轎車雨刮器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真【三維PROE】【含11張CAD圖紙】
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SY-025-BY-2
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
學(xué)生姓名
裴立梅
系部
汽車與交通工程
學(xué)院
專業(yè)、班級(jí)
車輛工程B07-1
指導(dǎo)教師姓名
楊兆
職稱
講師
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是■否
題目名稱
轎車雨刮器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
一、設(shè)計(jì)目的、意義
目的：雨刮器看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到最終的刮刀的結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)動(dòng)方式都決定雨刮器的性能。本設(shè)計(jì)在三維建模軟件與動(dòng)力學(xué)仿真軟件平臺(tái)上建立某類型雨刮器模型。為生產(chǎn)實(shí)際提供理論參考。我想通過(guò)我所學(xué)的知識(shí)，并利用Pro/E軟件平臺(tái)，對(duì)雨刮器做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，力求使刮刷面積進(jìn)一步增大，使得司機(jī)在任何時(shí)候都有一個(gè)清晰的視野，提高汽車行駛安全性。本設(shè)計(jì)可以使學(xué)生在復(fù)習(xí)所學(xué)課程的基礎(chǔ)上，從機(jī)械設(shè)計(jì)、汽車構(gòu)造、汽車電器以及三維軟件等方面做出全面的總結(jié)和學(xué)習(xí)，為以后的工作打下基礎(chǔ)。
意義：汽車雨刮器，是一個(gè)很小卻又不容忽視的汽車部件，它能擦亮汽車的“雙眼”，使司機(jī)的視線更加清晰。雨刮器一旦失去作用，將直接影響到司機(jī)雨天駕駛視野的清晰度。雨刮器看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到最終的刮刀的結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)動(dòng)方式都決定雨刮器的性能。
二、設(shè)計(jì)內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法）
主要內(nèi)容：
雨刮器總成含有電動(dòng)機(jī)、減速器、四連桿機(jī)構(gòu)、刮水臂心軸、刮水片總成等。本設(shè)計(jì)要求進(jìn)行捷達(dá)轎車雨刮器部件尺寸的設(shè)計(jì)，求解掛掃面積等；電機(jī)選型，電路分析；利用利用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，獲得運(yùn)動(dòng)的軌跡和速度，并Pro/E繪出三維模型。
擬解決的主要問(wèn)題：
（1）分析雨刮器電子間歇控制電路；
（2）優(yōu)化雨刮器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
（3）確定刮刷區(qū)域，并計(jì)算最大刮刷面積；
（4）最終實(shí)現(xiàn)三維模型建立(Pro/E)。
主要技術(shù)指標(biāo)：
選取某轎車的雨刮器作為參考設(shè)計(jì)。
三、設(shè)計(jì)完成后應(yīng)提交的成果
1、完成轎車雨刮器的整體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)適用的主要功能。并在ADAMS軟件平臺(tái)上進(jìn)行雨刮器整個(gè)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)分析。
2、完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份，字說(shuō)不少于2萬(wàn)字。
四、設(shè)計(jì)進(jìn)度安排
（1）調(diào)研、資料收集、完成開(kāi)題報(bào)告 第1、2周（2月28日～3月6日）
(2) 根據(jù)選定轎車的相關(guān)尺寸參數(shù)進(jìn)行相關(guān)部件的參數(shù)計(jì)算，并進(jìn)行驗(yàn)證 第 3、4周（3月7日～3月20日）
(3) 在Pro/E軟件中建立物理模型，利用部件的鏈接關(guān)系建立部件之間的裝配第5、6、7周（3月21～4月10日）
（4）在ADAMS軟件平臺(tái)上建立零件的等比例物理模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 第8、9、10、11周（4月11～5月8日）
（5）設(shè)計(jì)1.5萬(wàn)字說(shuō)明書一份，零件圖一套（包括Pro/E零件圖）第12、13、14周（5月9日～5月29日）
（6）畢業(yè)設(shè)計(jì)審核、修改 第15、16周（5月30日～6月12日）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯準(zhǔn)備及答辯 第17周（6月13日～6月 19日）
五、主要參考資料
（1）汽車教材：汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計(jì)、專用車設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等；
（2）軟件學(xué)習(xí)類書籍：ADAMS軟件、Pro/E軟件等；
（3）設(shè)計(jì)手冊(cè)類書籍：汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)等；
（4）期刊文獻(xiàn)資料：中國(guó)期刊網(wǎng)中雨刮器設(shè)計(jì)的相關(guān)資料（關(guān)鍵詞：雨刮器 電動(dòng)控制 虛擬設(shè)計(jì) ADAMS Pro/E）；
（5）新聞及網(wǎng)絡(luò)資料等。
六、備注
自學(xué)ADAMS、Pro/E軟件。
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
教研室主任簽字：
年 月 日
SY-025-BY-3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名
裴立梅
系部
汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級(jí)
B07- 1班
指導(dǎo)教師姓名
楊兆
職稱
講師
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是■否
題目名稱
轎車雨刮器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
研究現(xiàn)狀：
雨刮器總成含有電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、四連桿機(jī)構(gòu)、刮水臂心軸、掛水片總成等。當(dāng)司機(jī)按下雨刮器的開(kāi)關(guān)時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿的減速增扭作用驅(qū)動(dòng)擺臂，擺臂帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)安裝在前圍板上的轉(zhuǎn)軸左右擺動(dòng)，最后由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)雨刮片刮掃擋風(fēng)玻璃。
雨刮器的種類很多, 按安裝位置分, 有頂置、底置、側(cè)置、前后置和內(nèi)外置等;按雨刮范圍分, 有局部雨刮、整體雨刮、單面雨刮和雙面雨刮;按運(yùn)動(dòng)方式分, 有四桿機(jī)構(gòu)左右擺動(dòng)式、導(dǎo)軌式直線和弧線運(yùn)動(dòng)式;按制作材料分,有普通黑膠體雨刮器、透明塑料體雨刮器和磁性體雨刮器。目前,車輛上廣泛使用的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)黑膠體雨刮器。
國(guó)外對(duì)汽車電動(dòng)雨刮器的性能要求：
1.耐久性能
（一）美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
(1)總成耐久試驗(yàn)
(2)刮片耐久試驗(yàn)
(3)橡膠片耐久試驗(yàn)
（二）日本標(biāo)準(zhǔn)1976年JISD5710推薦
（1）橡膠片耐久試驗(yàn)
（2）總成耐久試驗(yàn) 試驗(yàn)后搖臂的壓力變化和試驗(yàn)前相比應(yīng)在15%以內(nèi), 搖臂和刮片的各部分不應(yīng)有明顯的松弛、松動(dòng)（配合、間隙等）或其他有害缺陷的產(chǎn)生。
2.強(qiáng)度性能
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
在刮動(dòng)過(guò)程中阻擋搖臂15秒，試驗(yàn)后應(yīng)仍能正常工作。
3.刮刷性能
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
耐久試驗(yàn) 試驗(yàn)后刷凈性能仍應(yīng)達(dá)到75%。
4.刮動(dòng)頻率
（一）美國(guó)文獻(xiàn)介紹 刮動(dòng)周期 1--20秒
（二）法國(guó)文獻(xiàn)介紹 刮動(dòng)頻率 12--40次/分
（三）美國(guó)文獻(xiàn)介紹 間隔 3 秒較普遍
（四）英國(guó)文獻(xiàn)介紹 適應(yīng)極細(xì)雨時(shí)用, 頻率和間歇均能獨(dú)立控制。
（五）美國(guó)文獻(xiàn)介紹 傾盆大雨時(shí)刮刷頻率可高達(dá)80次/分,高于上述頻率則雨刮將在風(fēng)窗玻璃水而上浮掠而過(guò), 破壞刮水性能。
5. 接觸面壓力
（一）日本文獻(xiàn)介紹 刮片對(duì)風(fēng)窗玻璃的壓力 10--15克/公分
（二）日本文獻(xiàn)介紹 接觸面壓力 低速 10克/公分 高速車 15克/公分
（三）美國(guó)文獻(xiàn)介紹 汽車速度大于60哩/時(shí), 則刮片將受到空氣的浮力而降低刮刷性能
（四）日本文獻(xiàn)介紹 在汽車速度為100公里/時(shí), 400毫米長(zhǎng)的刮片受到200克的空氣浮力, 使刮刷效果惡化, 此時(shí)為了改善其刮刷性能, 最低需要400克的壓力。
6.橡膠片與摩擦系數(shù)
（一）美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
（1）耐久試驗(yàn) （2）化學(xué)試驗(yàn)
（二）日本標(biāo)準(zhǔn)1976年JISD5710推薦 耐久試驗(yàn)
7.工作溫度范圍
（一）美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
（1）工作溫度范圍 55士3℃一
（2）高溫試驗(yàn) 溫度 55士3℃ 最高速連續(xù)工作1/2小時(shí)
（3）低溫試驗(yàn) 溫度 -30士5℃ 最高速連續(xù)工作1/2小時(shí)
（二）法國(guó)文獻(xiàn)介紹 工作溫度范圍 -30℃-- 80℃
8. 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)效率與擺角
日本文獻(xiàn)介紹 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)效率 80一85% 刮刷角度 ≯110o
如超過(guò)此限度, 則尺寸誤差變得敏感、且易越過(guò)死點(diǎn), 致使效率下降。
9.刮動(dòng)扭矩
日本文獻(xiàn)的介紹 刮動(dòng)扭矩大于50公斤· 厘米隨著風(fēng)窗玻璃的大型化, 刮片長(zhǎng)度大于280毫米的越來(lái)越多, 刮動(dòng)扭矩也隨著增大, 超過(guò)了50公斤· 厘來(lái)。
10.刮動(dòng)電流 法國(guó)文獻(xiàn)介紹 刮動(dòng)電流 0.1安培
國(guó)外對(duì)雨刮器的設(shè)計(jì)要求都有了明確并且高標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
而我國(guó)現(xiàn)階段的雨刮器發(fā)展現(xiàn)狀是新產(chǎn)品喜憂參半, 老產(chǎn)品一統(tǒng)天下。
(1)新產(chǎn)品喜憂參半。由于冬季車輛內(nèi)外溫差大,常常在車內(nèi)擋風(fēng)玻璃上結(jié)有很厚的一層冰霜, 必須使用熱水布反復(fù)擦除才能保證正常的視覺(jué)效果, 于是發(fā)明了雙面雨刮器。雙面雨刮器的不足是, 外雨刮片是車外物體, 內(nèi)雨刮片與其一起聯(lián)動(dòng), 容易分散駕駛員注意力而引起視覺(jué)疲勞, 危害行車安全。通過(guò)改進(jìn), 把內(nèi)雨刮片改成磁條式的, 無(wú)機(jī)械聯(lián)動(dòng), 需要時(shí)貼上, 用完后取下, 很方便。但是實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)磁性大小很難控制, 更麻煩的是加大磁場(chǎng)作用效果時(shí), 干擾車內(nèi)電子設(shè)備, 用手機(jī)做測(cè)試, 通話質(zhì)量差, 甚至車內(nèi)收放音設(shè)備無(wú)法正常工作。
局部雨刮一直是現(xiàn)用雨刮器的缺陷, 小范圍雨刮后視覺(jué)效果差, 影響駕駛員對(duì)前方全景的正確判斷。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn), 把雨刮片的曲線(圓周)往復(fù)運(yùn)動(dòng)改成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng), 雨刮面積加大。但是設(shè)計(jì)者把被雨刮的玻璃假想成直面矩形平板式, 而目前擋風(fēng)玻璃更多的是流線圓弧形等形狀, 直線整體雨刮在弧形玻璃上無(wú)法安裝。
傳統(tǒng)雨刮片的材料是黑膠體, 技術(shù)人員把它改成透明狀, 增強(qiáng)了視覺(jué)感光效果。在具體測(cè)試時(shí), 遇到雨天夜晚行車, 打開(kāi)雨刮設(shè)備, 各類光源被透明雨刮片折射后與透明棒形成新的“ 發(fā)光棒” , 司機(jī)原本可遠(yuǎn)距離觀察, 這時(shí)卻被發(fā)光棒來(lái)回運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的發(fā)光“ 墻面”遮掩而眩目。
(2)老產(chǎn)品一統(tǒng)天下。我國(guó)車輛工業(yè)近年來(lái)快速發(fā)展, 但是雨刮器作為一種附件, 其開(kāi)發(fā)一直得不到應(yīng)有的重視。一方面是用戶的使用和思維習(xí)慣, 另一方面是新產(chǎn)品的完備性和推廣價(jià)值不高。接受和認(rèn)可新型雨刮器要有一個(gè)過(guò)程, 真正的強(qiáng)適應(yīng)性雨刮器開(kāi)發(fā)出來(lái), 一定會(huì)是中國(guó)制造的一大特色。
普通雨刮器經(jīng)久不衰, 除了沒(méi)有可靠的替代品之外, 另一個(gè)很重要的原因就是其質(zhì)量穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低和易于維修。而前幾種新型雨刮器要么處于試驗(yàn)階段,要么質(zhì)量不穩(wěn)定, 制造商不敢投入太多的資金搞推廣。
由于以上種種原因，我國(guó)廣泛應(yīng)用的雨刮器一直沒(méi)有新的改進(jìn)與進(jìn)展。因此我國(guó)現(xiàn)階段的目標(biāo)因該是在一定的技術(shù)要求下，改進(jìn)老產(chǎn)品的不足，結(jié)合其他新產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出新型的，刮掃面積大的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的雨刮器。
目的：
雨刮器看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到最終的刮刀的結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)動(dòng)方式都決定雨刮器的性能。本設(shè)計(jì)在三維建模軟件與動(dòng)力學(xué)仿真軟件平臺(tái)上建立某類型雨刮器模型。為生產(chǎn)實(shí)際提供理論參考。我想通過(guò)我所學(xué)的知識(shí)，并利用Pro/E軟件平臺(tái)，對(duì)雨刮器做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，力求使刮刷面積進(jìn)一步增大，使得司機(jī)在任何時(shí)候都有一個(gè)清晰的視野，提高汽車行駛安全性。本設(shè)計(jì)可以使學(xué)生在復(fù)習(xí)所學(xué)課程的基礎(chǔ)上，從機(jī)械設(shè)計(jì)、汽車構(gòu)造、汽車電器以及三維軟件等方面做出全面的總結(jié)和學(xué)習(xí)，為以后的工作打下基礎(chǔ)。
意義：
汽車雨刮器，是一個(gè)很小卻又不容忽視的汽車部件，它能擦亮汽車的“雙眼”，使司機(jī)的視線更加清晰。汽車雨刮器是用來(lái)清掃汽車風(fēng)窗玻璃上的雨雪和塵埃的裝置，一旦它失去作用，將直接影響到司機(jī)雨天駕駛視野的清晰度。雨刮器看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到最終的刮刀的結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)動(dòng)方式都決定雨刮器的性能。
雨刮器雖然是汽車的附件，但很多汽車制造企業(yè)將雨刮器列為汽車的安全部件, 并將雨刮器的一些功能特性(如刮刷頻率)列為安全特性,由此可見(jiàn)，雨刮器與汽車的安全性能有著緊密的關(guān)系，是我們不容忽視的汽車部件。
目前國(guó)內(nèi)外的雨刮器都不能消除刮掃死角，本次設(shè)計(jì)也不能完全消除刮掃死角，但力求掛掃面積增大，使司機(jī)可以盡量有最寬闊的視野。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題
基本內(nèi)容：
雨刮器總成含有電動(dòng)機(jī)、減速器、四連桿機(jī)構(gòu)、刮水臂心軸、刮水片總成等。本設(shè)計(jì)要求進(jìn)行捷達(dá)轎車雨刮器部件尺寸的設(shè)計(jì)，求解掛掃面積等；要選擇電機(jī)的型號(hào)，分析雨刮器的控制電路及間歇電路，分析電機(jī)的自動(dòng)回位裝置，確定雨刮器的硬件的尺寸等，利用LabVIEW軟件對(duì)雨刮器進(jìn)行控制，求解雨刮器的刮掃面積，利用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，獲得運(yùn)動(dòng)的軌跡和速度，并運(yùn)用Pro/E繪出三維模型。
解決問(wèn)題：
（1）分析雨刮器電子間歇控制電路；
（2）分析雨刮器的自動(dòng)回位裝置；
（3）確定雨刮器的控制方式；
（4）優(yōu)化雨刮器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
（5）確定刮刷區(qū)域，并計(jì)算最大刮刷面積；
（6）實(shí)現(xiàn)雨刮器的運(yùn)動(dòng)仿真；
（7）最終實(shí)現(xiàn)三維模型建立(Pro/E)。
解決方法：
（1）分析比較不同車型的控制電路及間歇控制電路，選擇其中一種。
（2）分析其他車型的自動(dòng)回位裝置，選擇合適的。
（3）比較分析不同雨刮器的控制方式，如電路控制，單片機(jī)控制，labview控制等。選擇其中一種。
（4）分析比較其他車型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選擇合適的優(yōu)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
（5）查閱參考資料中求解雨刮器的算法。
（6）學(xué)習(xí)ADAMS軟件，實(shí)現(xiàn)雨刮器的運(yùn)動(dòng)仿真。
（7）學(xué)習(xí)Pro/E軟件，建立雨刮器的三維模型。
三、技術(shù)路線（研究方法）
利用Pro/E建立三維模型
計(jì)算雨刮器的掛掃面積
學(xué)習(xí)Adams軟件
進(jìn)行仿真分析
確定雨刮器的控制方式
確定雨刮器的尺寸及連桿結(jié)構(gòu)
分析雨刮器的連桿結(jié)構(gòu)、組成及運(yùn)動(dòng)方式
查閱雨刮器的相關(guān)文獻(xiàn)
分析雨刮器的控制電路、間歇控制電路及自動(dòng)回位裝置
選擇不同車型的雨刮器的控制電路及控制方法進(jìn)行分析比較
四、進(jìn)度安排
（1）調(diào)研、資料收集、完成開(kāi)題報(bào)告 第1、2周（2月28日～3月6日）
(2) 根據(jù)選定轎車的相關(guān)尺寸參數(shù)進(jìn)行相關(guān)部件的參數(shù)計(jì)算，并進(jìn)行驗(yàn)證 第 3、4周（3月7日～3月20日）
(3) 在ADAMS軟件平臺(tái)上建立零件的等比例物理模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 第5、6、7周（3月21～
4月10日）
（4）在Pro/E軟件中建立物理模型，利用部件的鏈接關(guān)系建立部件之間的裝配 第8、9、10、11周（4月11～5月8日）
（5）設(shè)計(jì)1.5萬(wàn)字說(shuō)明書一份，零件圖一套（包括Pro/E零件圖）第12、13、14周（5月9日～5月29日）
（6）畢業(yè)設(shè)計(jì)審核、修改 第15、16周（5月30日～6月12日）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯準(zhǔn)備及答辯 第17周（6月13日～6月 19日）
五、參考文獻(xiàn)
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六、備注
自學(xué)ADAMS、LabVIEW軟件。
七、指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目: 轎車雨刮器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
院 系 名 稱: 汽車與交通工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級(jí): 車輛工程B07-1班
學(xué) 生 姓 名: 裴立梅
導(dǎo) 師 姓 名: 楊 兆
開(kāi) 題 時(shí) 間: 2011年3月11日
指導(dǎo)委員會(huì)審查意見(jiàn)：
簽字： 年 月 日
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
轎車雨刮器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
系部名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)： 車輛工程 B07-01班
學(xué)生姓名： 裴立梅
指導(dǎo)教師： 楊 兆
職 稱： 講 師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Thesis for Bachelor's Degree
Design and Motion Simulation of Windscreen Wiper of Automobile
Candidate：PEI LiMei
Class：B07-01
Supervisor：Vehicle Engineering
Supervisor：Lecturer. YANG Zhao
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
汽車雨刮器，是一個(gè)很小卻又不容忽視的汽車部件，它能擦亮汽車的擋風(fēng)玻璃，使司機(jī)的視線更加清晰。其功能是將玻璃上的雨水、塵埃、泥污刮凈，以獲得清晰的視野，保證行車安全。有的國(guó)家已將雨刮器的技術(shù)狀態(tài)列入車輛年檢項(xiàng)目。
本設(shè)計(jì)要求進(jìn)行轎車雨刮器部件尺寸的設(shè)計(jì)，求解刮掃面積，電機(jī)選型，電路分析，利用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，獲得運(yùn)動(dòng)的軌跡和速度，并用Pro/E繪出三維模型。
運(yùn)用三維建模軟件Pro/E與動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立雨刮器模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析雨刮器的運(yùn)動(dòng)曲線，對(duì)雨刮器做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，力求使刮刷區(qū)域進(jìn)一步增大，為生產(chǎn)實(shí)際提供理論參考。
關(guān)鍵詞：雨刮器；間歇電路控制；虛擬設(shè)計(jì)；ADAMS；Pro/E
ABSTRACT
Windscreen wiper is a small part of automotive but can not be ignored. It can polish the windscreen so that the driver's attention will be more clearly. Its function is to wash the glass to obtain a clear field of vision and ensure the traffic safety. Some countries have had the state of wiper technology projects included into the annual inspection of vehicles.
My design requirements are to design the size of the wiper parts in the car, solving the linked scan area, motor selection, circuit analysis, motion analysis using ADAMS software, trajectory and speed of access to and using Pro / E draw three-dimensional model.
The use of three-dimensional modeling software, Pro/E, and dynamic simulation software, ADAMS, to establish a model of the wiper, simulate the full motion, analyze the movement curves of wiper, make a further design to the wiper , increase the scratch brush area further , and provide a theoretical reference for the actual production.
Key word: Wiper; Intermittent Control Circuit; Virtual Design; ADAMS; Pro/E
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒 論 1
1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù) 1
1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展 1
1.3 設(shè)計(jì)的目的意義 2
1.4 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容與解決的主要問(wèn)題 2
1.4.1 研究的基本內(nèi)容 2
1.4.2 擬解決的主要問(wèn)題 3
第2章 轎車雨刮器 4
2.1 引言 4
2.2 汽車雨刮器的研究現(xiàn)狀 4
2.3 刮水電機(jī) 7
2.3.1 刮水電機(jī)型號(hào)的編制方法 7
2.3.2 減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 9
2.3.3 刮水電機(jī)的控制電路分析 11
2.4 雨刮器 14
2.4.1 雨刮的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 14
2.4.2 雨刮品質(zhì)的評(píng)價(jià) 14
2.4.3 刮水器傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 16
2.5 雨刮器相關(guān)參數(shù)的選擇 17
2.5.1 雨刮器尺寸初定 17
2.5.2 曲柄搖桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
2.6 刮水電機(jī)的選擇及蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)分析 20
2.6.1 雨刮電機(jī)性能計(jì)算 20
2.6.2 雨刮電機(jī)蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)分析 22
2.7 本章小結(jié) 25
第3章 ADAMS建模分析 26
3.1 ADAMS功能簡(jiǎn)介 26
3.2 基于ADAMS虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)流程 27
3.3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)改進(jìn) 28
3.4 新模型建立 28
3.5 本章小結(jié) 30
第4章 Pro/E模型的建立與裝配 31
4.1 三維CAD建模技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用 31
4.2 零件模型的建立 32
4.3 零件模型的裝配 36
4.4 本章小結(jié) 38
第5章 模擬仿真 39
5.1 將Pro/E裝配模型導(dǎo)入ADAMS中 39
5.2 給Pro/E裝配模型施加約束 41
5.3 給Pro/E裝配模型施加力和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真 42
5.4 繪制出仿真數(shù)據(jù)分析圖 45
5.5 利用函數(shù)控制雨刮器進(jìn)行間歇刮水 54
5.6 雨刮器刮掃面積的分析計(jì)算 55
5.7 本章小結(jié) 56
結(jié) 論 57
參考文獻(xiàn) 58
致 謝 60
附 錄A 61
附 錄B 67
第1章 緒 論
1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)
虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法，它足一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。這些數(shù)字模型即虛擬樣機(jī)(virtual prototype)，將不同工程領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)模型結(jié)臺(tái)在一起，它從外觀、功能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品．支持并行工程方法學(xué)。虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)，是基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)[21]。
虛擬樣機(jī)技術(shù)是在CAx(如CAD、CAM、CAE等)／DFx(如DFA、DFM等)技術(shù)基礎(chǔ)卜的發(fā)展，它進(jìn)一步融合信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期、全系統(tǒng)、并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理，從系統(tǒng)的層面來(lái)分析復(fù)雜系統(tǒng)，支持“由上至下”的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式。
虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅是計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用，更是一種全新的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。一方面與傳統(tǒng)的仿真分析相比，傳統(tǒng)的仿真一般是針對(duì)單個(gè)子系統(tǒng)的仿真，而虛擬樣機(jī)技術(shù)則是強(qiáng)調(diào)整體的優(yōu)化，它通過(guò)虛擬整機(jī)與虛擬環(huán)境的耦合，對(duì)產(chǎn)品多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估，并不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，直到獲得最優(yōu)的整機(jī)性能。另一方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是一個(gè)串行的過(guò)程，各子系統(tǒng)（如：整機(jī)結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）的設(shè)計(jì)都是獨(dú)立的，忽略了各子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)交互與協(xié)同求解，因此設(shè)計(jì)的不足往往到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的后期才被發(fā)現(xiàn)，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以快速地建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的多體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，把系統(tǒng)的測(cè)試分析作為整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)。
1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展
近年來(lái)，虛擬樣機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)獲得重大進(jìn)展，已經(jīng)具備處理日益復(fù)雜的工程問(wèn)題的能力，被廣泛地應(yīng)用在汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航天航空業(yè)、國(guó)防工業(yè)及通用機(jī)械制造業(yè)等不同領(lǐng)域中。世界著名的制造公司在生產(chǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中廣泛地應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，波音飛機(jī)公司777飛機(jī)的設(shè)計(jì)就是采用虛擬開(kāi)發(fā)技術(shù)的典型實(shí)例，開(kāi)發(fā)周期從通常的8午減少到5年，設(shè)計(jì)、裝機(jī)、測(cè)試均是在計(jì)算機(jī)中模擬完成．初
步做到無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)，保證了一次試制成功。其它如在克萊斯勒公司，已常采用虛擬產(chǎn)品建模。在福特汽車公司，虛擬分析樣機(jī)已很普遍。Motorola也正在研究和利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行2l世紀(jì)商業(yè)和DoD的軍用移動(dòng)分布式無(wú)線全球通訊系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研制，以減低開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。虛擬樣機(jī)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)可擺脫對(duì)物理樣機(jī)的依賴，體現(xiàn)了一種全新的研發(fā)模式，它在工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，必將給企業(yè)帶來(lái)重大的影響。
虛擬產(chǎn)品的銷售。虛擬樣機(jī)技術(shù)和柔性制造技術(shù)已經(jīng)使虛擬產(chǎn)品銷售成為可能，即企業(yè)先通過(guò)虛擬樣機(jī)找到客戶，再組織生產(chǎn)。因此企業(yè)在產(chǎn)品制造和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方面更具靈活性。
企業(yè)間的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟。產(chǎn)品的數(shù)字化使企業(yè)能夠通過(guò)Internet進(jìn)行產(chǎn)品信息的快速交流，克服單個(gè)企業(yè)資源的局限性，將具有開(kāi)發(fā)某種新產(chǎn)品所需的知識(shí)和技術(shù)的不同組織或企業(yè)組成一個(gè)臨時(shí)的企業(yè)聯(lián)盟，即企業(yè)間的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，以適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求和激烈競(jìng)爭(zhēng)。
1.3 設(shè)計(jì)的目的意義
本設(shè)計(jì)的目的，是根據(jù)當(dāng)前的先進(jìn)設(shè)計(jì)理論，通過(guò)所學(xué)知識(shí)，并利用Pro/E軟件平臺(tái)，對(duì)雨刮器做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，力求使刮刷面積進(jìn)一步增大，使得司機(jī)在任何時(shí)候都有一個(gè)清晰的視野，提高汽車行駛安全性。
1.4 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容與解決的主要問(wèn)題
1.4.1 研究的基本內(nèi)容
雨刮器總成含有電動(dòng)機(jī)、減速器、四連桿機(jī)構(gòu)、刮水臂心軸、刮水片總成等。本設(shè)計(jì)要求進(jìn)行捷達(dá)轎車雨刮器部件尺寸的設(shè)計(jì)，求解刮掃面積等；要選擇電機(jī)的型號(hào)，分析雨刮器的控制電路及間歇電路，分析電機(jī)的自動(dòng)回位裝置，確定雨刮器的硬件的尺寸等，求解雨刮器的刮掃面積，利用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，獲得運(yùn)動(dòng)的軌跡和速度，并運(yùn)用Pro/E繪出三維模型。
1.4.2 擬解決的主要問(wèn)題
解決問(wèn)題：
（1）分析雨刮器電子間歇控制電路；
（2）分析雨刮器的自動(dòng)回位裝置；
（3）確定雨刮器的控制方式；
（4）優(yōu)化雨刮器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
（5）確定刮刷區(qū)域，并計(jì)算最大刮刷面積；
（6）實(shí)現(xiàn)雨刮器的運(yùn)動(dòng)仿真；
（7）最終實(shí)現(xiàn)三維模型建立(Pro/E)。
解決方法：
（1）分析比較不同車型的控制電路及間歇控制電路，選擇其中一種；
（2）分析其他車型的自動(dòng)回位裝置，選擇合適的；
（3）比較分析不同雨刮器的控制方式，選擇一種；
（4）分析比較其他車型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選擇合適的優(yōu)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
（5）查閱參考資料中求解雨刮器的算法；
（6）學(xué)習(xí)ADAMS軟件，實(shí)現(xiàn)雨刮器的運(yùn)動(dòng)仿真；
（7）學(xué)習(xí)Pro/E軟件，建立雨刮器的三維模型。
第2章 轎車雨刮器
2.1 引言
汽車風(fēng)窗玻璃上時(shí)常會(huì)附著雨雪和塵土，如果不及時(shí)擦拭干凈，將會(huì)影響駕駛員的視線，對(duì)行車安全帶來(lái)很大不利。為了確保擋風(fēng)玻璃清潔明亮，汽車上都裝有風(fēng)窗雨刮器。其功能是將玻璃上的雨水、塵埃、污垢刮凈，以獲得清晰的視野，保證行車安全。汽車雨刮器，是一個(gè)很小卻又不容忽視的汽車部件，它能擦亮汽車的“雙眼”，使司機(jī)的視線更加清晰。汽車雨刮器是用來(lái)清掃汽車風(fēng)窗玻璃上的雨雪和塵埃的裝置，一旦它失去作用，將直接影響到司機(jī)雨天駕駛視野的清晰度。雨刮器看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到最終的刮刀的結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)動(dòng)方式都決定雨刮器的性能。
雨刮器雖然是汽車的附件，但很多汽車制造企業(yè)將雨刮器列為汽車的安全部件, 并將雨刮器的一些功能特性(如刮刷頻率)列為安全特性,由此可見(jiàn)，雨刮器與汽車的安全性能有著緊密的關(guān)系，是我們不容忽視的汽車部件。
目前國(guó)內(nèi)外的雨刮器都不能消除刮掃死角，本次設(shè)計(jì)也不能完全消除刮掃死角，但力求刮掃面積增大，使司機(jī)可以盡量有最寬闊的視野。
2.2 汽車雨刮器的研究現(xiàn)狀
雨刮器總成含有電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、四連桿機(jī)構(gòu)、刮水臂心軸、掛水片總成等。當(dāng)司機(jī)按下雨刮器的開(kāi)關(guān)時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿的減速增扭作用驅(qū)動(dòng)擺臂，擺臂帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)安裝在前圍板上的轉(zhuǎn)軸左右擺動(dòng)，最后由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)雨刮片刮掃擋風(fēng)玻璃。
雨刮器的種類很多, 按安裝位置分, 有頂置、底置、側(cè)置、前后置和內(nèi)外置等;按雨刮范圍分, 有局部雨刮、整體雨刮、單面雨刮和雙面雨刮;按運(yùn)動(dòng)方式分, 有四桿機(jī)構(gòu)左右擺動(dòng)式、導(dǎo)軌式直線和弧線運(yùn)動(dòng)式;按制作材料分,有普通黑膠體雨刮器、透明塑料體雨刮器和磁性體雨刮器。目前,車輛上廣泛使用的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)黑膠體雨刮器。
國(guó)外對(duì)汽車電動(dòng)雨刮器的性能要求：
1、耐久性能
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
（1）總成耐久試驗(yàn)
（2）刮片耐久試驗(yàn)
（3）橡膠片耐久試驗(yàn)
日本標(biāo)準(zhǔn)1976年JISD5710推薦
（1）橡膠片耐久試驗(yàn)
（2）總成耐久試驗(yàn) 試驗(yàn)后搖臂的壓力變化和試驗(yàn)前相比應(yīng)在15%以內(nèi), 搖臂和刮片的各部分不應(yīng)有明顯的松弛、松動(dòng)（配合、間隙等）或其他有害缺陷的產(chǎn)生。
2、強(qiáng)度性能
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
在刮動(dòng)過(guò)程中阻擋搖臂15秒，試驗(yàn)后應(yīng)仍能正常工作。
3、刮刷性能
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
耐久試驗(yàn) 試驗(yàn)后刷凈性能仍應(yīng)達(dá)到75%。
4、刮動(dòng)頻率
（1）美國(guó)文獻(xiàn)介紹 刮動(dòng)周期 1--20秒
（2）法國(guó)文獻(xiàn)介紹 刮動(dòng)頻率 12--40次/分
（3）美國(guó)文獻(xiàn)介紹 間隔 3秒較普遍
（4）英國(guó)文獻(xiàn)介紹 適應(yīng)極細(xì)雨時(shí)用, 頻率和間歇均能獨(dú)立控制。
（5）美國(guó)文獻(xiàn)介紹 傾盆大雨時(shí)的刮刷頻率可高達(dá)80次/分,高于上述頻率則雨刮將在風(fēng)窗玻璃水而上浮掠而過(guò), 破壞刮水性能。
（6）根據(jù)JB3033-81規(guī)定，高頻刮拭頻率為次/分，低頻為次/分。頻率之差>10次/分
5、接觸面壓力
（1）日本文獻(xiàn)介紹 刮片對(duì)風(fēng)窗玻璃的壓力 10--15克/公分。
（2）日本文獻(xiàn)介紹 接觸面壓力 低速 10克/公分 高速車 15克/公分
（3）美國(guó)文獻(xiàn)介紹 汽車速度大于60哩/時(shí), 則刮片將受到空氣的浮力而降低刮刷性能
（4）日本文獻(xiàn)介紹 在汽車速度為100公里/時(shí), 400毫米長(zhǎng)的刮片受到200克的空氣浮力, 使刮刷效果惡化, 此時(shí)為了改善其刮刷性能, 最低需要400克的壓力。
6、橡膠片與摩擦系數(shù)
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
（1）耐久試驗(yàn)
（2）化學(xué)試驗(yàn)
日本標(biāo)準(zhǔn)1976年JISD5710推薦 耐久試驗(yàn)
7、工作溫度范圍
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)1975年SAEJ903b推薦
（1）工作溫度范圍 55士3℃一
（2）高溫試驗(yàn) 溫度 55士3℃
最高速連續(xù)工作1/2小時(shí)
（3）低溫試驗(yàn) 溫度 -30士5℃
最高速連續(xù)工作1/2小時(shí)
法國(guó)文獻(xiàn)介紹 工作溫度范圍 -30℃-- 80℃
8、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)效率與擺角
日本文獻(xiàn)介紹 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)效率 80--85%
刮刷角度 ≯110o
如超過(guò)此限度, 則尺寸誤差變得敏感、且易越過(guò)死點(diǎn), 致使效率下降。
9、刮動(dòng)扭矩
日本文獻(xiàn)的介紹 刮動(dòng)扭矩大于50公斤· 厘米隨著風(fēng)窗玻璃的大型化, 刮片長(zhǎng)度大于280毫米的越來(lái)越多, 刮動(dòng)扭矩也隨著增大, 超過(guò)了50公斤· 厘來(lái)。
10、刮動(dòng)電流 法國(guó)文獻(xiàn)介紹 刮動(dòng)電流 0.1安培
國(guó)外對(duì)雨刮器的設(shè)計(jì)要求都有了明確并且高標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[4]。
而我國(guó)現(xiàn)階段的雨刮器發(fā)展現(xiàn)狀是新產(chǎn)品喜憂參半, 老產(chǎn)品一統(tǒng)天下。
（1）新產(chǎn)品喜憂參半。由于冬季車輛內(nèi)外溫差大,常常在車內(nèi)擋風(fēng)玻璃上結(jié)有很厚的一層冰霜, 必須使用熱水布反復(fù)擦除才能保證正常的視覺(jué)效果, 于是發(fā)明了雙面雨刮器。雙面雨刮器的不足是, 外雨刮片是車外物體, 內(nèi)雨刮片與其一起聯(lián)動(dòng), 容易分散駕駛員注意力而引起視覺(jué)疲勞, 危害行車安全。通過(guò)改進(jìn), 把內(nèi)雨刮片改成磁條式的, 無(wú)機(jī)械聯(lián)動(dòng), 需要時(shí)貼上, 用完后取下, 很方便。但是實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)磁性大小很難控制, 更麻煩的是加大磁場(chǎng)作用效果時(shí), 干擾車內(nèi)電子設(shè)備, 用手機(jī)做測(cè)試, 通話質(zhì)量差, 甚至車內(nèi)收放音設(shè)備無(wú)法正常工作。
局部雨刮一直是現(xiàn)用雨刮器的缺陷, 小范圍雨刮后視覺(jué)效果差, 影響駕駛員對(duì)前方全景的正確判斷。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn), 把雨刮片的曲線(圓周)往復(fù)運(yùn)動(dòng)改成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng), 雨刮面積加大。但是設(shè)計(jì)者把被雨刮的玻璃假想成直面矩形平板式, 而目前擋風(fēng)玻璃更多的是流線圓弧形等形狀, 直線整體雨刮在弧形玻璃上無(wú)法安裝。
傳統(tǒng)雨刮片的材料是黑膠體, 技術(shù)人員把它改成透明狀, 增強(qiáng)了視覺(jué)感光效果。在具體測(cè)試時(shí), 遇到雨天夜晚行車, 打開(kāi)雨刮設(shè)備, 各類光源被透明雨刮片折射后與透明棒形成新的“ 發(fā)光棒” , 司機(jī)原本可遠(yuǎn)距離觀察, 這時(shí)卻被發(fā)光棒來(lái)回運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的發(fā)光“ 墻面”遮掩而眩目。
（2）老產(chǎn)品一統(tǒng)天下。我國(guó)車輛工業(yè)近年來(lái)快速發(fā)展, 但是雨刮器作為一種附件, 其開(kāi)發(fā)一直得不到應(yīng)有的重視。一方面是用戶的使用和思維習(xí)慣, 另一方面是新產(chǎn)品的完備性和推廣價(jià)值不高。接受和認(rèn)可新型雨刮器要有一個(gè)過(guò)程, 真正的強(qiáng)適應(yīng)性雨刮器開(kāi)發(fā)出來(lái), 一定會(huì)是中國(guó)制造的一大特色。
普通雨刮器經(jīng)久不衰, 除了沒(méi)有可靠的替代品之外, 另一個(gè)很重要的原因就是其質(zhì)量穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低和易于維修。而前幾種新型雨刮器要么處于試驗(yàn)階段,要么質(zhì)量不穩(wěn)定, 制造商不敢投入太多的資金搞推廣[4]。
由于以上種種原因，我國(guó)廣泛應(yīng)用的雨刮器一直沒(méi)有新的改進(jìn)與進(jìn)展。因此我國(guó)現(xiàn)階段的目標(biāo)因該是在一定的技術(shù)要求下，改進(jìn)老產(chǎn)品的不足，結(jié)合其他新產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出新型的，刮掃面積大的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的雨刮器。
2.3 刮水電機(jī)
2.3.1 刮水電機(jī)型號(hào)的編制方法
根據(jù)《GB4831-1984電機(jī)產(chǎn)品型號(hào)編制方法》中規(guī)定，電機(jī)產(chǎn)品型號(hào)由產(chǎn)品代號(hào)、規(guī)格代號(hào)、特殊環(huán)境代號(hào)和補(bǔ)充代號(hào)等四部分按以上順序組成。
電機(jī)產(chǎn)品代號(hào)見(jiàn)表2.1。
規(guī)格代號(hào)見(jiàn)表2.2[5]。
表2.1 電機(jī)產(chǎn)品代號(hào)
序號(hào)
電機(jī)類型
代號(hào)
1
異步電動(dòng)機(jī)（籠型及繞線轉(zhuǎn)子型）
Y
2
同步電動(dòng)機(jī)
T
3
同步發(fā)電機(jī)（除汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)外）
TF
4
直流電動(dòng)機(jī)
Z ZD
5
直流發(fā)電機(jī)
ZF
6
汽輪發(fā)電機(jī)
QF
7
水輪發(fā)電機(jī)
SF
8
測(cè)功機(jī)
C
9
交流換向器電動(dòng)機(jī)
H
10
潛水電泵
Q
11
紡織用電機(jī)
F
表2.2 主要系列產(chǎn)品的規(guī)格代號(hào)
序號(hào)
系列產(chǎn)品
規(guī) 格 代 號(hào)
1
小型異步電動(dòng)機(jī)
中心高（mm）-機(jī)座長(zhǎng)度（字母代號(hào)）-鐵心長(zhǎng)度（數(shù)字代號(hào)）-極數(shù)
2
大型異步電動(dòng)機(jī)
中心高（mm）-鐵心長(zhǎng)度（數(shù)字代號(hào)）-極數(shù)
3
小型同步電機(jī)
中心高（mm）-機(jī)座長(zhǎng)度（字母代號(hào)）-鐵心長(zhǎng)度（數(shù)字代號(hào)）-極數(shù)
4
中大型同步電機(jī)
中心高（mm）-鐵心長(zhǎng)度（數(shù)字代號(hào)）-極數(shù)
5
小型直流電機(jī)
中心高（mm）-機(jī)座長(zhǎng)度（字母代號(hào)）
6
中型直流電機(jī)
中心高（mm）或機(jī)座號(hào)（數(shù)字代號(hào)）-鐵心長(zhǎng)度（數(shù)字代號(hào)）-電流等級(jí)（數(shù)字代號(hào)）
7
大型直流電機(jī)
電樞鐵芯外徑（mm）-鐵心長(zhǎng)度（mm）
8
汽輪發(fā)電機(jī)
功率（MW）-極數(shù)
9
中小型水輪發(fā)電機(jī)
功率（kw）-極數(shù)/定子鐵芯外徑（mm）
10
大型水輪發(fā)電機(jī)
功率（kw）-極數(shù)/定子鐵芯外徑（mm）
11
測(cè)功機(jī)
功率（kw）-轉(zhuǎn)速（僅對(duì)直流測(cè)功機(jī)）
2.3.2 減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
刮水電機(jī)的主要輸出形式有兩種：旋轉(zhuǎn)輸出與擺動(dòng)輸出。減速主要是一級(jí)或多級(jí)圓柱齒輪減速，蝸桿螺旋齒輪減速。
（1）圓柱齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出的特點(diǎn)
這種電機(jī)傳動(dòng)效率高，二級(jí)減速為80%以上，但噪音較難控制，它的大小取決于齒輪的加工精度及裝配體的尺寸精度，一般用于20W以下的電機(jī)減速，以增大力矩，如圖2.1所示。
圖2.1 二級(jí)圓柱齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出結(jié)構(gòu)
（2）蝸桿螺旋齒輪擺動(dòng)輸出的特點(diǎn)
這種電機(jī)減速傳動(dòng)的特性與上述相同，但它還將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)閿[動(dòng)運(yùn)動(dòng)的一套曲柄搖桿機(jī)構(gòu)同時(shí)置于減速箱內(nèi)，使刮水電機(jī)輸出形式直接為擺動(dòng)，如圖2.2所示。在20W以內(nèi)的刮水電機(jī)中，這種型式較常見(jiàn)，其特點(diǎn)是在車身前圍安裝方便，適應(yīng)性很強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊。
擺動(dòng)輸出也有圓柱齒輪減速的，其基本特點(diǎn)相近。
圖2.2 蝸桿螺旋齒輪減速擺動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)
（3）蝸桿螺旋齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出的特點(diǎn)
這種減速有時(shí)會(huì)被稱之為蝸輪蝸桿減速，但實(shí)際上刮水電機(jī)減速器是一個(gè)斜齒輪與蝸桿吻合，所以嚴(yán)格講應(yīng)該稱為螺旋齒輪減速。這類齒輪減速方式的優(yōu)點(diǎn)是加工成本低、噪音小、沖擊小、結(jié)構(gòu)緊湊、但傳動(dòng)效率低，約為50%。一般在15W以上的刮水電機(jī)中大多用此方式達(dá)到減速增大力矩，如圖2.3所示[6]。
圖2.3 蝸桿圓柱齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出結(jié)構(gòu)
2.3.3 刮水電機(jī)的控制電路分析
圖2.4 自動(dòng)復(fù)位裝置
（a）電樞短路制動(dòng) （b）雨刮電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)
（1）電動(dòng)刮水器的復(fù)位
如圖2.4刮水器自動(dòng)復(fù)位裝置示意圖。
在減速渦輪上，嵌有銅環(huán)，其中較大的一片與電機(jī)外殼相連接而搭鐵，觸點(diǎn)臂3、5用磷銅片制成（有彈性），其一端鉚有觸點(diǎn)，與蝸輪端面或銅片接觸。
當(dāng)電源開(kāi)關(guān)接通，把刮水器開(kāi)關(guān)拉到：“I”擋（低速擋）時(shí)，電路為電池正極→開(kāi)關(guān)1→熔斷絲2→電刷B3→電樞繞組→電刷B1→接線柱②→接觸片→接線柱③→搭鐵，此時(shí)電動(dòng)機(jī)以低速運(yùn)轉(zhuǎn)。
當(dāng)刮水器開(kāi)關(guān)拉到“Ⅱ”檔時(shí)，電路為蓄電池正極→開(kāi)關(guān)1→熔斷絲2→電刷B3→電樞繞組→電刷B2→接線柱④→接觸片→接線柱③→搭鐵，電動(dòng)機(jī)以高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
當(dāng)刮水器開(kāi)關(guān)推到0擋（停止位置）是，如果刮水器刮水片沒(méi)有回到原始位置（停放位置），由于觸點(diǎn)與銅環(huán)9接觸，則電流繼續(xù)流入電樞，其電路為蓄電池正極→開(kāi)關(guān)1→熔斷絲2→電刷B3→電樞繞組→電刷B1→接線柱②→接觸片→接線柱①觸點(diǎn)臂5→銅環(huán)9→搭鐵，形成回路，如圖2.4b所示，電動(dòng)機(jī)以低速運(yùn)轉(zhuǎn)直至蝸輪旋轉(zhuǎn)到圖2.4（a）所示的特定位置，電路中斷。由于電樞的慣性，電機(jī)不可能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)以發(fā)動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，此時(shí)電樞繞組通過(guò)觸點(diǎn)臂3、5與銅環(huán)7接通而短路，電樞繞組產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使刮水片復(fù)位到風(fēng)窗玻璃的下部[7]。
（2）電刷調(diào)速
圖2.5 雙速刮水電動(dòng)機(jī)的變速原理
(a)結(jié)構(gòu)原理 （b）電路原理
刮水電動(dòng)機(jī)通常采用改變兩電刷間串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)的方法進(jìn)行調(diào)速，如圖2.5所示。電刷B3為高低速公用電刷，B1用于低速，B2用于高速，B1與B2相差。電樞采用對(duì)稱疊繞式。
永磁式三刷電動(dòng)機(jī)，是利用三個(gè)電刷來(lái)改變正負(fù)電刷之間串聯(lián)的線圈數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速的。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在電樞內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，其方向與電樞電流的方向相反。如果使電樞旋轉(zhuǎn)，外加電壓必須克服反電動(dòng)的作用，即U＞e，當(dāng)電樞轉(zhuǎn)速上升時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)上升，只有當(dāng)外加電壓U幾乎等于反電動(dòng)勢(shì)e時(shí)，電樞的轉(zhuǎn)速才趨于穩(wěn)定。
三刷式電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)如圖2.5b所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)撥向L時(shí)，電源電壓U加在B1和B3之間。在電刷B1和B3之間有兩條并聯(lián)支路，一條是有線圈①⑥⑤串聯(lián)起來(lái)的之路，另一條是線圈②③④串聯(lián)起來(lái)的支路，即在電刷B1、B3間有兩條支路，各三個(gè)線圈。這些線圈產(chǎn)生的全部反電動(dòng)勢(shì)與電源電壓平衡后，電動(dòng)機(jī)便穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。由于有三個(gè)線圈串聯(lián)的反電動(dòng)勢(shì)與U平衡，故轉(zhuǎn)速較低。當(dāng)開(kāi)關(guān)撥向H時(shí)，電源電壓加在B2和B3之間。從圖2.5（b）可見(jiàn)，電樞繞組一條由四個(gè)線圈②①⑥⑤串聯(lián)，另一條有兩個(gè)線圈③④串聯(lián)。其中線圈②的反電動(dòng)勢(shì)與線圈①⑥⑤的反電動(dòng)勢(shì)方向相反，互相抵消后，變?yōu)橹挥袃蓚€(gè)線圈的反電動(dòng)勢(shì)與電源電壓平衡，因而只有轉(zhuǎn)速升高使反電動(dòng)勢(shì)增大，才能得到新的平衡，故此時(shí)轉(zhuǎn)速較高?？梢?jiàn)，兩電刷間的導(dǎo)體數(shù)減少，就會(huì)使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，這就是永磁三刷電動(dòng)機(jī)原理[8]。
（3）間歇刮水電路的分析
間隙式電動(dòng)刮水器的間歇功能主要靠間歇控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其控制電路如圖2.6所示。
圖2.6 間歇控制繼電器控制電路
刮水電機(jī)通電低速轉(zhuǎn)動(dòng)，刮水片低速擺動(dòng)。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)接通（ON）刮水器開(kāi)關(guān)撥至間歇（INT）檔位時(shí)，三極管將有基極電流通過(guò)而導(dǎo)通，集電極電流過(guò)繼電器圈磁化鐵心產(chǎn)生吸力吸閉觸點(diǎn)，使刮水電機(jī)低速電路經(jīng)過(guò)刮水器開(kāi)關(guān)間歇（INT）檔位而接通，刮水電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刮水片低速擺動(dòng)。
電容器被充電，從而保證刮水片擺動(dòng)時(shí)間。刮水電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部凸輪開(kāi)關(guān)迫使接點(diǎn)“S”與“+B”接點(diǎn)連通，電容被充電。由于電容器的充電電流通過(guò)三極管的基極，三極管將是始終保持導(dǎo)通，刮水電機(jī)也將保持低速轉(zhuǎn)動(dòng)。這一狀態(tài)將一直保持到電容器被充電到兩端的電壓與電源電壓相等為止。
刮水電機(jī)停轉(zhuǎn)，刮水片停止擺動(dòng)。當(dāng)刮水片被電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)一次回到自動(dòng)停止位置時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部凸輪開(kāi)關(guān)迫使接點(diǎn)“S”與“+B”接點(diǎn)斷開(kāi)，使“S”與“E”接點(diǎn)連通，此時(shí)充足電后的電容器“+”極直接搭鐵，電容器“-”極電位瞬變降低，從而導(dǎo)致三極管基極電位迅速降低而截止，繼電器線圈電路切斷，鐵心吸力消失，觸點(diǎn)回到初始位置。與此同時(shí)，電機(jī)低速電路被切斷，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
電容器被反向充電，刮水片恢復(fù)擺動(dòng)。電容器“-”極電位降低后，電源電壓便會(huì)經(jīng)偏置電阻對(duì)電容器反向充電，隨著電容器電壓的逐漸升高，三極管基極電位相應(yīng)升高至重新導(dǎo)通，繼電器觸電又被吸閉，刮水電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刮水片又重新擺動(dòng)。上述過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)間歇刮水功能。
三極管截止時(shí)間則為刮水片間歇時(shí)間，一般為3s～5s[9]。
2.4 雨刮器
雨刮器的作用是使刮水器系統(tǒng)達(dá)到其最終目的——有效地刮凈風(fēng)擋玻璃上刮拭范圍內(nèi)的雨水和塵埃，它是整個(gè)刮水系統(tǒng)效果好否的關(guān)鍵部件。
2.4.1 雨刮的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
雨刮分刮桿和刮片兩個(gè)部分，如圖2.7所示。刮桿部分是有接頭、刮桿臂、刮桿等零件組成的一個(gè)剛性桿件。接頭用以與傳動(dòng)軸輸出端相連接，刮臂等零件鉸接在接頭的轉(zhuǎn)軸銷上，在彈簧的作用下產(chǎn)生合適的壓力p給刮片中心，是指與風(fēng)擋玻璃吻合后進(jìn)行工作。
刮片部分是有橋架、膠條、卡簧、簧片等零件組成。主橋與副橋、簧片所夾持的膠條與橋腳、主橋軸心與刮桿聯(lián)接部分都合適地鉸接著，以保證與風(fēng)擋玻璃間具有正確吻合后進(jìn)行刮拭工作。刮片的橋架多少是刮片長(zhǎng)度和風(fēng)檔玻璃的曲率而定的，膠條簧片組成的端部?jī)H與橋架端部的一個(gè)橋腳固定，其余均可在橋腳間移動(dòng)，藉此保證膠條的曲線隨著風(fēng)擋玻璃的曲率變化而變化。
圖2.7 雨刮結(jié)構(gòu)
2.4.2 雨刮品質(zhì)的評(píng)價(jià)
雨刮的品質(zhì)是最終反映刮拭效果的關(guān)鍵，一般分下面幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)判。
（1）外觀質(zhì)量
雨刮表面必須經(jīng)防眩目處理，以防強(qiáng)光的反射造成對(duì)方駕駛員刺眼。一般在金屬件表面噴涂黑色無(wú)光或半光的環(huán)氧塑料，噴涂層應(yīng)與基體有較強(qiáng)的結(jié)合，在零件的棱角處觀察不應(yīng)有剝落或漏噴，噴涂面應(yīng)平整，光潔，不得有擦痕、起泡、掛料、堆積等疵病。
（2）裝配質(zhì)量
雨刮的各鉸接部位均應(yīng)靈活但又不可過(guò)份松動(dòng)，非鉸接中心軸線處的兩平面間不應(yīng)有明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)存在，例如接頭與主體、刮片與鉸接座等。
刮片的橋架之間鉸接同上一樣，橋架腳與膠條的保持部應(yīng)移動(dòng)靈活，對(duì)刮片進(jìn)行曲率變化，其反應(yīng)應(yīng)靈敏，釋放外力后能迅速還原。
刮桿對(duì)刮片的壓力應(yīng)合理。一般對(duì)曲刮來(lái)講，刮片每米長(zhǎng)應(yīng)有（12～16）克的力，測(cè)力的方法如圖2.8所示。
圖2.8 刮桿對(duì)刮片的壓力測(cè)量
（3）膠條的材料與質(zhì)量
刮片的刮拭性能及耐用度最終是反映在膠條上的。一般膠條是用合成膠及氯丁膠制成，它應(yīng)能在（+60～40）環(huán)境中耐一年以上的老化壽命，并保持一定的彈性恢復(fù)性能。硬度在邵爾氏（58～62）度，在自然狀態(tài)下應(yīng)平直，兩側(cè)無(wú)彎曲波。如圖2.9所示。工作時(shí)下壓的姿態(tài)應(yīng)合理（圖2.10），膠條工作部表面應(yīng)光滑，棱角清晰，膠條刃口應(yīng)平直（圖2.11）。若表面進(jìn)行氯化或石墨化處理則工作效果更好。
圖2.9 膠條自然狀態(tài)圖
1-兩側(cè)不應(yīng)有波紋形；2-刃口部；3-工作部；4-頸部；5-保持部
圖2.10 膠條工作狀態(tài)圖
刃口好 刃口差
圖2.11 膠條刃口圖
2.4.3 刮水器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
刮水器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸種類變化繁多，無(wú)統(tǒng)一的型號(hào)編制，因?yàn)樗膶Ｓ眯暂^強(qiáng)。其外形、安裝尺寸、刮拭角等尺寸參數(shù)基本上是由汽車制造廠根據(jù)汽車前圍的大小、高低及布置空間等要求而確定的。因此，習(xí)慣上對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的稱呼是根據(jù)車型而定的。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由一至三組曲柄搖桿機(jī)構(gòu)及雙搖桿機(jī)構(gòu)組成，如圖2.12所示。
圖2.12 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
四連桿機(jī)構(gòu)的桿件一般由管材或槽鋼制成。桿件間的鉸接點(diǎn)均是球形關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，以彌補(bǔ)桿件運(yùn)動(dòng)平面在制造和安裝上的誤差，球鉸節(jié)的外套由高能工程塑料制成，因此具有吸收沖擊和減少噪音、防止鉸接點(diǎn)咬死等優(yōu)點(diǎn)。在工作時(shí)運(yùn)動(dòng)靈活、平穩(wěn)，裝配維修時(shí)由于是靠零件的彈性過(guò)盈進(jìn)行軸向定位的，故不用專用工具即可方便拆卸[10]。
2.5 雨刮器相關(guān)參數(shù)的選擇
2.5.1 雨刮器尺寸初定
初定車窗面積、刮片長(zhǎng)度及刮掃角度如下：
圖2.13 車窗面積及雨刮初步設(shè)計(jì)圖
圖2.14 車窗面積及雨刮初步設(shè)計(jì)尺寸圖
根據(jù)已知轎車實(shí)際條件，初選雨刮器的右刮片長(zhǎng)度為350mm，左刮片長(zhǎng)度為400mm。曲柄與左搖桿之間的距離為250mm，曲柄與右搖桿之間的距離為200mm。初定左搖桿為60mm。初定刮片刮掃角度為85度。
2.5.2 曲柄搖桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2.15 左雨刮曲柄搖桿機(jī)構(gòu)計(jì)算圖
設(shè)曲柄長(zhǎng)度為a，左連桿長(zhǎng)度為b。
當(dāng)左搖桿運(yùn)動(dòng)到D位置時(shí)，AD=b-a，
當(dāng)左搖桿運(yùn)動(dòng)到E位置時(shí)，AE=a+b
所以AE-AD=a+b-b+a=2a
由圖可知AD=AB,AE-AD=BE=2a
測(cè)量出圖中BE的長(zhǎng)度為70mm，則曲柄長(zhǎng)度為35mm，左連桿長(zhǎng)度為230mm。
圖2.16 右雨刮曲柄搖桿機(jī)構(gòu)計(jì)算圖
由三角形余弦定理 得
解得：AB=70mm
BC=200mm
所以右搖桿為70mm，右連桿為235mm。
根據(jù)曲柄搖桿各桿長(zhǎng)度必須滿足以下條件，如圖2.17所示。
中
所以有：
（2.1）
將公式兩兩相加，化簡(jiǎn)可得：
（2.2）
圖2.17 四連桿機(jī)構(gòu)
根據(jù)以上計(jì)算，初選左右曲柄搖桿的尺寸，如圖2.18所示。
圖2.18 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
由上圖可知此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中有整轉(zhuǎn)副，曲柄為CF。
2.6 刮水電機(jī)的選擇及蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)分析
2.6.1 雨刮電機(jī)性能計(jì)算
1、刮水器電機(jī)和刮片、刮桿組裝后，刮水器電機(jī)負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩可以用下列公式進(jìn)行計(jì)算：
（kg·cm）{N·m}
式中T:刮水器電機(jī)負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩（kg·cm）{N·m}；
n:刮片的片數(shù)；
l:刮片的長(zhǎng)度（cm）；
P:刮片的壓力（N）；
k:傳動(dòng)桿傳動(dòng)系數(shù)=作用在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩/作用在刮水器軸上的轉(zhuǎn)矩
設(shè)計(jì)中，k值一般取1或小于1。
μ：擋風(fēng)玻璃表面與刮片膠條之間的摩擦系數(shù)。
擋風(fēng)玻璃表面狀態(tài)十分濕潤(rùn)時(shí)（Wet）μ=0.1~0.3。
擋風(fēng)玻璃表面狀態(tài)干燥時(shí)（Dry） μ=0.4~0.6。
擋風(fēng)玻璃表面狀態(tài)由濕潤(rùn)向干燥過(guò)渡中間的半干燥時(shí)（Dump dry）μ=0.7~1.2。
因?yàn)樵谪?fù)載下工作的電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩（假設(shè)為干燥或輕度的半干燥狀態(tài)）是公稱轉(zhuǎn)矩的15%，所以公稱轉(zhuǎn)矩可以右下式進(jìn)行計(jì)算。
公稱轉(zhuǎn)矩（kg·cm）{N·m}
這時(shí)k=1，μ=0.6~0.75，n=2。
刮桿的壓力：（N）
其中P：刮桿的壓力（N）；
L：刮片的長(zhǎng)度（cm）。
當(dāng)負(fù)載為最大時(shí)，電機(jī)功率：
（根據(jù)電機(jī)輸出特性曲線，負(fù)載為時(shí)查出電機(jī)轉(zhuǎn)速N）
高速熱態(tài)
高速冷態(tài)
低速熱態(tài)
低速冷態(tài)
圖2.19 電機(jī)輸出特性曲線
其中：P：電機(jī)功率（w），從而選定電機(jī)額定功率；
：電機(jī)內(nèi)部的阻尼系數(shù)，軸承和轉(zhuǎn)子，一般0.87~0.99。
2、刮水器總成刮水電機(jī)性能計(jì)算：
刮水電機(jī)濕狀態(tài)負(fù)載（μ取0.28）：
刮水電機(jī)半干燥狀態(tài)負(fù)載（μ取0.8）：
公稱轉(zhuǎn)矩：
（因?yàn)閷?shí)際情況一般為濕狀態(tài)或者半干狀態(tài)下刮刷，所以取這兩個(gè)狀態(tài)下的平均值來(lái)計(jì)算公稱轉(zhuǎn)矩）
當(dāng)負(fù)載為最大時(shí)，電機(jī)功率：
（根據(jù)電機(jī)輸出特性曲線，負(fù)載為2.60N.m時(shí)，轉(zhuǎn)速為59r/min）
根據(jù)上述計(jì)算，并且考慮制動(dòng)功率和經(jīng)驗(yàn)值，所選電機(jī)功率要大于計(jì)算功率。
所以選擇安徽宗申（通寶）ZD1335型號(hào)電機(jī)。該產(chǎn)品采用高性能磁鋼和優(yōu)質(zhì)的電磁線，具有良好的機(jī)械特性體積小，噪音低、運(yùn)行可靠。電機(jī)有雙速和單速兩種，有自動(dòng)復(fù)位裝置。
該產(chǎn)品有多種型號(hào)，適用于輕重型載貨車、微型面包車、轎車刮水器，安裝方便。
所選電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2.3。
表2.3 電機(jī)參數(shù)
型號(hào)
額定電壓
額定功率
額定轉(zhuǎn)速
ZD1335
12V
30W
45－65（rpm）
2.6.2 雨刮電機(jī)蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)分析
圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)
1、模數(shù)m和壓力角
如圖2.20 所示，通過(guò)蝸桿軸線并垂直于渦輪軸線的平面，稱為中間平面。由于蝸輪是用于與蝸桿形狀相仿的滾刀，按范成原理切制輪齒，所以在中間平面內(nèi)蝸輪與蝸桿的嚙合就相當(dāng)于漸開(kāi)線齒輪與齒條的嚙合。蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算都以中間平面的參數(shù)和幾何關(guān)系為準(zhǔn)。它們正確嚙合條件是：蝸桿軸向模數(shù)和軸向壓力角應(yīng)分別等于蝸輪端面壓力角即：
==
=
圖2.20 圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)
模數(shù)m的標(biāo)準(zhǔn)值，見(jiàn)表2.4；壓力角標(biāo)準(zhǔn)值為。相應(yīng)于切削刀具，ZA蝸桿取軸向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值，ZI蝸桿取法向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值。
如圖2.20所示，齒厚與齒槽寬相等的圓柱稱為蝸桿分度圓柱。蝸桿分度圓直徑以表示，其值見(jiàn)表2.4。蝸輪分度圓直徑以表示。
表2.4 圓柱蝸桿的基本尺寸和參數(shù)
m/mm
mm
q
m/mm
mm
q
1
18
1
18.00
18
6.3
63
1,2,4,6
10.000
2500
1.25
20
1
16.000
31.25
112
1
17.778
4445
22.4
1
17.920
35
8
80
1,2,4,6
10.000
5120
1.6
20
1,2,4
12.500
51.2
140
1
17.500
8960
28
1
17.500
71.68
10
90
1,2,4,6
9.000
9000
2
22.4
1,2,4,6
11.200
89.6
160
1
16.000
16000
35..5
1
17.750
142
12.5
112
1,2,4
8.960
17500
2.5
28
1,2,4,6
11.200
175
200
1
16.000
31250
45
1
18.000
281
16
140
1,2,4
8.750
35840
3.15
35.5
1,2,4,6
11.270
352
250
1
15.625
64000
56
1
17.778
556
20
160
1,2,4
8.000
64000
4
40
1,2,4,6
10.000
640
315
1
15.750
126000
71
1
17.750
1136
25
200
1,2,4
8.000
125000
5
50
1,2,4,6
10.000
1250
400
1
16.000
250000
90
1
18.000
2250
在兩軸交錯(cuò)角為的蝸桿傳動(dòng)中，蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角應(yīng)等于蝸桿分度圓柱上的螺旋角，且兩者的旋向必須相同，即
=
2、傳動(dòng)比i、蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)
當(dāng)蝸桿每分鐘轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)，將在軸向推進(jìn)個(gè)升距=，式中p為周節(jié)；與此同時(shí)蝸輪將被推動(dòng)在分度圓弧上轉(zhuǎn)過(guò)相同的距離，故蝸輪每分鐘相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)數(shù)為。因此，其傳動(dòng)比為
（2.3）
通常蝸桿頭數(shù)。若要得到大的傳動(dòng)比時(shí)，可取，但傳動(dòng)效率低。傳遞功率較大時(shí)，為提高效率可采用多頭蝸桿，取或4。
蝸輪齒數(shù)。、的推薦值見(jiàn)表2.5。為了避免蝸輪輪齒發(fā)生根切，不應(yīng)少于26，但也不宜大于80。若過(guò)多，會(huì)使結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，蝸桿長(zhǎng)度也隨之增加，致使蝸桿剛度和嚙合精度下降。
表2.5 蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)的推薦值
傳動(dòng)比i
7~13
14~27
28~40
>40
蝸桿頭數(shù)
4
2
2、1
1
蝸輪齒數(shù)
28~52
28~54
28~80
>40
3、蝸桿直徑系數(shù)q和導(dǎo)程角
切制蝸輪的滾刀，其直徑及齒形參數(shù)必須與相應(yīng)的蝸桿相同。如果蝸桿分度圓直徑不作必要的限制，刀具品種和數(shù)量勢(shì)必太多。為了減少刀具數(shù)量并便于標(biāo)準(zhǔn)化，制定了蝸桿分度圓直徑的標(biāo)準(zhǔn)系列。國(guó)標(biāo)GB/T10085-1988中，每一個(gè)模數(shù)只與一個(gè)或幾個(gè)蝸桿分度圓直徑的標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)應(yīng)（見(jiàn)表2.4）。
蝸桿螺旋面和分度圓柱的交線是螺旋線。設(shè)為蝸桿分度圓柱上的螺旋線導(dǎo)程角， 為軸向齒距
（2.4）
式中：為蝸桿分度圓直徑與模數(shù)的比值，稱為蝸桿直徑系數(shù)。
由上式可知，越?。ɑ騫越?。?dǎo)程角越大，傳動(dòng)效率也越高，但蝸桿的剛度和強(qiáng)度越小。通常，轉(zhuǎn)速高的蝸桿可取較小的值，蝸輪齒數(shù)較多時(shí)可取較大的值。
4、中心距a
當(dāng)蝸桿節(jié)圓與分度圓重合時(shí)稱為標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)，其中心距計(jì)算式為
（2.5）
2.7 本章小結(jié)
本章對(duì)雨刮器的組成、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概述，對(duì)電機(jī)的型號(hào)、類型也進(jìn)行了介紹。介紹了四連桿結(jié)構(gòu)的類型和刮水片的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，對(duì)雨刮器的間歇刮水電路、復(fù)位電路、刮水控制電路進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)了雨刮器的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的尺寸，并確定了雨刮臂和雨刮片的尺寸，通過(guò)計(jì)算選取了刮水電機(jī)，并分析了蝸輪蝸桿減速的設(shè)計(jì)。
第3章 ADAMS建模分析
3.1 ADAMS功能簡(jiǎn)介
機(jī)械系統(tǒng)分析軟件ADAMS是世界上應(yīng)用廣泛的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。它是有美國(guó)學(xué)者蔡斯等人利用多剛體動(dòng)力學(xué)理論，選取系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)剛體質(zhì)心在慣性參考系中的三個(gè)直角坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角為廣義坐標(biāo)編制的計(jì)算程序。ADAMS軟件應(yīng)用了解決剛性積分問(wèn)題的方法，并采用稀疏矩陣技術(shù)提高了計(jì)算效率。
用戶利用ADAMS軟件可以建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上仿真分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。目前ADAMS軟件在汽車和航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。利用ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的幾何模型。該模型可以是在ADAMS軟件中直接建造的簡(jiǎn)化幾何模型，也可以是從其他CAD軟件中轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的造型逼真的幾何模型；然后，在幾何模型上施加力和力矩及運(yùn)動(dòng)激勵(lì)；最后執(zhí)行一組與實(shí)際狀況十分接近的運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試，得到實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真。
機(jī)械系統(tǒng)分析軟件ADAMS使用交互式圖形環(huán)境和部件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，用堆積木式方法建立三維機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化模型并通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能的仿真分析和比較來(lái)研究“虛擬樣機(jī)”可供選擇的設(shè)計(jì)方案。ADAMS仿真可用于估計(jì)機(jī)械系統(tǒng)性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的載荷輸入。ADAMS的核心仿真軟件包有交互式圖形環(huán)境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver。還有建模用集成用、顯示用、擴(kuò)展模塊。
ADAMS軟件包括3個(gè)最基本的解題程序模塊：ADAMS/View（界面模塊）、ADAMS/Slover（求解器）和ADAMS/Postprocessor（后處理）。另外還有一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用的附加程序模塊，例如：ADAMS/Car（轎車模塊）、ADAMS/Rail（機(jī)車模塊）、ADAMS/Driver（駕駛員模塊）、ADAMS/Tire（輪胎模塊）、ADAMS/Linear（線性模塊）、ADAMS/Flex（柔性模塊）、 ADAMS/Control（控制模塊）、 ADAMS/FEA （有限元模塊）、 ADAMS/Hydraulics（液壓模塊）、 ADAMS/Exchange（接口模塊）、 Mechanism/Fro（與Pro/Engineer的接口模塊）、ADAMS/Animation（高速動(dòng)畫模塊）等。
3.2 基于ADAMS虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)流程
· 幾何建模
· 施加運(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)約束
· 施加載荷
樣機(jī)建模
仿真
分析
· 設(shè)置測(cè)量和仿真輸出
· 進(jìn)行仿真分析
· 回放仿真結(jié)果
· 繪制仿真結(jié)果曲線
驗(yàn)證仿真
分析結(jié)果
· 輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
· 添加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線
精制樣機(jī)
模型
· 增加摩擦力
· 定義柔性物體和連接
· 改進(jìn)載荷函數(shù)
· 定義控制
與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致?
迭代
設(shè)計(jì)
· 設(shè)置可變參數(shù)點(diǎn)
· 定義設(shè)計(jì)變量
否
是
優(yōu)化設(shè)計(jì)
· 進(jìn)行主要設(shè)計(jì)影響因素研究
· 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究
· 進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
自動(dòng)化
設(shè)計(jì)
· 創(chuàng)建用戶自定義界面
· 創(chuàng)建用戶自定義對(duì)話框
· 記錄和重現(xiàn)仿真過(guò)程
圖3.1 基于ADAMS虛擬技術(shù)開(kāi)發(fā)流程
3.3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)改進(jìn)
根據(jù)上一章節(jié)中所計(jì)算出的曲柄搖桿的尺寸在ADAMS中建模，結(jié)果發(fā)現(xiàn)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)不能完全運(yùn)轉(zhuǎn)到位，并且刮片之間發(fā)生了干涉，因此在ADAMS中進(jìn)行了改進(jìn)，再次建立模型。改進(jìn)后的尺寸如圖3.2。
圖3.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
并且確定右刮片長(zhǎng)350mm，左刮片長(zhǎng)400mm。
3.4 新模型建立
在ADAMS下，根據(jù)重新定好的尺寸，利用點(diǎn)工具，建立曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)如圖3.3。
圖3.3 各點(diǎn)所在位置視圖
利用桿工具，連接各點(diǎn)，建立各個(gè)桿。如圖3.4所示。
圖3.4 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)圖
根據(jù)要求，把各桿用鉸接和鎖定約束，在搖桿上加一個(gè)電機(jī)的，使搖桿可以轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖所示。如圖3.5所示
圖3.5 約束圖
完成ADAMS模型建立，初步仿真不干涉，如圖3.6所示。
圖3.6 完成模型圖
3.5 本章小結(jié)
本章對(duì)ADAMS的發(fā)展以及基本功能進(jìn)行了概述，并運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)雨刮器的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行初步干涉檢驗(yàn)，從而更加準(zhǔn)確的確定了雨刮器曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的尺寸，以便接下來(lái)實(shí)現(xiàn)Pro/E建模。
第4章 Pro/E模型的建立與裝配
4.1 三維CAD建模技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用
汽車行業(yè)是CAD技術(shù)最先應(yīng)用的領(lǐng)域之一，國(guó)外一些著名的汽車公司很早就自行開(kāi)發(fā)CAD軟件。到現(xiàn)在，CAD技術(shù)幾乎被所有汽車公司所采用，可以說(shuō)CAD技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助工程分析）的應(yīng)用水平，已經(jīng)成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家汽車工業(yè)水平的重要指標(biāo)。在我國(guó)，汽車企業(yè)一直都作為國(guó)家和地方的利稅大戶，同時(shí)也是CAD技術(shù)應(yīng)用的先鋒。CAD技術(shù)在企業(yè)中的成功應(yīng)用，不僅帶來(lái)了企業(yè)技術(shù)上的創(chuàng)新，同時(shí)帶動(dòng)了企業(yè)經(jīng)營(yíng)、管理舊模式的變革。因此，它對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造、新技術(shù)的興起，以及汽車工業(yè)提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力等方面，起到了巨大的推動(dòng)作用。
傳統(tǒng)的汽車車身設(shè)計(jì)方法的整個(gè)過(guò)程是基于手工設(shè)計(jì)完成的，其特點(diǎn)是整個(gè)過(guò)程是通過(guò)實(shí)物、模型、圖紙、樣板等來(lái)傳遞信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐步代替人腦承擔(dān)起復(fù)雜的計(jì)算和分析，同時(shí)引進(jìn)CAD等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，幫助工程師們拋掉傳統(tǒng)的手工方式，既方便設(shè)計(jì)，又能改善設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。因此，國(guó)外著名汽車公司都不惜花巨資實(shí)施CAD技術(shù)，一方面加快新車型上市的速度滿足復(fù)雜多變的市場(chǎng)需求，另一方面節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，向消費(fèi)者提供物美價(jià)廉、物超所值的產(chǎn)品，從而提高自身市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
在CAD技術(shù)發(fā)展初期，美國(guó)通用公司就自主研發(fā)以設(shè)計(jì)車身為目標(biāo)的 DAC—1系統(tǒng)，來(lái)分析和綜合車身的三維曲線設(shè)計(jì)。到上世紀(jì)90年代初，美國(guó)通用汽車公司選中UG作為全公司的 CAD/CAE/CAM/CIM主導(dǎo)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，公司已100%采用CAD來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，并取消了中間過(guò)程，使計(jì)算機(jī)與制造終端直接相連，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。
我國(guó)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始研究和推廣CAD，使得CAD技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，并從中取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。到目前為止，國(guó)內(nèi)大型制造型企業(yè)如汽車企業(yè)已普遍實(shí)施了CAD系統(tǒng)，取代手工作業(yè)，一些大型汽車企業(yè)的CAD應(yīng)用水平也接近國(guó)際先進(jìn)水平。但由于我國(guó)CAD軟件自主研發(fā)術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家之間存在巨大的差距，國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和公司推出的CAD系列軟件得不到更廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)占有率低，尤其在CAD系統(tǒng)集成方面還是剛剛起步。隨著我國(guó)市場(chǎng)化程度的加深，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，迫使汽車企業(yè)必須改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、管理、銷售模式，來(lái)提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)應(yīng)變能力?？梢哉f(shuō)，實(shí)施CAD系統(tǒng)是最有效的方式之一。
CAD技術(shù)對(duì)于中國(guó)汽車企業(yè)的重要性是不言而喻的。盡管在2002年，中國(guó)汽車行業(yè)發(fā)生“井噴”，一時(shí)間汽車成為和手機(jī)、房子一樣炙手可熱的商品，中國(guó)汽車業(yè)就此迎來(lái)了發(fā)展的大好時(shí)機(jī)。同時(shí)，國(guó)外汽車企業(yè)看到了中國(guó)廣闊的汽車市場(chǎng)，紛紛在華投資建廠，而國(guó)內(nèi)的汽車公司趁機(jī)和國(guó)外公司合資，以為可以借助外國(guó)公司先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高自身的研發(fā)能力，可實(shí)際上事與愿違。外國(guó)公司并不愿意把先進(jìn)的技術(shù)介紹給中國(guó)的公司，中國(guó)公司始終充當(dāng)著OEM的角色，僅僅是外國(guó)公司在中國(guó)的制造基地，汽車研發(fā)水平仍難有所提高。
在2006年，國(guó)家將按照對(duì)WTO的承諾取消汽車進(jìn)口配額。步入21世紀(jì)的中國(guó)汽車工業(yè)將受到來(lái)自跨國(guó)汽車公司的
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