前雨刮器“咕咚”音研究及計算軟件開發(fā)

中圖分類號：U462 收稿日期：2025-05-14 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.024

Study on the “Gudong” Sound and Development on the Calculation Software about the Front Wiper

Han Erhongl Zhang Hongxia2 1.Hebei Automotive Technology Innovation Center，Great Wall Motor，Baoding O710oo，China 2.Ifyou Tech Co.，Ltd.，Baoding 07100o，China Abstract：Throughanalyzingthemechanismbehindthe“Gulping”abnormalnoisegenerationin front windshield wipers，it was discoveredthatangularaccelerationisthecoreinfluencingfactor.Aspatialfour-barlinkagemodelwasestablishedtoderiveteagular acelerationcalculationformula，andPython-basedsimulationsoftwarewasdevelopedtoeficientlycomputewipermotionparameters. This approach significantly improved the efficiency of design and development processes.

Key words：“Gulping”sound;Front windshield wiper;Four-bar linkage in space;Angular acceleration;Python

1前言

隨著汽車普及和生活水平提升，汽車已成為生活必需品，消費者對舒適性提出了更高的要求。前雨刮器運轉(zhuǎn)時的振動與噪聲影響駕乘舒適度與行車安全1，優(yōu)化其噪音問題成為汽車制造商的關(guān)鍵技術(shù)課題。

2前雨刮器運轉(zhuǎn)噪聲評測

某公司前雨刮在低/高速擋位的刮片翻轉(zhuǎn)異響（“咕咚\"音）平均響度分別為7.9sone和 9.0sone ，與歐洲車型持平，但較日系競品分別高出1.1sone和0.6 sone。經(jīng)評測團隊驗證，該前雨刮的異響明顯且動作流暢度不足，建議優(yōu)化以縮小與日系標(biāo)桿車型的差距。

3雨刮“咕咚”音產(chǎn)生機理研究

前刮水器系統(tǒng)主要由電機連桿總成、左右雨刮臂及刮水片、裝飾附件組成。

電機連桿總成為空間四連桿機構(gòu)，電機軸12驅(qū)動曲柄4旋轉(zhuǎn)，經(jīng)短連桿10帶動左搖臂7擺動，從而驅(qū)動左雨刮臂及刮水片往復(fù)運動。同時，左搖臂7通過長連桿13聯(lián)動右搖臂1，同步實現(xiàn)右雨刮臂及刮水片的協(xié)同擺動，如圖1所示。

雨刮片來回移動時，到達兩端極限位置會轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向瞬間，摩擦力使其刃口翻轉(zhuǎn)并上下晃動，輕微撞擊玻璃，發(fā)出“咕咚\"音。

圖1連桿和電機總成及空間四連桿機構(gòu)

1.右搖臂2.右搖臂軸3.電機4.曲柄5.安裝支架及軸套6.左搖臂軸7.左搖臂8.球銷39.球銷210.短連桿11.球銷112.電機軸13.長連桿14.球銷軸 L₁L₂L₄L₃ω₁

雨刮片產(chǎn)生的聲音大小由其對玻璃的垂直沖擊力F_V 決定，該沖擊力與翻轉(zhuǎn)過程中的垂直速度 V_ν 成正比，而 V_?V 由水平速度 V_H 乘以結(jié)構(gòu)系數(shù) C（C 由雨刮片結(jié)構(gòu)決定）得到，且 V_H 初始值為零。系統(tǒng)質(zhì)量 ?_m 恒定， F_V 的計算基于沖量定理與牛頓第二定律。根據(jù)沖量原理可知：

F_?Vt=mV_?V=CmV_?H

速度翻轉(zhuǎn)，初速度為0，根據(jù)牛頓第二定律：

V_?H=at

將式（1）代入式（2），得：

F_v=C_ma

沖擊力 F_v 與加速度 Ψ_a 成正比，加速度 Ψ_a 越大，雨刮片運動時間 Ψ_t 越短， F_V 就越大，“咕咚”音也就越大。

在四連桿機構(gòu)中通常采用角速度 ω 和角加速度 ε 來表示其運動參數(shù)2。這些參數(shù)與速度 σ_v 和加速度 α_a 之間呈正比關(guān)系。通過計算角加速度 ε ，可有效地用于判斷“咕咚”音的大小。

4角加速度計算

電機恒速旋轉(zhuǎn)通過空間四連桿機構(gòu)驅(qū)動搖臂軸，使雨刮片實現(xiàn)變速往復(fù)運動，轉(zhuǎn)向附近角加速度最大[]。機構(gòu)的曲柄長度、連桿長度及軸系布局直接影響搖臂角加速度[4-5]。因雨刮片與搖臂為剛性連接，其運動特性可通過搖臂分析直接推導(dǎo)。左舵車型左雨刮靠近駕駛員，其異響更顯著，故選其為研究對象，右雨刮可同理分析。通過空間四連桿模型6求解搖臂的位移、速度和加速度[7]：

動力傳遞： h₁ 曲柄作為原動件與電機軸剛性連接，勻速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)角 θ₁? 角速度 ω₁ ）。

傳動結(jié)構(gòu)：短連桿 l₂ 通過球銷副連接 h₁ 和左搖臂h₃ ，驅(qū)動 h₃ 繞軸往復(fù)運動（轉(zhuǎn)角 θ₃ 角速度 ω₃ 。

參數(shù)定義：電機軸 A 與左搖臂 D 的轉(zhuǎn)動副相對位置由參數(shù) h₄ （兩軸最短距離） （左搖臂有效長度） ?s₄ （電機軸有效長度）及 α₃₄ （兩軸相對角度）描述。所有參數(shù)通過實際測量確定。

左搖臂軸與從動件 h₃ 為剛性連接，求出 h₃ 的運動參數(shù)，即可得出左搖臂軸及雨刮片的對應(yīng)運動參數(shù)。

球銷副的中心 B 和 c 在坐標(biāo)系 x₄y₄z₄ 中的位置分別由向量 [x₄^（B）y₄^（B）z₄^（B） ]T和 ]T表示[8]。連桿 l₂ 長度恒定，滿足桿長不變公式：

[x₄^（B）-x₄^（C）]²+[y₄^（B）-y₄^（C）]²+[z₄^（B）-z₄^（C）]²=l₂²

基于空間坐標(biāo)變換矩陣，建立位移方程求解，并代入式（4），得：

Asinθ₃+Bcosθ₃+C=0

搖臂的運動角度：

式中， M=±1 為模型參數(shù)，針對雨刮器結(jié)構(gòu) M=1 。

對 θ₃ 求導(dǎo)，得連桿3的角速度 和角加速度 為：

D=

通過CATIA測量電機連桿總成的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合計算公式可得出左搖臂的運動參數(shù)及雨刮片的運動角度、速度與角加速度。

5計算軟件開發(fā)

該公司現(xiàn)有雨刮運動參數(shù)計算依賴于供應(yīng)商數(shù)據(jù)和DMU模擬。供應(yīng)商數(shù)據(jù)獲取溝通低效且準(zhǔn)確性差，DMU操作復(fù)雜易出錯，設(shè)計變更需重新建模工作量激增。隨項目數(shù)量快速增長，現(xiàn)有模式已無法滿足效率需求，開發(fā)專用計算軟件迫在眉睫。

5.1開發(fā)環(huán)境搭建

因Python的語法簡潔、功能強大且應(yīng)用廣泛，故選擇其作為開發(fā)語言，開發(fā)環(huán)境采用Python3.8與PyCharmIDE，界面設(shè)計基于PyQt5工具包和Designer工具來實現(xiàn)。

5.2軟件模塊與邏輯

將軟件劃分為主程序、用戶界面及計算公式三個模塊，便于分別開發(fā)調(diào)試且互不干擾；通過導(dǎo)入機制整合到主程序，形成完整的計算程序。

5.2.1主程序

主程序負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)管理運算流程，涵蓋庫/模塊導(dǎo)人、任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定性保障及初始化。

導(dǎo)入必要模塊（sys/math/UI/formula）及PyQt5組件（QApplication/QMainWindow等），構(gòu)建數(shù)學(xué)計算與可視化界面。定義MyMainForm類初始化UI并綁定按鈕點擊事件，通過 Q_t 的信號-槽機制實現(xiàn)用戶交互響應(yīng)。

系統(tǒng)采用三個全局列表plot_theta、plot_omega、plot_epsilon存儲輸入輸出數(shù)據(jù)。通過getstr獲取用戶輸入、floatstr實現(xiàn)字符串轉(zhuǎn)浮點、len_cal處理四連桿長度動態(tài)變化。核心cal（函數(shù)以360步迭代計算，調(diào)用公式模塊將結(jié)果存入列表。通過ang_cur確定角度變化區(qū)間，vel_cur和acc_cur（分別計算角速度和角加速度極值，三者協(xié)同生成可視化圖表。所有函數(shù)均嵌入try-except異常處理機制，顯著提升程序容錯性和運行穩(wěn)定性。

基于Python的GUI應(yīng)用程序，利用PyQt5框架構(gòu)建入口點和運行邏輯，創(chuàng)建直觀友好的圖形界面。

5.2.2用戶界面

使用PyCharmDesigner設(shè)計界面，通過7個QGroupBox劃分功能區(qū)：電機總成、主動連桿、主動搖臂、軸線關(guān)系、計算結(jié)果、圖示展示、開發(fā)信息。各區(qū)域包含標(biāo)題標(biāo)簽（QLabel）、文本輸入框（QLineEdit）、數(shù)值調(diào)節(jié)器（QDoubleSpinBox）和操作按鈕（QPushButton），布局緊湊合理，界面簡潔實用。

5.2.3計算公式

Formula模塊基于Pythonmath庫實現(xiàn)運動參數(shù)計算功能，包含兩個核心函數(shù)：dis_two_poi用于計算空間坐標(biāo)點間距離；Ang_vel_acc通過四連桿機構(gòu)運動學(xué)公式計算角度、角速度及角加速度。模塊采用try-except異常處理機制保障程序穩(wěn)定運行，防止意外錯誤導(dǎo)致程序中斷或線程阻塞。

5.3效果展示

使用Python打包工具生成Windows應(yīng)用程序。輸入CATIA測量的長度和角度數(shù)據(jù)，點擊計算即可獲取主動搖臂的角度、角速度、角加速度。

點擊“輸出曲線\"按鈕生成時程曲線圖，發(fā)現(xiàn)雨刮片運動方向翻轉(zhuǎn)后出現(xiàn)兩個角加速度峰值，其中A柱側(cè)翻轉(zhuǎn)后的加速階段峰值2最大。程序結(jié)果與DMU模擬數(shù)據(jù)一致，且輸出曲線還包含角加速度方向信息，如圖2所示。

調(diào)整曲柄、搖臂等運動部件尺寸時，系統(tǒng)可實時計算并更新結(jié)果，動態(tài)優(yōu)化能力超越傳統(tǒng)DMU模擬，顯著提升優(yōu)化效率。

軟件將雨刮片運動參數(shù)獲取時間從4h縮短至5min ，效率提升超 99% ，擺脫對外部供應(yīng)商和DMU模擬的依賴，既可縮短研發(fā)周期、填補技術(shù)空白，又可擴展至其他工程領(lǐng)域。

6結(jié)語

針對雨刮器異響問題，研究發(fā)現(xiàn)角加速度是主因。通過構(gòu)建空間四連桿模型來推導(dǎo)角加速度公式，并開發(fā)基于Python的參數(shù)計算工具。該方案融合機械工程與編程技術(shù)，實現(xiàn)運動參數(shù)智能化計算，有效提升研發(fā)效率、降低成本，為行業(yè)提供自動化解決方案。

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作者簡介：

韓二紅，男，1979年生，高級工程師，研究方向為汽車車身設(shè)計及開發(fā)。