基于剛?cè)狁詈吓c聯(lián)合仿真的動(dòng)車組刮雨器動(dòng)力學(xué)研究

何岳平， 劉志鵬， 彭高清

（湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司，湖南株洲412001）

0 引 言

由多個(gè)物體通過運(yùn)動(dòng)副連接的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)稱為多體系統(tǒng)，其可分為剛性多體系統(tǒng)、柔性多體系統(tǒng)和剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)[1]。目前應(yīng)用在高速動(dòng)車組上的電動(dòng)刮雨器四連桿具有急性回轉(zhuǎn)特性，其特點(diǎn)為空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，同時(shí)在1個(gè)周期中角速度方向改變2次，瞬時(shí)角加速度達(dá)到峰值，而不同的刮刷角度所帶來的加速度變化各不相同，致使雨刮系統(tǒng)刮刷時(shí)產(chǎn)生較大的瞬間沖擊載荷，容易破壞刮雨器的薄弱環(huán)節(jié)（轉(zhuǎn)動(dòng)板及擺動(dòng)板），縮短刮雨器的使用壽命甚至影響行車安全。因此本文將整個(gè)刮雨器系統(tǒng)構(gòu)成的部件作為剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)來研究刮雨器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是十分必要的，也是研究機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)很重要的技術(shù)和方法。

1 高速動(dòng)車組刮雨器簡介及關(guān)鍵部件分析

刮雨器安裝在司機(jī)室車輛前窗玻璃下方，在需要時(shí)可清除前窗玻璃上的雨水及其他遮擋物（昆蟲、泥漿等），為司機(jī)提供清晰的視野，保證行車安全[2]。高速動(dòng)車組采用的主要是電動(dòng)刮雨器，其工作原理是通過直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)，把連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)樽笥覕[動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)置蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)以達(dá)到減速增扭作用。對于驅(qū)動(dòng)總成和刮臂組成，其關(guān)鍵部件主要為轉(zhuǎn)動(dòng)板、擺動(dòng)板、延伸臂和基座，上述所定義的關(guān)鍵部件主要在運(yùn)行過程中所承受交變載荷大，分析其運(yùn)行過程中的載荷對整個(gè)刮雨器的可靠性具有重要意義。

2 復(fù)雜剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)建模中的關(guān)鍵技術(shù)

鑒于雨刮系統(tǒng)的復(fù)雜性及后續(xù)分析的準(zhǔn)確性，本文采用Flex法對驅(qū)動(dòng)部件生成模態(tài)中性文件來建立柔性體模型[3]，并導(dǎo)入到ADAMS中分析研究各關(guān)鍵部件之間的連接，進(jìn)而為后續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

2.1 剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)及有限元模型的建立

鑒于上述規(guī)定了各總成的關(guān)鍵部件，本節(jié)描述柔性體模型的建立。在建立幾何模型時(shí)，忽略總成上用于裝配其他部件的螺釘、螺母、零件中面與面之間較小的倒角和圓角，以及對力學(xué)結(jié)構(gòu)影響較小的一些工藝結(jié)構(gòu)。將關(guān)鍵部件通過ANSYS與ADAMS的接口將剛性體轉(zhuǎn)化為柔性體，在此處理過程中一定要保證在ANSYS和ADAMS處理環(huán)境中的單位一致、材料屬性一致[4]。具體材料屬性如表1所示。

基于上述兩點(diǎn)，將3D模型轉(zhuǎn)入ANSYS環(huán)境中，處理的結(jié)果如圖1所示，其他關(guān)鍵部件的柔性體在此不列出。

2.2 剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)仿真環(huán)境設(shè)置

為后續(xù)關(guān)鍵部件載荷施加及結(jié)構(gòu)分析，需對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，其目的是通過考察機(jī)構(gòu)各鉸鏈及各部件的相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析系統(tǒng)相關(guān)部件的速度和加速度等參數(shù)的變化情況及運(yùn)動(dòng)過程中沖擊載荷對系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響。

表1 驅(qū)動(dòng)總成及刮臂組成各關(guān)鍵部件材料參數(shù)

圖1 ADAMS環(huán)境中柔性體總成

進(jìn)行仿真過程中按照實(shí)際工況添加相應(yīng)的約束副和材料屬性，本分析設(shè)定模型仿真時(shí)間為2.67 s，步長為200步。約束副定義：安裝支架與軸套固定約束；連桿與小軸球鉸副；電動(dòng)機(jī)輸出軸與蝸殼旋轉(zhuǎn)副；傳動(dòng)軸、從動(dòng)軸與軸套旋轉(zhuǎn)副；刮臂與輸出軸、從動(dòng)軸為固定副；其他部件采用固定副。驅(qū)動(dòng)參數(shù)：270 r/min。旋轉(zhuǎn)副之間的摩擦因數(shù)：橡膠與鋼之間的摩擦因數(shù)（靜摩擦因數(shù)為0.10，動(dòng)摩擦因數(shù)0.05）；鋼與鋼之間的摩擦因數(shù)（靜摩擦因數(shù)為0.15，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.10）。加載情況：根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)分析，整個(gè)刮臂刮片承受的力為10.2 N。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真分析

對上述結(jié)構(gòu)等效簡化后，應(yīng)用ADAMS對刮雨器實(shí)際運(yùn)用工況下的各相應(yīng)MAIKER點(diǎn)和鉸鏈點(diǎn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量分析，主要涉及刮刷角度、角速度及角加速度和對轉(zhuǎn)動(dòng)板與擺動(dòng)板連接處轉(zhuǎn)動(dòng)副所承受的力矩進(jìn)行測量，仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 刮刷角度曲線圖

圖3 角速度曲線圖

圖4 角加速度曲線圖

由圖2～圖4結(jié)果分析，在刮雨器工作過程中，其最大刮刷角度范圍131.8°～44.6°，即刮刷角度為87.2°，滿足設(shè)計(jì)要求90°±3°。隨著刮刷角度的遞增，其角速度也增大，經(jīng)測量最大角速度為3.79 rad/s，分析此點(diǎn)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)板與連桿成重合狀態(tài)，而此時(shí)加速度最小。同理可以分析，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)板與連桿共線時(shí)速度達(dá)到最小，角加速度達(dá)到最大值（29.38 rad/s2）。上述這種角速度與角加速度的變化特性關(guān)系符合四連桿的運(yùn)動(dòng)特性，也滿足設(shè)計(jì)的總體要求。

由圖5可知，轉(zhuǎn)矩值最大位置處在連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)板重合位置，最大值為15.43 N·m，平均轉(zhuǎn)矩為4.3 N·m。由于采用柔性體分析，其節(jié)點(diǎn)隨著運(yùn)動(dòng)而發(fā)生位移，造成轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)多處拐點(diǎn)，但并不影響整個(gè)系統(tǒng)分析的結(jié)果。而由圖6可知，轉(zhuǎn)矩值最大位置處在連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)板共線時(shí)，此時(shí)加速度最大，最大值為20.24 N·m，平均轉(zhuǎn)矩為4.418 N·m，整體轉(zhuǎn)矩的變化符合四連桿的急性回轉(zhuǎn)特性。

圖5 連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)板連接處轉(zhuǎn)矩曲線

4 柔性體關(guān)鍵部件的強(qiáng)度分析

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果及剛?cè)狁詈舷档挠邢拊Ｐ?，測量柔性體的應(yīng)力情況，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)動(dòng)板、擺動(dòng)板應(yīng)力云圖

由圖7、圖8可知，轉(zhuǎn)動(dòng)板和擺動(dòng)板最大的應(yīng)力值為18.4 MPa和47.7 MPa，兩種關(guān)鍵部件的平均等效應(yīng)力為4.04 MPa和12.48 MPa，屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)取1.15，拉伸強(qiáng)度的安全系數(shù)取1.5，經(jīng)計(jì)算可得：205÷1.15=178 MPa，520÷1.5=347 MPa，均大于轉(zhuǎn)動(dòng)板和擺動(dòng)板最大應(yīng)力值。因此從理論計(jì)算結(jié)果可以說明，轉(zhuǎn)動(dòng)板和擺動(dòng)板的強(qiáng)度均滿足要求。同時(shí)從轉(zhuǎn)動(dòng)板應(yīng)力分布云圖來看，其在運(yùn)行過程中主要是中間受力較大，這是由其結(jié)構(gòu)（僅中間開槽）所決定的，而擺動(dòng)板主要是在分布在與小軸的鉚接處，因此從后續(xù)設(shè)計(jì)考慮應(yīng)加強(qiáng)該處的鉚接工藝或優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以確保其穩(wěn)定性、可靠性。綜上所述，在刮雨器的運(yùn)行過程中，各關(guān)鍵部件的強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)動(dòng)板、擺動(dòng)板等效應(yīng)力曲線

5 結(jié) 語

采用Flex方法生成了電動(dòng)刮雨器關(guān)鍵部件模態(tài)中性文件，并建立了柔性體模型，基于ADAMS環(huán)境對柔性體模型進(jìn)行了關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真，并分析了刮雨器運(yùn)行過程中關(guān)鍵部件的力學(xué)變化曲線，通過加載力學(xué)變化曲線研究了電動(dòng)刮雨器柔性關(guān)鍵部件在工作過程中應(yīng)力云的變化，提出了轉(zhuǎn)動(dòng)板、連桿重合和共線狀態(tài)時(shí)，角速度及角加速變化特性和擺動(dòng)板應(yīng)力較大處的鉚接工藝，總結(jié)出采用剛?cè)狁詈下?lián)合仿真的方法能有效解決系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中的薄弱點(diǎn)，可為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。