等[1]。

雨刮器表面上看似簡單，實(shí)際上構(gòu)造較復(fù)雜。傳統(tǒng)的雨刮器主要是由直流永磁電機(jī)以及一副四連桿機(jī)構(gòu)組成。由于雨刮器的長期使用，傳統(tǒng)的直流永磁電機(jī)容易損耗而失效；四連桿機(jī)構(gòu)長期使用后,也會因鉸接部位的磨耗而增加間隙，帶來雨刮器的運(yùn)行不穩(wěn)定、異響以及歸位不準(zhǔn)確等隱患。在車速較高時(shí)，傳統(tǒng)雨刮器難以滿足壓緊力要求,易產(chǎn)生漂浮現(xiàn)象[2]。

應(yīng)用于搖擺電機(jī)的微電機(jī)通常采用有刷電動機(jī)和無刷電動機(jī)兩大類，由于驅(qū)動雨刮器的功率較低，采用微電機(jī)主要追求體積小、重量輕的特點(diǎn)，這在汽車和飛機(jī)雨刮領(lǐng)域都是適用的。汽車領(lǐng)域考慮成本因素多采用有刷電機(jī)，而在要求高壽命和高可靠性的航空領(lǐng)域多采用無刷電機(jī)。無論采用哪類電機(jī)，微電機(jī)的特點(diǎn)是工作力矩小、轉(zhuǎn)速高(2000～10000 r/min)，無法直接驅(qū)動雨刮刮架。故應(yīng)用在雨刮領(lǐng)域的電機(jī)均為減速電機(jī)，即將微電機(jī)與減速器封裝為一體化設(shè)計(jì)。

減速搖擺機(jī)構(gòu)功能由減速傳動和搖擺傳動完成，減速傳動采用直齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、搖擺驅(qū)動的要求采用小型化的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

1 減速搖擺電機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)方法

搖擺電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)擋風(fēng)玻璃雨刮搖擺驅(qū)動。其技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

表1 減速搖擺電機(jī)技術(shù)指標(biāo)

本文以刮刷頻率、刮刷角度等主要參數(shù)要求為輸入，采用機(jī)械計(jì)算的方法確定減速搖擺電機(jī)的減速器傳動比，采用磁路法和有限元法對減速搖擺電機(jī)的電磁場進(jìn)行計(jì)算從而確定微電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法曲柄搖桿尺寸。

1.2 微電機(jī)選型

應(yīng)用于搖擺電機(jī)的微電機(jī)通常采用有刷電動機(jī)和無刷電動機(jī)兩大類。

傳統(tǒng)的航空風(fēng)擋雨刷裝置系統(tǒng)其電機(jī)采用的是有刷的直流電機(jī)，而經(jīng)過國內(nèi)一些航空電氣公司的試航取證，使用有刷的直流電機(jī)作為航空風(fēng)擋雨刷裝置的驅(qū)動器，電機(jī)的溫度容易溫升過快。而某些公司認(rèn)為改變磁鋼粘結(jié)位置后，低速擋速度增高，高速檔速度降低，降低了高速擋工作電流，但這對于解決溫升過快問題沒有實(shí)質(zhì)性作用[3]。

無刷直流電動機(jī)(Brushless Direct Current Motor, BLDC)是近幾十年來隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電動機(jī)，它以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電力電子技術(shù)技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和各種物理原理為后盾，具有很強(qiáng)的生命力[4]。

無刷直流電機(jī)的最大特點(diǎn)是沒有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。因此，無刷直流電機(jī)沒有換向火花，壽命長，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便。永磁無刷直流電機(jī)既具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗及調(diào)速性能好、起動轉(zhuǎn)矩較大等特點(diǎn)，在汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以及航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3 減速搖擺電機(jī)總體設(shè)計(jì)

電動機(jī)構(gòu)方案可根據(jù)最終指標(biāo)和使用控制要求，選用無刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換時(shí)間可以通過控制器在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以滿足產(chǎn)品高速低速兩檔對刮刷速度的調(diào)節(jié)需求。

傳統(tǒng)常用的電動雨刮器總成由電機(jī)、減速器、四連桿機(jī)構(gòu)、刮水臂心軸、刮水桿(片)等五大部件組成。雨刮器工作時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速增扭后驅(qū)動擺臂；擺臂再帶動四連桿機(jī)構(gòu)；四連桿機(jī)構(gòu)使得安裝在前圍板上的轉(zhuǎn)軸左右擺動；最后由轉(zhuǎn)軸帶動刮水桿(片) ，刮掃擋風(fēng)玻璃。

本文采用一級蝸輪/蝸桿、一級直齒輪和一級曲柄搖桿傳動實(shí)現(xiàn)減速、搖擺驅(qū)動功能。其優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)控制簡單，電機(jī)單方向旋轉(zhuǎn)，輸出由曲柄搖桿傳動實(shí)現(xiàn)搖擺動作，電機(jī)驅(qū)動器只需要根據(jù)高低速檔位信號實(shí)施高低速控制即可，減速搖擺電機(jī)總體原理圖如圖1所示。

圖1 減速搖擺電機(jī)總體原理圖

2 減速搖擺電機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1 傳動力矩和轉(zhuǎn)速初步計(jì)算

根據(jù)機(jī)械原理[5]，減速搖擺電機(jī)輸出力矩T輸出為

T輸出=T電機(jī)×i×η

(1)

式中，T電機(jī)為微電機(jī)輸出力矩。

i為減速器傳動比。計(jì)算得：

η為減速器效率，取直齒輪的傳動效率為0.97，蝸輪蝸桿的傳動效率為0.5，曲柄搖桿為多級軸承鉸鏈傳動效率0.9。計(jì)算得：

η=0.97×0.5×0.9×100%=43.7%

將數(shù)據(jù)代入式(1)可得

T輸出=23.9 N·m>20 N·m

能滿足輸出力矩要求。

2.2 驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)

2.2.1電機(jī)主要尺寸的確定

電機(jī)主要尺寸[6]是指定子內(nèi)徑Di1和鐵心長度li表示電機(jī)的有效體積。在無刷直流電機(jī)中，鐵心長度li和定子內(nèi)徑Di1值的選擇主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、預(yù)取線負(fù)荷、電機(jī)外徑等參數(shù)。

從式(1)可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)的尺寸就越小，重量越輕，功率密度越高。

2.2.2轉(zhuǎn)子磁鋼材料選擇

按材料的組成元素，稀土永磁材料可分為釤鈷永磁體與釹鐵硼永磁體。釤鈷材料的磁穩(wěn)定性比一般的永磁體要好得多，矯頑力也很高，并且剩磁很強(qiáng)[7]。但釤鈷與釹鐵硼的這種永磁體材料相比較，它的價(jià)格比較貴，而且使用的領(lǐng)域一般是在特殊的電機(jī)體上。對于釹鐵硼這種永磁體材料來說，其磁力性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了釤鈷這種永磁體材料，并且大量的存在，所以在價(jià)格上更加的便宜，而且其被廣泛的運(yùn)用于現(xiàn)今的電機(jī)市場。本設(shè)計(jì)航空風(fēng)擋雨刷裝置電機(jī)中的永磁體將選擇釹鐵硼做為永磁材料。

2.2.3轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)選擇

永磁電機(jī)有兩種典型的磁路結(jié)構(gòu)：表面式和內(nèi)置式[8]。表面式結(jié)構(gòu)磁鋼貼于轉(zhuǎn)子鐵心表面，內(nèi)嵌式磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子鐵心中。雖然內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的凸極率大于1、抗去磁能力和弱磁能力強(qiáng)、具有磁阻轉(zhuǎn)矩，但是內(nèi)置永磁體結(jié)構(gòu)漏磁大于表面永磁結(jié)構(gòu)。因此選擇表面式磁鋼結(jié)構(gòu)。

2.3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)刮角設(shè)計(jì)

由于該產(chǎn)品的刮角有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的幾何尺寸所決定，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，取連桿中心距36.3 mm；曲柄臂長：2 mm；搖臂臂長：5.2 mm可以得到理論尺寸下的刮刷角度為46°16’如圖2所示。

圖2 刮刷角CAD輔助設(shè)計(jì)示意圖

3 減速搖擺驅(qū)動電機(jī)仿真

傳統(tǒng)的磁路計(jì)算采用一些經(jīng)驗(yàn)公式和修正系數(shù)，但對于該永磁無刷直流電動機(jī)，轉(zhuǎn)速高、體積小，使得參數(shù)的選取沒有取值范圍可參照。相比之下有限元法具有建模方便、仿真結(jié)果精確、后處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，本文在磁路計(jì)算方案的基礎(chǔ)上利用有限元軟件MAXWELL進(jìn)行磁場分析[9]。

將電磁設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)使用MAXWELL進(jìn)行仿真，其額定輸出結(jié)果如下：額定電流4.03 A，轉(zhuǎn)速9578 r/min，輸出功率90.1 W，如表2所示，滿足輸出高速擋要求。

表2 MAXWELL仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示磁場分布合理，最高磁密不超過1.6T，不存在磁密集中部位。電機(jī)磁場分布如圖3所示。

圖3 電機(jī)磁場分布圖

通過計(jì)算仿真，可知該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為9578 r/min，根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，產(chǎn)品高速擋時(shí)轉(zhuǎn)速為9000 r/min，低速擋時(shí)轉(zhuǎn)速為6000 r/min。該產(chǎn)品中控制器采用調(diào)整驅(qū)動信號的占空比，控制電機(jī)的輸入功率。如高速檔位時(shí)，控制器選擇門限閥值為9000 r/min，通過采集電機(jī)霍爾信號，計(jì)算出電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的實(shí)際轉(zhuǎn)速，若實(shí)際轉(zhuǎn)速小于9000 r/min，控制器減小PWM占空比，提高輸入功率，提升電機(jī)轉(zhuǎn)速。而當(dāng)轉(zhuǎn)速大于9000 r/min時(shí)，則增加占空比，降低輸入功率，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，低速時(shí)同理，從而保證電機(jī)在檔位要求的速度范圍內(nèi)工作。

4 結(jié) 語

本文的設(shè)計(jì)方法為搖擺電機(jī)提供了一套較完整的解決方案，研究了減速搖擺電機(jī)的減速器傳動比、驅(qū)動電機(jī)工作轉(zhuǎn)速、曲柄搖桿尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法。按文中參數(shù)設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品，通過性能試驗(yàn)完全滿足主機(jī)關(guān)于搖擺刮角、刮刷力矩的使用要求。