基于SolidWorks的電動(dòng)汽車雨刷器設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

于曉麗 李仰歡 李玉娟

摘要：汽車雨刷器是雨天安全行駛的首要保障，鑒于此，針對(duì)某一汽車前窗尺寸，結(jié)合雨刷器的基本構(gòu)造及運(yùn)行原理，對(duì)汽車雨刷器各部分構(gòu)件進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算，并在SolidWorks建模環(huán)境中得到虛擬樣機(jī)，借助SolidWorks中的Motion模塊完成運(yùn)動(dòng)仿真，經(jīng)運(yùn)行模擬，兩個(gè)雨刷器之間無運(yùn)動(dòng)干涉，證實(shí)結(jié)構(gòu)具備合理性，能夠滿足雨天行車要求，且雨刮片質(zhì)心速度運(yùn)動(dòng)曲線、質(zhì)心加速度運(yùn)動(dòng)曲線、質(zhì)心角速度運(yùn)動(dòng)曲線、質(zhì)心角加速度運(yùn)動(dòng)曲線呈現(xiàn)周期變化。

關(guān)鍵詞：汽車雨刷器；三維模型；運(yùn)動(dòng)仿真；周期變化

中圖分類號(hào)：TH122? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）11-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.008

0? ? 引言

Mary Anderson于1903年發(fā)明了手動(dòng)雨刷器，并不斷改進(jìn)完善，注冊(cè)了專利；1962年，Robert Kearns根據(jù)人的生理特征發(fā)明了電動(dòng)間歇雨刷器，即眨眼雨刷，并與福特汽車展開了歷時(shí)33年的維權(quán)之爭(zhēng)，最終勝訴。如今，沈陽工業(yè)大學(xué)的金映麗等人[1]利用Matlab中的SimMechanics模塊對(duì)雨刷器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改善提供參考；王昕燦等人[2]優(yōu)化了雨刷器結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了雨刮面積，并利用ADAMS完成了運(yùn)動(dòng)仿真。雨刷器自始至終服務(wù)于廣大駕駛者，而雨刷器的結(jié)構(gòu)及性能能從根本上影響行車安全，所以，致力于雨刷器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與完善具有現(xiàn)實(shí)意義。

SolidWorks作為一款三維建模軟件，因具備操作簡(jiǎn)易、功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[3]，其內(nèi)置模塊Motion能夠?qū)C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真[4-6]。雨刷器總成由雨刷電機(jī)、減速器、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、雨刮臂及雨刮片等組成[7]，本文基于SolidWorks對(duì)汽車雨刷器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，為工程實(shí)踐與應(yīng)用提供相應(yīng)的理論參考。

1? ? 雨刷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維建模

1.1? ? 設(shè)計(jì)要求

對(duì)某型號(hào)汽車的車窗尺寸進(jìn)行測(cè)量，為140 cm×75 cm，該尺寸在汽車領(lǐng)域較為普遍，具有一定的設(shè)計(jì)研究意義。雨刷器運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)、不卡頓，具有一定周期性，且為保證駕駛員清晰的視野范圍，國(guó)家發(fā)布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是從駕駛員位置和視角考慮的，前車窗玻璃上擦凈的區(qū)域A、B分別為98%、80%[8]，具體如圖1所示。

雨刮片目前已標(biāo)準(zhǔn)化，考慮到互換性與更換便捷性的因素，雨刷器尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)雨刮片。

在雨刷器掛刷的一個(gè)周期內(nèi)，起刮前，雨量較大，應(yīng)保證較高的雨刷速度，保持駕駛員前方視野明朗；回刮時(shí)，雨量較小，可適當(dāng)降低雨刷器速度，進(jìn)一步刮凈雨水，需設(shè)置急回運(yùn)動(dòng)滿足要求，且急回運(yùn)動(dòng)能保證較高的工作效率[9]。

1.2? ? 尺寸綜合及三維建模

為便于控制雨刷器轉(zhuǎn)速，雨刷器采用雨刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)原理為雨刷電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速器，利用連桿將運(yùn)動(dòng)傳遞給刮臂，故選用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，需滿足桿長(zhǎng)條件，即最短桿與最長(zhǎng)桿之和小于等于其余兩桿，且最短桿為連架桿[10]。根據(jù)玻璃尺寸，設(shè)定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)機(jī)架的長(zhǎng)度為210 mm，為保證較大的掛刷角，且使其具備急回特性，得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的兩極限位置，其中曲柄長(zhǎng)68 mm，連桿280 mm，搖桿150 mm，如圖2所示。

如圖2所示，極位夾角為機(jī)構(gòu)處于兩個(gè)極限位置時(shí)曲柄之間的夾角，根據(jù)余弦定理求極位夾角θ為：

行程速比系數(shù)為：

根據(jù)正弦定理可知，擺角Ψ=85°＞80°。根據(jù)上述計(jì)算，該尺寸下的雨刷器具備急回特性，且擺角達(dá)到85°，掛刷面積較大，尺寸的設(shè)計(jì)與選定具備合理性。

對(duì)于雨刮臂尺寸的確定，為滿足互換性要求，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)雨刮臂，雨刮臂標(biāo)準(zhǔn)尺寸有250、280、330、350、380、400、425、450、475、500、530、550、560、600、630、650、670、700 mm。前車窗寬度750 cm，預(yù)留雨刮片的尺寸，選定兩雨刮臂的尺寸為400 mm與500 mm。最終根據(jù)雨刮臂及車窗的尺寸，參照相應(yīng)的國(guó)標(biāo)，選定雨刮片為14 in（35 cm）與26 in（65 cm），分別對(duì)應(yīng)副駕與主駕駛員的視野。

雨刷器分為對(duì)刮與順刮，鑒于人機(jī)工程考慮，且為保證兩雨刷器能協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，充分保障主駕駛員的視線，本文采用順刮方式，通過平行四邊形機(jī)構(gòu)控制兩雨刷器同步運(yùn)動(dòng)。前車窗長(zhǎng)為140 cm，為避免機(jī)構(gòu)與車體發(fā)生沖撞，平行四邊形右鉸鏈與玻璃右側(cè)留有50 mm余量，并設(shè)定兩機(jī)架之間的長(zhǎng)度為650 mm。雨刷電機(jī)選用永磁直流電機(jī)，便于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。綜合上述尺寸及結(jié)構(gòu)，基于三維建模軟件在SolidWorks中得到雨刷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖3所示。

2? ? 運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)果分析

2.1? ? 模型的導(dǎo)入及計(jì)算過程

Motion作為SolidWorks的一個(gè)高性能內(nèi)部插件，具有簡(jiǎn)化約束過程的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)?fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真，從而得知其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生干涉，并可得到相應(yīng)的速度曲線、加速度曲線、角速度曲線等輸出，以便進(jìn)行更深入的記錄與分析，為研究人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)改善與優(yōu)化提供有力參考[6]。本文借助SolidWorks Motion完成運(yùn)動(dòng)仿真及數(shù)據(jù)輸出的整體過程，如圖4所示。

2.2? ? 曲線生成與分析

在SolidWorks Motion運(yùn)動(dòng)仿真插件中，減速器減速比設(shè)定58，設(shè)置三組（低、中、高）不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到對(duì)應(yīng)的動(dòng)畫展示，運(yùn)動(dòng)過程中無卡澀、振動(dòng)現(xiàn)象，兩雨刷器未發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，滿足基本的運(yùn)動(dòng)要求。選擇其中一組轉(zhuǎn)速（雨刷電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min）為研究工況，得到對(duì)應(yīng)的質(zhì)心速度曲線、質(zhì)心加速度曲線、質(zhì)心角速度曲線、質(zhì)心角加速度曲線進(jìn)行分析。

如圖5所示，選擇左右雨刷器質(zhì)心速度曲線進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)，整體上兩者曲線趨勢(shì)相同，步調(diào)一致，協(xié)調(diào)性較好，掛刷一周的周期T=2.5 s，能夠?qū)^大的雨量進(jìn)行掛刷，保證視野清晰。但是，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中刮臂和刮片的尺寸差異，質(zhì)心處于雨刷器的不同位置，故質(zhì)心線性速度并不相同。

在以上結(jié)論的基礎(chǔ)上，針對(duì)左雨刷器的質(zhì)心速度、加速度、角速度、角加速度進(jìn)行分析，如圖6所示。圖6（a）為左雨刷器線性速度曲線，起刮最大線性速度達(dá)1.5 m/s，回刮最大線性速度0.76 m/s，起刮階段速度整體高于回刮階段，具備急回特性；圖6（b）為左雨刷器線性加速度曲線，最大加速度約達(dá)到10 m/s2，且存在加速度尖點(diǎn)，對(duì)雨刷器結(jié)構(gòu)提出了更高的強(qiáng)度要求；圖6（c）為左雨刷器角速度曲線，其曲線輪廓與線速度曲線相似，起刮最大角速度達(dá)175（°）/s，回刮最大角速度90（°）/s，同樣具有急回特性；圖6（d）為左雨刷器角加速度曲線，加速度變化較大，存在加速度尖點(diǎn)，受力情況較差，在設(shè)計(jì)優(yōu)化中應(yīng)將其考慮在內(nèi)。

3? ? 結(jié)語

目前，汽車雨刷器是保障駕駛員視野較為有效的手段與方法，而汽車雨刷器的結(jié)構(gòu)關(guān)乎其性能及交通安全。

本文針對(duì)某種較為普遍的汽車前車窗尺寸，提出一種設(shè)計(jì)思路與方法，基于SolidWorks軟件環(huán)境，結(jié)合曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與平行四邊行結(jié)構(gòu)完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建模，并借助SolidWorks內(nèi)高性能插件Motion完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)仿真，得到各速度曲線，證實(shí)雨刷器同步運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)周期性，無相互干涉，但存在線性加速度與角加速度尖點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方向與參考。

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收稿日期：2023-02-28

作者簡(jiǎn)介：于曉麗（1991—），女，山東齊河人，助教，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。