雨刮-風(fēng)窗接觸系統(tǒng)摩擦振動分析

楊雪，袁濤，郭輝，傅偉，黃雙，張巖

（1.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2.255000 山東省 淄博市 淄博市技師學(xué)院；3.250000 山東省 濟(jì)南市 中國人民解放軍32128 部隊(duì)）

0 引言

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)等主要噪聲源得到大幅改善，原來被忽視的次要噪聲逐漸受到研究學(xué)者的關(guān)注。雨刮-風(fēng)窗系統(tǒng)作為汽車振動和噪聲源之一，合理設(shè)計(jì)使其具有良好特性成為改善車輛NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能的重點(diǎn)之一[1]。但是在眾多的研究中，理論模型忽略了雨刮片現(xiàn)實(shí)工況等影響因素[2-3]，基于試驗(yàn)臺進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，由于其結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)果往往不能有效驗(yàn)證雨刮-風(fēng)窗系統(tǒng)所建立的理論模型[4-6]；基于真實(shí)車輛的實(shí)驗(yàn)研究由于設(shè)備安裝空間有限，所獲結(jié)果亦不足以解釋振動和噪聲產(chǎn)生的機(jī)理[7-9]。

本文基于雨刮片在不同工況下的振動噪聲差異，首先建立考慮反轉(zhuǎn)過程的雨刮片理論模型，計(jì)算求解出雨刮片的摩擦振動特性曲線，然后利用完善的雨刮-風(fēng)窗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對理論模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 雨刮-風(fēng)窗接觸系統(tǒng)摩擦振動理論模型

雨刮-風(fēng)窗接觸系統(tǒng)主要由雨刮片、風(fēng)窗和雨刮臂組成，如圖1 所示；雨刮片細(xì)節(jié)橫截面如圖2 所示。

圖1 雨刮-風(fēng)窗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of wiper-windscreen system

圖2 雨刮片截面圖Fig.2 Cross-sectional view of wiper blades

雨刮片在反轉(zhuǎn)前后振動并產(chǎn)生不利的噪音。本文在Unno 等[10]和Yang 等[11]所構(gòu)建模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將刮片尖部細(xì)分為l1和l2兩部分，并考慮阻尼材料對結(jié)果影響，以更好揭示接觸系統(tǒng)的摩擦振動機(jī)理。理論模型如圖3 所示，雨刮片的頭部由雨刮臂沿水平方向前后移動，頸部和尖部通過連桿連接。

圖3 雨刮片物理模型Fig.3 A link model of wiper blades

圖3（a）和圖3（b）分別顯示了雨刮片連桿模型的靜態(tài)和動態(tài)。坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于平行于雨刮片頭部的位置，X軸和Y軸表示垂直和水平方向。圖3 中：N、Ff——作用在風(fēng)窗表面的法向力和摩擦力；Fe——雨刮臂對刮片施加的法向力；θ、φ——連桿與垂直軸之間的夾角，雨刮片剛接觸掃掠面時，雨刮片直立，θ和φ為0；ls、hd——頭部和支撐側(cè)與X軸的位移。

在鏈接模型中，（x，y），（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）分別表示頭部的位移，頸部、尖部以及尖部頂部的重心。假設(shè)雨刮片是沿Y軸方向的往復(fù)運(yùn)動，頭部的水平位移可以定義為

式中：a——振幅；ω——角頻率；Y——位移，已知量。

其余不同部位的水平位移可以表示為

各部分沿X軸的位移可以表示為

雨刷片約束可以表示為

根據(jù)D Alembert's 原理，∑MC=0，

無量綱參數(shù)定義如表1 所示，則頸部和尖部的角加速度方程可改寫為

表1 某些無量綱參數(shù)及其表達(dá)式Tab.1 Some dimensionless parameters and their corresponding expressions

式（12）、式（13）中A、B、C根據(jù)現(xiàn)實(shí)運(yùn)行工況確定。

2 數(shù)值仿真

利用龍格-庫塔法（Runge-Kutta methods）求解式（12）和式（13）[12]。其中雨刮片轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 m/s，雨刮片的初始條件（t=0）設(shè)置如表2 所示（其余模型參數(shù)值借鑒文獻(xiàn)[10-11]）。為了便于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，角加速度在求解之后直接轉(zhuǎn)化為振動加速度aφ和aθ。

表2 數(shù)值仿真中初始參數(shù)值設(shè)置Tab.2 Setting of initial parameter values in the simulations

圖4 為數(shù)值仿真的雨刮片不同部位2 個周期的運(yùn)動，每個周期約為2.5 s。加速度的正、負(fù)值表示刮刷方向（假設(shè)向上刮刷為正）。從圖4 可見，刮片在反轉(zhuǎn)后（如2.5 s時）產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊振動，振動加速度的最大值約為63 m/s2。由3.4～4.2 s 的局部放大圖可知，當(dāng)雨刮片在3.8 s 處反轉(zhuǎn)時，反轉(zhuǎn)前的低頻顫振在反轉(zhuǎn)后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈的高頻振動。此外，雨刮片的尖端和頸部產(chǎn)生的是同頻振動，且尖端的角加速度大于頸部的角加速度。

圖4 雨刮片在1 m/s 速度下振動加速度aφ 和aθ Fig.4 Simulated results of vibration accelerations aφ and aθ of wiper blade angle at a speed of 1 m/s

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

應(yīng)用雨刮-風(fēng)窗摩擦振動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證理論模型的有效性，如圖5 所示，測試系統(tǒng)主要包括驅(qū)動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電腦等。雨刮片的振動加速度采用32 通道LMS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測量，采樣頻率為6 400 Hz，頻率分辨率為1 Hz。與真實(shí)車輛的實(shí)驗(yàn)不同，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在雨刮片上安裝振動傳感器，且刮刷速度、反轉(zhuǎn)速度及反轉(zhuǎn)時間可在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)伺服電機(jī)的控制下改變。

圖5 雨刮-風(fēng)窗摩擦振動實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.5 Experimental system for measuring wiperwindscreen frictional vibration

雨刮片以1 m/s 的速度刮刷時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的振動加速度信號如圖6 所示。為便于驗(yàn)證理論模型的有效性，實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真速度設(shè)置為相同的值。圖6 為11 s 內(nèi)雨刮片的刮刷運(yùn)動，其中每個刮刷周期的持續(xù)時間約為2.5 s，振動加速度正負(fù)值與數(shù)值仿真中的含義相同。由圖6 可見，反轉(zhuǎn)后的振動最明顯，每次反轉(zhuǎn)后（例如7.3 s）會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊振動，最大振動加速度約為65 m/s2，與第2 節(jié)獲得的數(shù)值仿真結(jié)果較好地吻合。由局部放大圖可見，在反轉(zhuǎn)之前振動衰減，當(dāng)雨刮片在11 s 反轉(zhuǎn)時，反轉(zhuǎn)前的低頻顫振迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)后的高頻振動，該結(jié)果與圖4 的仿真結(jié)果相同。

圖6 以1 m/s 速度運(yùn)動的雨刮葉片振動加速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of vibration acceleration of wiper blade moving at a speed of 1 m/s

通過以上比較可以得出，反轉(zhuǎn)沖擊振動和反轉(zhuǎn)前后加速度變化模式等實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果具有較好的一致性。因此，本文提出的雨刮片理論模型在計(jì)算振動特性上是準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論

本文建立了用于研究雨刮-風(fēng)窗接觸系統(tǒng)摩擦振動的理論模型。通過考察接觸系統(tǒng)工作反轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動及異響，綜合考慮雨刮片截面細(xì)節(jié)建立并推導(dǎo)了動力學(xué)解析式。采用龍格-庫塔法對解析式進(jìn)行求解，模擬了雨刮片產(chǎn)生的振動及反轉(zhuǎn)情況。仿真結(jié)果表明，葉片的頸部和尖部在工作中的振動為同頻振動。利用雨刮-風(fēng)窗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了摩擦振動實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)了雨刮片的振動行為，同時證明在1 m/s 的常用工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了所建理論模型的有效性。本文所建立的理論模型和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果可為雨刮片結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定參考。