汽車刮水器設計優(yōu)化及分析驗證

柴 東，孟 鴿

（遼寧裝備制造職業(yè)技術學院，遼寧 沈陽 110161）

0 引 言

汽車刮水器是保障駕駛人行車安全必不可少的元件，它能把駕駛途中遇到的雨雪以及泥沙、灰塵等污漬清除掉，為駕駛人提供安全行車視野，即使在惡劣天氣下也能夠保障行車安全。隨著車型不斷推新，每款汽車產(chǎn)品所對應的刮水器系統(tǒng)也各有差異，同時隨著極端天氣頻繁發(fā)生，對汽車刮水器的使用環(huán)境有了更高的要求，這給設計工作帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。

在汽車刮水器模型設計階段，為了積極地應對市場需求、用車場景變化帶來的挑戰(zhàn)，常常伴隨著刮水器各桿件設計參數(shù)的不斷調(diào)整，而一個或幾個桿件的參數(shù)變化會導致連桿類型和運動特性的變化。在建模設計時參數(shù)調(diào)整不能完全依賴經(jīng)驗，需要嚴謹?shù)挠嬎慵膀炞C。本文主要在刮水器建模時進行設計優(yōu)化，并對其進行數(shù)模分析及仿真驗證。

1 刮水器模型設計優(yōu)化

目前汽車上的刮水器種類很多，按刮臂擦拭樣式分類可分為串聯(lián)式、對稱式、單一式，如圖1 所示，其中串聯(lián)式刮水器形式最為普通，應用也最為廣泛，大都應用在家用車型上，也是本文所研究的刮水器類型。對稱式刮水器通常應用于大型客車、重型貨車上，其特點是刮水器結構需要較大空間，因此具有較大的刮刷面積，但缺點是質量大、價格昂貴。單一式刮水器則具有擦拭效果好、結構簡單等特點，通常用于擦拭城市SUV、MPV 等車型的后擋風玻璃。

圖1 擦拭樣式類刮水器

本文以乘用車中應用最廣的串聯(lián)式刮水器作為主要研究對象，串聯(lián)式刮水器即四連桿左右搖擺式刮水器（下稱刮水器），該類型刮水器具有典型的四連桿機構特點，結構簡單、運動靈活、可實現(xiàn)運動形式的轉變和進行力的傳遞。該刮水器工作原理是整體封裝在電機殼體中的蝸輪蝸桿機構實現(xiàn)垂直交叉軸的動力傳遞，帶動曲柄圓周轉動，通過主刮連桿使主刮擺桿往復運動，從而帶動安裝在主刮擺桿輸出軸上的主刮臂做往復擺動[2]。刮臂又帶動刮片做往復擺動，清除擋風玻璃上附著的雨水、雪或灰塵等，圖2 為刮水器結構簡圖。

圖2 刮水器結構簡圖

在確定汽車刮水器連桿尺寸參數(shù)時，要考慮前擋風玻璃尺寸、上蓋板下面的刮水器連桿運行空間等多種因素，其中曲柄長度不大于0.15 m，2 個刮臂回轉中心距離固定為0.31 m，綜合各種因素選定刮水器各連桿初始設計參數(shù)x1= [0.15 0.23 0.25 0.31]，再運用Solidworks 三維設計軟件繪制出刮水器三維模型，如圖3 所示。為保證刮水器模型在更新連桿尺寸參數(shù)時不出錯，模型的裝配順序非常重要，該模型將刮水器電機總成作為插入的第一個零件，各連桿由中心向外依次裝配，其中刮臂支撐座固定在車架上，因此需要對其添加固定約束。建立好刮水器模型后，再進行干涉檢查，保證模型可以正常運動。整個刮水器裝配體包括外購件、標準件以及自制件3 種類型的零件，其中刮水器電機總成屬于外購件，其型號的選取由車型、刮水頻率等因素決定。本文選取的刮水器電機功率為50 W，低速轉速為42 r/min，高速轉速為60 r/min。

圖3 刮水器三維模型

在實際設計工作中，常常由于客戶要求更改技術參數(shù)、刮水器運行空間變化等因素，需要對原始設計參數(shù)進行改動，而刮水器各連桿尺寸更改對整個刮水器連桿類型以及運動特性都有很大影響，甚至三維模型出現(xiàn)報錯等問題。假設更改后的刮水器連桿設計參數(shù)x2=[0.15 0.23 0.2 0.31]。以往設計經(jīng)驗通常會直接在Solidworks 軟件內(nèi)的某桿件模型下對草圖進行參數(shù)修改，在更改尺寸參數(shù)后，與之配合的桿件尺寸不變，原有的配合關系、定位關系會發(fā)生變化，此時出現(xiàn)曲柄桿件與中心輪不同心配合關系報錯提示，如圖4 所示。需依次查找報錯提示，并重新配合和定位，再更新模型檢查報錯是否消失，這嚴重降低了設計效率。

圖4 報錯提示窗口

為了快速且準確找到符合要求的刮水器設計參數(shù)，用Matlab 編輯了機構類型判斷rodjudgment.m 文件?？上葘嗡鬟M行類型判斷，保證在輸入連桿參數(shù)后得到的是符合要求的曲柄搖桿機構。若輸入模型參數(shù)后，得到其他類型的連桿機構，則需要對連桿參數(shù)進行調(diào)整，保證在對刮水器三維模型更新后，不出現(xiàn)建模報錯、各構件配合關系不正確等問題，得到所求的刮水器三維模型。刮水器連桿機構類型判斷程序文件rodjudgment.m 運行步驟為：①依次輸入各個連桿的長度ri，并找出最長桿y 與最短桿z；②利用曲柄搖桿的判定準則，最長桿與最短桿的長度之和小于其他兩桿之和2×(y+z)＜r1+r2+r3+r4；③確認最短桿對面是否為機架；④得到該機構是否為曲柄搖桿機構。根據(jù)上述運行步驟編寫代碼如下：

disp('刮水器連桿類型判斷')；disp('請輸入刮水器連桿長度');

%依次輸入各連桿尺寸

r1=input('r1=');r2=input('r2=')；r3=input('r3=')；r4=input('r4=');

x=[r1r2r3r4]；y=max(x)；z=min(x);

fprintf (' 最長桿%3.2f ',y)；fprintf (' 最短桿%3.2f ',z);

%開始對刮水器進行類型判斷

if 2*(y+z)＜r1+r2+r3+r4

disp('最短桿的對邊不是機架請輸入1，否則輸入0')

else disp('該刮水器連桿尺寸錯誤')

k=input('k=')；

if k==1

disp('該刮水器連桿類型為曲柄搖桿')

else if k==0

disp('請重新輸入刮水器連桿尺寸')

end；end；end

在Matlab 命令提示符下依次輸入更改后的刮水器連桿設計尺寸x2=[0.15 0.23 0.2 0.31]，經(jīng)過判斷后，結果為當前刮水器連桿尺寸錯誤。則其不是曲柄搖桿機構，需要繼續(xù)進行尺寸參數(shù)優(yōu)化，最終確定刮水器連桿設計尺寸x3=[0.10 0.25 0.18 0.31]，得出該組尺寸參數(shù)下刮水器為曲柄搖桿機構，為接下來的三維建模工作和運動分析提供可靠尺寸參數(shù)，提高了四連桿機構設計工作效率。

2 刮水器數(shù)學模型分析

為了驗證經(jīng)過rodjudgment.m 文件優(yōu)化設計尺寸后的刮水器模型的運動特性是否滿足設計要求，需要進一步對刮水器模型分析。隨著各類計算方法軟件的發(fā)展，將具體機構運動問題抽象成數(shù)學解析式的方法被廣泛應用在機械設計、汽車制造等工程領域。

本文將刮水器各連桿參數(shù)化處理，以便后續(xù)模型解析和仿真分析。其中，曲柄OA 以角速度ω 順時針繞O 點轉動，在連桿及擺桿的帶動下，刮臂左右往復擺動且角速度相同，主刮連桿長度lAB，擺桿長度為lBC，刮臂長度為lH，兩個刮臂的轉軸位置水平方向長度為lCC"，曲柄初始轉角φ1，連桿轉角φ2，刮臂擺角φ3。

建立平面直角坐標系，將刮水器主刮機構OABC 看成一個封閉的矢量多邊形[3]，如圖5 所示。已知各桿的長度，則該機構的封閉矢量方程式為：

圖5 刮水器主刮機構矢量圖

令角φi取x 軸的正向逆時針方向度量，將式(1)以復數(shù)形式表示得，

將式（2）按歐拉公式展開得，

式（3）的實部與虛部應分別相等，得到，

式（4）可采用Matlab 工具編程求解，對于刮水器機構來說，其各連桿長度、曲柄位置確定后，利用牛頓辛普森算法來對非線性超越方程組進行求解[4]。確定刮水器位置初始值后，對式（4）連續(xù)求解兩次導數(shù)，即可得到刮水器主刮連桿、擺桿的角速度和角加速度方程：

3 刮水器仿真分析驗證

通過上節(jié)刮水器的數(shù)學模型分析，下一步在Simulink 仿真界面建立運動學仿真流程，如圖6 所示。Function 模塊中的four_bar.m 文件根據(jù)式（5）和（6）編寫。流程圖中各積分器的初始值的精度會對后面的仿真結果有著很重要的影響，這是求解積分方程相關問題的關鍵一環(huán)，因此采用將初始值直接設置在環(huán)境變量中，只需在命令窗口為變量名賦值，而不是雙擊積分器圖表更改初始值欄中的值，這使得在計算更復雜的幾何關系時仿真仍可得到較高的精度[5]。

圖6 刮水器連桿機構Simulink 仿真圖

刮水器連桿尺寸采用最終確定的刮水器連桿設計尺寸x3=[0.10 0.25 0.18 0.31]，設定刮水器連桿的曲柄初始角φ1為0°，勻速轉動且轉速為50 r/min，此時連桿轉角φ2=44.0353°和刮臂擺角φ3=96.7819°，根據(jù)式（5）和（6）可以求得連桿和刮臂的角速度均為-24.852 7 r/s。設置好各初始值后即可進行刮水器連桿機構運動學仿真，最終通過scope模塊可以得到連桿和刮臂的運動參數(shù)變化曲線，再通過plot 命令繪制各桿件的角位移、角速度和角加速度隨曲柄轉動角度之間的變化曲線圖，分別如圖7～9 所示。

圖7 連桿和刮臂角位移曲線圖

圖8 連桿和刮臂角速度曲線圖

圖9 連桿和刮臂角加速度曲線圖

從圖7 可知，刮水器主刮連桿的轉動角度在6.481 8°～65.467 2°內(nèi)來回變化，且在曲柄旋轉到85°和260°時主刮連桿處于2 個極限位置。從角速度和角加速度的變化曲線圖可看出此刮水器存在急回特性，具備在使用過程中快速回到初始位置的功能，滿足設計要求，符合實際使用場景需要。

4 結 語

在汽車刮水器模型設計過程中，常伴隨著刮水器各桿件設計參數(shù)的不斷更改而帶來的建模錯誤以及設計效率較低等問題。本文利用Matlab 軟件先對刮水器原始設計參數(shù)進行機構類型判斷，再對模型尺寸參數(shù)進行設計優(yōu)化，并進行數(shù)學模型分析以及Simulink 仿真分析驗證，準確直觀地得到各構件位置、角速度和角加速度的變化關系，保證了建立的刮水器模型滿足技術要求，也為后續(xù)的參數(shù)調(diào)試提供幫助，在實際的設計工作中提高了設計質量和效率。