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汽车雨刮器的设计与动力学分析
汽车雨刮器的设计与动力学分析
摘要
汽车在人们的日常生活中已经十分重要,作为汽车重要的安全件之一的雨刮器的地位日益提高,人们对雨刮器越来越重视。
人们在日常生活中经常使用雨刮器,只要是适应雨天行驶的交通工具,几乎都配备了雨刮器,因此对雨刮器习以为常。
本次设计将对长城哈弗H6所配备的雨刮器连动杆总成进行具体的结构设计,并使用SolidWorks对雨刮器进行整体建模和运动仿真,设计出具体的连动杆,并画出连动杆图纸和雨刮器的连动杆总成的装配图。
并对主要的传动机构进行Adams运动学分析。
作为一种需要循环动作的机构,雨刮器的使用寿命也是十分重要的,各个零件的受力情况是设计时的重要考虑因素,因此我们必须对重要的零件进行受力分析并进行优化,改善应力分布或优化零件设计,以便延长使用寿命。
在循环的动作中必须改善部分零件的装配关系避免摩擦的因素造成使用寿命的变短。
在汽车上面每一处空间都必须合理的利用因此在雨刮器的设计过程中必须考虑整体的体积,减小雨刮器的体积也是需要考虑的重要因素。
关键词:
雨刮器、建模、运动仿真、Adams
Thedesignanddynamic analysisofautomotive wiper
Abstract:
Carsinpeople'sdailyliveshasbeenveryimportantpositionwiperimportantsafetycarpartsasoneincreasing,moreandmorepeoplepayattentiontowiper.Wiperlinkagerodsmainlybyfourorganizations,theimplementationwillrotateintoaboutswinging.Therearefour-barmechanismandpowerelementsreducerconnectionspeedtoachievewhatwewant,peopleoftenusethewiperineverydaylife,aslongasthevehicletoadapttodrivingrain,almostallequippedwithawiper,wiperandthereforegranted.ThedesignwillbethePentiumb70isequippedwithwiperlinkagerodassemblyspecificstructuraldesign,anduseofthewiperSolidWorksoverallmodelingandmotionsimulation,designspecificlinkagerodanddrawlinkageleverdrawingsandwiperlinkagerodassemblyassembedrawings.Themaintransmissionmechanismandkinematicanalysiswereadams,inwiperbladeduringuse,therearemanyproblems,thisdesignstudyforwipernoiseproblemsandtoseektosolveoralleviatetheproblem.
Asaneedtocycletheactionmechanism,wiperbladeservicelifeisalsoveryimportant,theforcesofthevariouspartsisanimportantconsiderationwhendesigning,sowehaveanimportantparttostressanalysisandoptimization,improvedstressdistributionoroptimizepartdesign,inordertoprolonglife.Factorintheactionoftheloopmustimproverelationswithpartsoftheassemblytoavoidfrictioncausedlifebecomesshort.Inthecarontopofeveryrationaluseofspacemustthereforewiperdesignprocessmustconsidertheoverallvolume,animportantfactorinreducingthevolumeofthewiperistobeconsidered.
Keywords:
wiper, modeling, motionsimulation, Adams
第1章前言
1.1课题背景
我国的汽车工业发展至今已成为我国GDP的重要支柱,在过去的六十年里面我国汽车工业一点点壮大,随着我国经济一起飞速发展。
经过六十年的发展我国已经成为了世界第一汽车制造大国,我国的汽车制造工业所取得的巨大成就,令整个汽车业界乃至整个国际社会刮目相看。
我国的汽车工业大概分为了三个阶段:
第一个阶段是1978年以前,是汽车配给时期,我国这时候的汽车行业缺重少轻,几乎没有轿车,用户多半都是公有制事业单位,年销量只有17万辆;第二阶段是1979年到2001年主要是汽车市场培养和借着改革开放的东风开始慢慢的发展;第三个阶段是2002年以后,这段时间汽车行业蓬勃发展,汽车平均年销量接近100万辆。
汽车也是十分的平民化了,家家户户都可以拥有汽车。
汽车在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色,已经成为人们生活出行必不可少的交通工具,汽车运输的安全性也越来越重要。
行车安全不仅仅包括行驶中的遵守规则,对机动车本身的调养、维护也是十分重要的一方面。
如果驾驶的汽车本身有问题,那么随时都有事故的可能。
汽车在行驶过程中,透过挡风玻璃的视野是驾驶员获取信息的重要渠道,驾驶所需要的信息百分之八十以上都是靠视觉获取的,因此对党风玻璃的要求很高。
不仅仅是透明性、大小、厚度,清洁程度也有很高的要求。
因此雨刮器是汽车上面必不可少的零件。
1.2雨刮器的产生、现状及发展趋势
1.2.1雨刮器的现状
雨刮器又称汽车风窗刮水器、挡风玻璃雨刷、水拨等。
1893年福特发明世界上的第一辆汽车,为了清洁挡风玻璃上的水滴和灰尘,雨刮器随之而问世[2]。
经过一百多年的发展,从而有了现在的雨刮器。
现在我们汽车上面的雨刮器除了清洁灰尘、刮净雨水外还具备了自洁、防污等功能。
而且类别也越来越多样化,每种雨刮器对应着相应的雨刮对象。
圆弧形的玻璃有与其对应的弧形运动雨刮设备,刮刷车内玻璃的雨刮器则安装了吸水性更强、更加易除尘除霜的刮片,在农用机械上面又有强适应性的雨刮器,轿车上面则用了美观、实用精巧的雨刮设备。
下雨的时候驾驶员会打开雨刮器,挡风玻璃上的雨刮器刮臂就会绕转轴中兴摆动,刮掉挡风玻璃上的水滴,保证驾驶员的视野,保证行车安全。
我们说看到的雨刮器十分简单也就是两根摇臂。
其实,看似简单的雨刮器并不简单,整个雨刮器的总成结构包括:
电动机、减速器、四杆机构、刮臂轴、标准化摇臂等。
还包括比较复杂的电路结构,保证雨刮器可以在不同的雨量条件下以不同的速度工作,还有电刷回位开关用来保证关闭雨刮器的时候,刮臂都会停在玻璃的底部,不会停在挡风玻璃中间阻挡驾驶员的视野。
1.2.2雨刮器的产生
雨刮器最早出现在1910年,经过一百多年的发展,雨刮器一成为了汽车上面重要的安全件之一。
出于对安全的考虑,我国有法律明文规定:
没有雨刮器的汽车严禁在道路上行驶。
雨刮器的构想产生于美国特瑞科公司的董事长,他在雨天开车的时候,因为看不清道路而撞上了一个男孩。
最初的雨刮器是塑料片在挡风玻璃上手动旋转,其缺点十分明显,容易造成人体疲劳,后来经历了真空驱动泵作为动力的第二代雨刮器,因为汽车速度的大幅提高而放弃,后面有了现在的第三代雨刮器——电动雨刮器。
1.2.3雨刮器的发展趋势
观察这些年雨刮器的发展可以知道,在雨刮器的发展上面跟趋向于智能化、柔性化、人性化、一部分零件标准化。
从以前的福特眨眼雨刷到现在的雨刮器,不难看出:
现在的雨刮器不仅仅是电机驱动的简单循环运动,整个雨刮器的设计加入了不少电器结构。
速度开关可以让使用者选择不同的刮刷速度,回位开关保证了每次雨刮器的刮臂都停在挡风玻璃下部,不会遮挡驾驶员的视野。
零件的标准化让更换容易故障的零件更加方便快捷。
这些方面的发展是一百多年来人们的经验总结,在雨刮器以后的发展中想必在这些方面做得更好。
1.3研究的目的和内容
1.3.1研究目的
针对雨刮器现存容易出现的故障,运用机械创新技术设计出简单合理,性价比高的汽车雨刮器,特别是改善汽车雨刮器使用时噪声的问题。
1.3.2研究内容
良好的视野是车辆能否正常行驶的重要保障,雨刮器的责任也显得十分的重大,然而雨刮器在汽车的零件中也是属于比较容易损坏的,受损的雨刮器在刮刷风窗的时候不能将风窗完全刮干净容易形成一些阻碍视野的条纹,如:
带状条纹,是因为没有找到雨刮臂的最佳支点,导致刮臂不是每个部位都与玻璃充分接触;雾状条纹,一层油状的薄膜随着雨刮器的使用而分布在玻璃上面,通常是因为脏、污huo9zhe车蜡附着在玻璃上面导致的。
细水现象,雨刮器刮刷玻璃后,仍然有小水滴贴在玻璃的表面,这种问题多半也是因为车蜡或者油污硅化物粘附在挡风玻璃上面导致的。
雨刮器使用时发出“咔哒”声响或者刺耳的噪音,大多是因为胶条的磨损及摇臂杆、摇臂轴老化变形导致的[3]。
挡风玻璃的干净与否与行车安全息息相关,雨刮器的问题就是行车安全的大问题,上面所提到的就是亟待解决的问题。
1.4设计方法
现在汽车雨刮器的结构相对比较成熟,市场上面很容易找到雨刮器的成品。
因此,此次对雨刮器的研究可以参考现在市场上面的雨刮器,并查阅相关的资料,找出现有雨刮器的结构,同时加以改进。
将雨刮器的整体结构进行CAD建模,关键零件的受力分析和整体动力学分析。
SolidWorks的主要用途是机械设计,还可以进行电气、电子设计,CAM自动编程等。
此次设计采用SolidWorks整体建模并且可以使用SolidWorks的受力分析模块对关键零件进行静力学分析。
同时可以进行运动仿真,验证设计的合理性。
关于运动仿真可以采用ADAMS进行动力学分析。
本次设计所用到的专业软件就是ADAMS和SolidWorks两个,但是由于在大学的学习可从中并没有接触过这两个软件,因此要对两个专业软件进行比较系统的学习,在时间的计划安排上面就显得比较紧凑了。
整个设计过程首先需要确定各个零件的结构,计算各个零件的尺寸;然后针对各个零件用SolidWorks建模;再后面需要将各个零件的三维模型进行装配,对整体运动仿真,关键零件受力分析;最后对整体的三维模型进行Adams运动学分析;最后撰写论文。
第2章总体方案的设计与确定
2.1设计对象及总体参数
2.1.1研究目的
本次设计对象为长城哈弗H6前风窗玻璃刮水器,长城哈弗H6是我国自主品牌推出的一款中高端轿车,采用三厢的车体结构,前置驱动,由一汽(中国第一汽车集团公司)生产,与2006年上市第一款奔腾。
作为一款中高端的轿车,对各个部分的要求都很好,雨刮器作为轿车上面重要的安全件,尤其受到重视。
结合我国《汽车标准汇编》和哈弗H6具体的各方面要求,雨刮器的至少满足以下条件:
(1)高效的除水、除雪能力;
(2)高效的出尘、除垢能力;
(3)八十摄氏度以上的高温工作环境;
(4)零下三十摄氏度的低温工作环境;
(5)通过扫雪载荷测试能力;
(6)循环寿命在150万次以上;
(7)耐酸碱、氧化腐蚀;
(8)刮刷次数大于等于20次每分钟;
(9)高速档和低速档刮刷次数差值大于等于15次每分钟;
(10)刮刷方式为同向刮刷,切偏向驾驶员方向;
2.1.2总体参数
长城哈弗H6的车身总长为4640mm,宽度达到了1825mm整车高度为1690mm。
相对市场上面的SUV来说显得稍微要大一些。
本次的设计对象为长城哈弗H6的前风窗雨刮器。
通过搜集资料我们可以知道前风窗大致尺寸为上底为1300mm,1700mm,高为1200mm的等边梯形。
设计采用的刮条为卡卡买长城哈弗H6专用无骨雨刷刮条总成,此刮条尺如图所示寸为主驾24寸(80cm),副驾16寸(约为53.33cm)。
此刮条将于设计的雨刮器各部分相互配合组成完整的汽车前风窗雨刮器。
2.2雨刮器结构简析
经过一百多年的发展,雨刮器经过了三个大阶段的改进,现阶段的雨刮器的结构已经非常成熟。
雨刮器总成如图2-1所示,含有电动机、变速箱、四杆机构。
刮水臂心轴、刮水片总成等。
市场上面现存的雨刮器也都是由以上几个部分构成,只是各个机构的具体设计有些不同,但是机械原理也都是相同的。
电机的告诉转动通过减速器减速增矩驱动摆臂,摆臂带动四杆机构,四杆机构带动安装在底座上的转轴左右摆动,轴与雨刮片摇臂通过花键连接,最后带动雨刮片刮扫挡风玻璃。
其中雨刮器动力由电机提供,因为雨刮器是汽车重要的安全件之一,所以对电机的要求也是很高的,现阶段的雨刮器一般选择永磁直流电动机。
电动机与四杆机构之间还连接有减速器,减速器的作用是减速增矩。
减速器减慢轴的转速,同时增加轴的扭矩,以达到四杆机构对力矩的要求。
减速器连接四杆机构,四杆机构主要是将轴的转动转化为短摇臂的左右摆动,最后左右摆动通过摇臂心轴转化为刮水臂绕摇臂心轴的摆动。
图2-1雨刮器大致结构
2.3具体方案设计
雨刮器发展至今技术已经十分成熟,各个部分的设计都有很多种选择,在本次设计中,应该各个方面综合考虑,设计出结构简单,便宜实用的雨刮器,在降低成本的同时也要考虑到雨刮器的总体使用寿命。
在各个方面中大致有以下的结构需要重点的考虑。
2.3.1减速器的设计:
方案一:
采用二级减速机减速增矩如图2-2所示。
在这里作为电动机和四杆机构之间的传动机构能够很好的匹配转速和传递转矩。
图2-2二级减速器
方案二:
采用蜗轮蜗杆机构减速如图2-3所示,两根交错的轴之间常常用到蜗轮蜗杆机构,蜗轮蜗杆机构可以十分容易的传递两根交错轴之间的动力和转矩,在中间的平面内涡轮蜗杆机构相当于齿轮和此条机构,蜗杆的外形和螺杆的外形十分相似。
蜗轮蜗杆机构在实际应用中有很多的优点,在动力的传动中可以达到很大的传动比,减速增矩效果十分显著;体积相比齿轮机构和带轮机构更小,因此应用范围更广;啮合面是线接触,能够承受的压力更大;有自锁性,当蜗杆转速减小的时候,蜗杆能够很好的减小蜗轮的转速。
在需要较大减速比例、传动功率不是非常的大、或者需要间歇工作和紧急停止的场合通常优先考虑蜗轮蜗杆机构。
图2-3蜗轮蜗杆机构
2.3.2四杆机构的设计
方案一:
雨刮器的刮臂轴心在蜗轮轴的一侧如图2-4所示,这样的话设计安装都比较方便,并且对刮臂的挂刷角度的控制比较容易,排布方式简单,故障的维修维护比较方便。
图2-4四杆机构
方案二:
雨刮器的刮臂轴心在蜗轮轴的两侧,这样的设计让体积更小,但是在运动的时候上下连动杆的间隙比较小,但是结构更加紧凑,更加节省空间,有利于汽车的其他部分设计排布。
2.4方案对比及选择
2.4.1减速器对比
二级减速箱的减速作用十分显著可靠,但是结构更加复杂、体积更大、成本更高,并且不是很适合雨刮器这种需要间歇性运动的机构。
涡轮蜗杆机构的减速器是比较传统的机构,有自锁特性恰好合适最后雨刮器的停留位置确定和雨刮器回位开关的设置,蜗轮蜗杆机构使用的寿命长,减速传动比很大但是工作效率比较低,零件的磨损很大。
针对本次设计的设计目的:
设计出简单实用,价廉质优的雨刮器和改进雨刮器体积的设计任务,综合考虑选择蜗轮蜗杆减速机。
2.4.2四杆机构对比
上面方案比较所提出的两种雨刮器连动杆排布各有优缺点,综合设计的要求选择体积更小但是机构稍显复杂的设计方案,让蜗轮轴在两个刮臂轴心的中间以便减小雨刮器最终的体积。
2.5总体设计方案
雨刮器大体上是由电机总成、连动杆总成、摇臂总成三部分组成。
在电机总成中包括作为动力源的直流电机和蜗轮蜗杆减速器,主要零件有电机套、蜗轮轴、蜗杆、蜗轮、蜗轮箱、蜗轮箱盖以及一些固定件和紧固件组成;在四杆机构总成中,主要的零件有电机摇臂、连接杆、长连杆、左连杆、右连杆、底座电机摇臂以及固定件和紧固件组成。
在四杆机构中连杆之间添加垫片,用以减小摩擦和隔开连接杆防止机械撞击。
连接杆用铆钉连接,在铆钉与连接杆之间同样也要添加垫片目的相同用来减小摩擦。
摇臂轴与左右连杆之间添加花键让连杆将左右的摆动顺利的传到摇臂轴上;摇臂总成主要是由两根摇臂组成每根摇臂有短摇臂和摇杆组成,他们之间也是由铆钉连接因为这里连接的摇臂和摇杆之间并没有多大的相对运动所以并不需要添加垫片来减小摩擦,直接用铆钉连接。
第3章结构设计
3.1连动杆总成设计
四杆机构是雨刮器的主要的传动机构,其中雨刮器的刮刷角度主要由四杆机构确定,因此四杆机构显在雨刮器中显得尤为重要。
3.1.1参数设计
1.四杆机构基本结构
图3-1连动杆总成的结构
雨刮器四杆机构的大致结构如图3-1所示,主要由底座、左摇杆、右摇杆、长连杆、连接杆、电机摇臂、摇臂轴七部分组成。
其中底座主要是连接各部分和便于安装的作用,并不参与传动,但是在四杆机构运动的过程中底座将起到支撑各个部分的作用;电机摇臂主要是绕电机轴旋转,将电机轴的旋转传递给连接杆;连接杆是连接长连杆和电机摇臂的零件,同时由于左右摇杆和连接杆的长度比例关系,连接杆将电机摇臂的旋转运动转化为左摇杆和右摇杆的摆动运动;长连杆的作用是将左右连杆连接起来,使左右连杆的摆动实现同步。
左摇杆和右摇杆与摇臂轴配合将摆动转化为摇臂轴呈一定角度的来回旋转;摇臂轴是连动杆总成与摇臂总成连接的组件,可以将运动传递给摇臂总成。
2.四杆机构总体参数
图3-2连动杆参数
结合现在市场上面的雨刮器大致结构和设计对象具体尺寸得出的实际所需的刮刷面积,以及所选择的无骨雨刷的尺寸,设计的挂刷角度为主驾部分风窗玻璃刮刷101°副驾驶部分风窗玻璃刮刷90°,所以左摇杆摆动角度为90°,右摇杆摆动角度为101°。
参考设计对象安装部分的尺寸得出四杆机构的总体参数,四杆机构的底座长度与长连杆的长度如图3-2所示,都选择为400mm即L=L’=400;左摇杆长度L1=84.84。
3.右摇杆的长度确定
因为主驾驶部分风窗玻璃与副驾驶部分风窗玻璃的挂刷角度的不同所以左右摇杆的长度也必定不一样。
根据左摇杆的长度、底座长度、长连杆的长度、以及左摇杆和右摇杆的摆动角度可以确定右摇杆长度。
图3-3右摇杆的长度分析
方法:
首先如图3-3总1所示以做摇杆的左右极限位置为圆心,长连杆长度为半径做圆。
然后如图3-3中2所示以底座右端为圆心长连杆L2的长度为半径做圆O2。
最后如图3-3中3所示O2与第一步中两个圆有两个交点分别连接两个交点与底座右端点。
所得直线L2与L2’即为右摇杆的极限位置。
L2与L2’的夹角即为右摇杆的摆动角度。
结论:
通过实验发现,当L2=L2’=77.77的时候两直线的夹角为左右摇杆的摆动角度101°,故右摇杆的长度L2=77.77。
4.电机摇臂与连接杆的长度确定
在左右摇臂长度固定的时候电机摇臂与连接杆的长度直接关系到四杆机构运动的状态。
长度不对可能造成摆动角度过大甚至翻过底座的情况。
只有确定正确的长度才能保证四杆机构的运动状态和我们所需要的一致。
由于连接杆连接的节点是左摇杆与长连杆的几点处。
所以,我们拿左摇杆的摆动极限位置来分析,左摇杆的摆动极限如图所示。
图3-4电机摇臂及连接杆长度分析
为保证雨刮器连动杆的整体体积方便安装于是取电机摇臂的转动圆心离摇臂轴的中心连线垂直距离如图3-4所示d4=20mm,取电机摇臂的转动圆心离左摇杆与长连杆的节点的运动极限位置的连线垂直距离d3=20mm。
设电机摇臂长度为L3,连接杆长度为L4。
分析得:
(3-1)
(3-2)
DE=DF-d4(3-3)
L4-L3=d1(3-4)
L4+L3=d2(3-5)
联解以上方程得L3=56.56mmL4=84.84mm
5.参数总结
综上所述四杆机构的具体参数为:
底座长度L=400mm,长连杆长度L’=400mm,左摇杆长度L1=84.84mm,右摇杆长度L2=77.77mm,电机摇臂长度L3=56.56mm,连接杆长度L4=84.84mm。
以上长度均为节点间的距离。
3.1.2结构设计
详细的结构设计如图3-5所示,为了保证强度连杆宽度取为14mm,两端倒半圆,左右摇杆连接摇臂轴的一端开键槽缺口,连杆之间用6mm沉头铆钉连接铆钉连接,在连杆与连杆之间和连杆与铆钉之间用垫片隔开减小摩擦。
同时在将连杆中部压凹加强强度,节点处表面淬火,增加耐磨性能。
在长连杆处,将节点处向下降低11mm,连接杆处将节点处降低20mm防止变形是发生的额机械撞击。
但是需要考虑在降低后的力学性能,必须进行力学分析。
图3-5连动杆总成
3.2电机总成设计
电机总成在雨刮器中显得十分重要,电机总成控制着雨刮器的刮刷频率和雨刮器关机时的自动回位。
在使用者使用雨刮器的时候,主要也是通过控制电机总成,继而控制雨刮器的工作状态。
3.2.1参数设计
1.电机总成的基本结构
图3-6电机总成组成结构
电机总成的组成结构如图3-6所示,主要由电机、电机套、蜗轮箱、蜗轮箱盖、蜗轮蜗杆机构、电机轴组成。
这里的电机轴并不是指电机的转轴,而是电机总成与连动杆总成之间的传动轴。
电机轴可将经过减速增矩后的转矩传递给电机摇臂。
直流电机与蜗轮蜗杆机构分别放置于电机套与蜗轮箱里面。
,蜗轮箱中蜗轮蜗杆机构需要润滑,这里为了降低技术难度和保护蜗轮箱的强度,选择不用开油槽的脂润滑。
蜗轮箱盖在电机总成中主要起到密封蜗轮箱的作用,放置蜗轮中的润滑脂泄露。
2:
电机总成总体参数
根据雨刮器的各项技术要求确定雨刮器的刮刷频率,雨刮器的刮刷频率为低速档30次每分钟,高速档45每分钟。
雨刮器的使用时通过控制电机供电达到控制电机转速的目的,因此高速档对应着电机的较高的转速即额定转速。
电机额定转速与蜗轮传动的商即为刮器的刮刷频率。
因此在刮刷频率确定的时候电机的额定转速与蜗轮的传动比需要综合考虑,让电机额定转速与传动比相对刮刷频率符合上述关系。
3.电机及蜗轮蜗杆的选择
①:
在电机的选择上面,因为雨刮器对汽车的重要性,因此我们选用转速较为稳定的直流无刷电机,在直流电机十分强大的启动性能,在启动后极短的时间里就能达到我们所需要的转速,同时良好的调速性能也刚刚好适合雨刮器所需要的两档转速,使调速更加方便。
由直流电机的转速公式:
(3-6)
Ia:
电枢电流Ra:
电枢电阻
本次设计的雨刮器为双摇臂雨刮器,所以电机的额定转矩为:
T=2×k×μ×l×f(3-7)
K:
传动杆传动系数=电机轴的转矩/摇臂轴上转矩
l:
雨刮器刮片的长度
f:
刮片上在垂直于玻璃平面方向上面的压力
通过参阅资料和结合自身的具体数据,得知设计对象的最大的摩擦系为的挡风玻璃表面湿润时的摩擦系数此时:
μ=0.4~0.6(μ取值0.5);k=1;l=80cm;f=4.3n;蜗轮蜗杆传动效率
=0.99,四杆机构传动效率
=0.98
经过计算得,电机
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