轎車雨刮器結構設計及運動仿真【三維PROE】【含11張CAD圖紙+文檔全套】
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SY-025-BY-3
畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
裴立梅
系部
汽車與交通工程學院
專業(yè)、班級
B07- 1班
指導教師姓名
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
轎車雨刮器結構設計與運動仿真
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機、減速機、四連桿機構、刮水臂心軸、掛水片總成等。當司機按下雨刮器的開關時，電動機啟動，電動機的轉速經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速增扭作用驅動擺臂，擺臂帶動四連桿機構、四連桿機構帶動安裝在前圍板上的轉軸左右擺動，最后由轉軸帶動雨刮片刮掃擋風玻璃。
雨刮器的種類很多, 按安裝位置分, 有頂置、底置、側置、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;按運動方式分, 有四桿機構左右擺動式、導軌式直線和弧線運動式;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構黑膠體雨刮器。
國外對汽車電動雨刮器的性能要求：
1.耐久性能
（一）美國標準1975年SAEJ903b推薦
(1)總成耐久試驗
(2)刮片耐久試驗
(3)橡膠片耐久試驗
（二）日本標準1976年JISD5710推薦
（1）橡膠片耐久試驗
（2）總成耐久試驗 試驗后搖臂的壓力變化和試驗前相比應在15%以內(nèi), 搖臂和刮片的各部分不應有明顯的松弛、松動（配合、間隙等）或其他有害缺陷的產(chǎn)生。
2.強度性能
美國標準1975年SAEJ903b推薦
在刮動過程中阻擋搖臂15秒，試驗后應仍能正常工作。
3.刮刷性能
美國標準1975年SAEJ903b推薦
耐久試驗 試驗后刷凈性能仍應達到75%。
4.刮動頻率
（一）美國文獻介紹 刮動周期 1--20秒
（二）法國文獻介紹 刮動頻率 12--40次/分
（三）美國文獻介紹 間隔 3 秒較普遍
（四）英國文獻介紹 適應極細雨時用, 頻率和間歇均能獨立控制。
（五）美國文獻介紹 傾盆大雨時刮刷頻率可高達80次/分,高于上述頻率則雨刮將在風窗玻璃水而上浮掠而過, 破壞刮水性能。
5. 接觸面壓力
（一）日本文獻介紹 刮片對風窗玻璃的壓力 10--15克/公分
（二）日本文獻介紹 接觸面壓力 低速 10克/公分 高速車 15克/公分
（三）美國文獻介紹 汽車速度大于60哩/時, 則刮片將受到空氣的浮力而降低刮刷性能
（四）日本文獻介紹 在汽車速度為100公里/時, 400毫米長的刮片受到200克的空氣浮力, 使刮刷效果惡化, 此時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）美國標準1975年SAEJ903b推薦
（1）耐久試驗 （2）化學試驗
（二）日本標準1976年JISD5710推薦 耐久試驗
7.工作溫度范圍
（一）美國標準1975年SAEJ903b推薦
（1）工作溫度范圍 55士3℃一
（2）高溫試驗 溫度 55士3℃ 最高速連續(xù)工作1/2小時
（3）低溫試驗 溫度 -30士5℃ 最高速連續(xù)工作1/2小時
（二）法國文獻介紹 工作溫度范圍 -30℃-- 80℃
8. 聯(lián)動機構效率與擺角
日本文獻介紹 聯(lián)動機構效率 80一85% 刮刷角度 ≯110o
如超過此限度, 則尺寸誤差變得敏感、且易越過死點, 致使效率下降。
9.刮動扭矩
日本文獻的介紹 刮動扭矩大于50公斤· 厘米隨著風窗玻璃的大型化, 刮片長度大于280毫米的越來越多, 刮動扭矩也隨著增大, 超過了50公斤· 厘來。
10.刮動電流 法國文獻介紹 刮動電流 0.1安培
國外對雨刮器的設計要求都有了明確并且高標準的規(guī)定。
而我國現(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)擋風玻璃上結有很厚的一層冰霜, 必須使用熱水布反復擦除才能保證正常的視覺效果, 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, 容易分散駕駛員注意力而引起視覺疲勞, 危害行車安全。通過改進, 把內(nèi)雨刮片改成磁條式的, 無機械聯(lián)動, 需要時貼上, 用完后取下, 很方便。但是實際使用中發(fā)現(xiàn)磁性大小很難控制, 更麻煩的是加大磁場作用效果時, 干擾車內(nèi)電子設備, 用手機做測試, 通話質量差, 甚至車內(nèi)收放音設備無法正常工作。
局部雨刮一直是現(xiàn)用雨刮器的缺陷, 小范圍雨刮后視覺效果差, 影響駕駛員對前方全景的正確判斷。經(jīng)過不斷改進, 把雨刮片的曲線(圓周)往復運動改成直線往復運動, 雨刮面積加大。但是設計者把被雨刮的玻璃假想成直面矩形平板式, 而目前擋風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法安裝。
傳統(tǒng)雨刮片的材料是黑膠體, 技術人員把它改成透明狀, 增強了視覺感光效果。在具體測試時, 遇到雨天夜晚行車, 打開雨刮設備, 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” , 司機原本可遠距離觀察, 這時卻被發(fā)光棒來回運動構成的發(fā)光“ 墻面”遮掩而眩目。
(2)老產(chǎn)品一統(tǒng)天下。我國車輛工業(yè)近年來快速發(fā)展, 但是雨刮器作為一種附件, 其開發(fā)一直得不到應有的重視。一方面是用戶的使用和思維習慣, 另一方面是新產(chǎn)品的完備性和推廣價值不高。接受和認可新型雨刮器要有一個過程, 真正的強適應性雨刮器開發(fā)出來, 一定會是中國制造的一大特色。
普通雨刮器經(jīng)久不衰, 除了沒有可靠的替代品之外, 另一個很重要的原因就是其質量穩(wěn)定、結構簡單、故障率低和易于維修。而前幾種新型雨刮器要么處于試驗階段,要么質量不穩(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，我國廣泛應用的雨刮器一直沒有新的改進與進展。因此我國現(xiàn)階段的目標因該是在一定的技術要求下，改進老產(chǎn)品的不足，結合其他新產(chǎn)品的優(yōu)點，設計出新型的，刮掃面積大的，結構簡單、穩(wěn)定的，經(jīng)濟實用的雨刮器。
目的：
雨刮器看似結構簡單，但是從驅動電機到最終的刮刀的結構尺寸和運動方式都決定雨刮器的性能。本設計在三維建模軟件與動力學仿真軟件平臺上建立某類型雨刮器模型。為生產(chǎn)實際提供理論參考。我想通過我所學的知識，并利用Pro/E軟件平臺，對雨刮器做進一步的設計，力求使刮刷面積進一步增大，使得司機在任何時候都有一個清晰的視野，提高汽車行駛安全性。本設計可以使學生在復習所學課程的基礎上，從機械設計、汽車構造、汽車電器以及三維軟件等方面做出全面的總結和學習，為以后的工作打下基礎。
意義：
汽車雨刮器，是一個很小卻又不容忽視的汽車部件，它能擦亮汽車的“雙眼”，使司機的視線更加清晰。汽車雨刮器是用來清掃汽車風窗玻璃上的雨雪和塵埃的裝置，一旦它失去作用，將直接影響到司機雨天駕駛視野的清晰度。雨刮器看似結構簡單，但是從驅動電機到最終的刮刀的結構尺寸和運動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，雨刮器與汽車的安全性能有著緊密的關系，是我們不容忽視的汽車部件。
目前國內(nèi)外的雨刮器都不能消除刮掃死角，本次設計也不能完全消除刮掃死角，但力求掛掃面積增大，使司機可以盡量有最寬闊的視野。
二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
基本內(nèi)容：
雨刮器總成含有電動機、減速器、四連桿機構、刮水臂心軸、刮水片總成等。本設計要求進行捷達轎車雨刮器部件尺寸的設計，求解掛掃面積等；要選擇電機的型號，分析雨刮器的控制電路及間歇電路，分析電機的自動回位裝置，確定雨刮器的硬件的尺寸等，利用LabVIEW軟件對雨刮器進行控制，求解雨刮器的刮掃面積，利用ADAMS軟件進行運動分析，獲得運動的軌跡和速度，并運用Pro/E繪出三維模型。
解決問題：
（1）分析雨刮器電子間歇控制電路；
（2）分析雨刮器的自動回位裝置；
（3）確定雨刮器的控制方式；
（4）優(yōu)化雨刮器傳動機構；
（5）確定刮刷區(qū)域，并計算最大刮刷面積；
（6）實現(xiàn)雨刮器的運動仿真；
（7）最終實現(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，單片機控制，labview控制等。選擇其中一種。
（4）分析比較其他車型的傳動機構，選擇合適的優(yōu)化傳動機構。
（5）查閱參考資料中求解雨刮器的算法。
（6）學習ADAMS軟件，實現(xiàn)雨刮器的運動仿真。
（7）學習Pro/E軟件，建立雨刮器的三維模型。
三、技術路線（研究方法）
利用Pro/E建立三維模型
計算雨刮器的掛掃面積
學習Adams軟件
進行仿真分析
確定雨刮器的控制方式
確定雨刮器的尺寸及連桿結構
分析雨刮器的連桿結構、組成及運動方式
查閱雨刮器的相關文獻
分析雨刮器的控制電路、間歇控制電路及自動回位裝置
選擇不同車型的雨刮器的控制電路及控制方法進行分析比較
四、進度安排
（1）調(diào)研、資料收集、完成開題報告 第1、2周（2月28日～3月6日）
(2) 根據(jù)選定轎車的相關尺寸參數(shù)進行相關部件的參數(shù)計算，并進行驗證 第 3、4周（3月7日～3月20日）
(3) 在ADAMS軟件平臺上建立零件的等比例物理模型，進行運動學分析 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）設計1.5萬字說明書一份，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)設計審核、修改 第15、16周（5月30日～6月12日）
（7）畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月13日～6月 19日）
五、參考文獻
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六、備注
自學ADAMS、LabVIEW軟件。
七、指導教師意見：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設計（論文）開題報告
設計（論文）題目: 轎車雨刮器結構設計與運動仿真
院 系 名 稱: 汽車與交通工程學院
專 業(yè) 班 級: 車輛工程B07-1班
學 生 姓 名: 裴立梅
導 師 姓 名: 楊 兆
開 題 時 間: 2011年3月11日
指導委員會審查意見：
簽字： 年 月 日
本科學生畢業(yè)設計
轎車雨刮器結構設計與運動仿真
系部名稱： 汽車與交通工程學院
專業(yè)班級： 車輛工程 B07-01班
學生姓名： 裴立梅
指導教師： 楊 兆
職 稱： 講 師
黑 龍 江 工 程 學 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
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
摘 要
汽車雨刮器，是一個很小卻又不容忽視的汽車部件，它能擦亮汽車的擋風玻璃，使司機的視線更加清晰。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。有的國家已將雨刮器的技術狀態(tài)列入車輛年檢項目。
本設計要求進行轎車雨刮器部件尺寸的設計，求解刮掃面積，電機選型，電路分析，利用ADAMS軟件進行運動分析，獲得運動的軌跡和速度，并用Pro/E繪出三維模型。
運用三維建模軟件Pro/E與動力學仿真軟件ADAMS建立雨刮器模型，并進行運動仿真，分析雨刮器的運動曲線，對雨刮器做進一步的設計，力求使刮刷區(qū)域進一步增大，為生產(chǎn)實際提供理論參考。
關鍵詞：雨刮器；間歇電路控制；虛擬設計；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 虛擬樣機技術 1
1.2 虛擬樣機技術的應用及發(fā)展 1
1.3 設計的目的意義 2
1.4 設計的基本內(nèi)容與解決的主要問題 2
1.4.1 研究的基本內(nèi)容 2
1.4.2 擬解決的主要問題 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 7
2.3.1 刮水電機型號的編制方法 7
2.3.2 減速器的結構特點 9
2.3.3 刮水電機的控制電路分析 11
2.4 雨刮器 14
2.4.1 雨刮的組成和結構特點 14
2.4.2 雨刮品質的評價 14
2.4.3 刮水器傳動機構 16
2.5 雨刮器相關參數(shù)的選擇 17
2.5.1 雨刮器尺寸初定 17
2.5.2 曲柄搖桿結構設計 18
2.6 刮水電機的選擇及蝸輪蝸桿設計分析 20
2.6.1 雨刮電機性能計算 20
2.6.2 雨刮電機蝸輪蝸桿設計分析 22
2.7 本章小結 25
第3章 ADAMS建模分析 26
3.1 ADAMS功能簡介 26
3.2 基于ADAMS虛擬樣機開發(fā)流程 27
3.3 曲柄搖桿機構改進 28
3.4 新模型建立 28
3.5 本章小結 30
第4章 Pro/E模型的建立與裝配 31
4.1 三維CAD建模技術在汽車行業(yè)的應用 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 38
第5章 模擬仿真 39
5.1 將Pro/E裝配模型導入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動進行仿真 42
5.4 繪制出仿真數(shù)據(jù)分析圖 45
5.5 利用函數(shù)控制雨刮器進行間歇刮水 54
5.6 雨刮器刮掃面積的分析計算 55
5.7 本章小結 56
結 論 57
參考文獻 58
致 謝 60
附 錄A 61
附 錄B 67
第1章 緒 論
1.1 虛擬樣機技術
虛擬樣機技術是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)方法，它足一種基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的數(shù)字化設計方法。這些數(shù)字模型即虛擬樣機(virtual prototype)，將不同工程領域的開發(fā)模型結臺在一起，它從外觀、功能和行為上模擬真實產(chǎn)品．支持并行工程方法學。虛擬樣機技術涉及多體系統(tǒng)運動學與動力學建模理論及其技術實現(xiàn)，是基于先進的建模技術、多領域仿真技術、信息管理技術、交互式用戶界面技術和虛擬現(xiàn)實技術的綜合應用技術[21]。
虛擬樣機技術是在CAx(如CAD、CAM、CAE等)／DFx(如DFA、DFM等)技術基礎卜的發(fā)展，它進一步融合信息技術、先進制造技術和先進仿真技術，將這些技術應用于復雜系統(tǒng)全生命周期、全系統(tǒng)、并對它們進行綜合管理，從系統(tǒng)的層面來分析復雜系統(tǒng)，支持“由上至下”的復雜系統(tǒng)開發(fā)模式。
虛擬樣機技術不僅是計算機技術在工程領域的成功應用，更是一種全新的機械產(chǎn)品設計理念。一方面與傳統(tǒng)的仿真分析相比，傳統(tǒng)的仿真一般是針對單個子系統(tǒng)的仿真，而虛擬樣機技術則是強調(diào)整體的優(yōu)化，它通過虛擬整機與虛擬環(huán)境的耦合，對產(chǎn)品多種設計方案進行測試、評估，并不斷改進設計方案，直到獲得最優(yōu)的整機性能。另一方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計方法是一個串行的過程，各子系統(tǒng)（如：整機結構、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）的設計都是獨立的，忽略了各子系統(tǒng)之間的動態(tài)交互與協(xié)同求解，因此設計的不足往往到產(chǎn)品開發(fā)的后期才被發(fā)現(xiàn)，造成嚴重浪費。運用虛擬樣機技術可以快速地建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)在內(nèi)的多體動力學虛擬樣機，實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設計，可在產(chǎn)品設計初期及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，把系統(tǒng)的測試分析作為整個產(chǎn)品設計過程的驅動。
1.2 虛擬樣機技術的應用及發(fā)展
近年來，虛擬樣機技術及其應用已經(jīng)獲得重大進展，已經(jīng)具備處理日益復雜的工程問題的能力，被廣泛地應用在汽車制造業(yè)、工程機械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及通用機械制造業(yè)等不同領域中。世界著名的制造公司在生產(chǎn)開發(fā)過程中廣泛地應用虛擬樣機技術，波音飛機公司777飛機的設計就是采用虛擬開發(fā)技術的典型實例，開發(fā)周期從通常的8午減少到5年，設計、裝機、測試均是在計算機中模擬完成．初
步做到無紙設計，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，虛擬分析樣機已很普遍。Motorola也正在研究和利用虛擬樣機技術進行2l世紀商業(yè)和DoD的軍用移動分布式無線全球通訊系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術的研制，以減低開發(fā)設計的風險和成本。虛擬樣機技術改變了傳統(tǒng)的設計思想，對制造業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。
虛擬樣機技術的發(fā)展，使產(chǎn)品設計可擺脫對物理樣機的依賴，體現(xiàn)了一種全新的研發(fā)模式，它在工程領域的迅速發(fā)展，必將給企業(yè)帶來重大的影響。
虛擬產(chǎn)品的銷售。虛擬樣機技術和柔性制造技術已經(jīng)使虛擬產(chǎn)品銷售成為可能，即企業(yè)先通過虛擬樣機找到客戶，再組織生產(chǎn)。因此企業(yè)在產(chǎn)品制造和市場競爭方面更具靈活性。
企業(yè)間的動態(tài)聯(lián)盟。產(chǎn)品的數(shù)字化使企業(yè)能夠通過Internet進行產(chǎn)品信息的快速交流，克服單個企業(yè)資源的局限性，將具有開發(fā)某種新產(chǎn)品所需的知識和技術的不同組織或企業(yè)組成一個臨時的企業(yè)聯(lián)盟，即企業(yè)間的動態(tài)聯(lián)盟，以適應瞬息萬變的市場需求和激烈競爭。
1.3 設計的目的意義
本設計的目的，是根據(jù)當前的先進設計理論，通過所學知識，并利用Pro/E軟件平臺，對雨刮器做進一步的設計，力求使刮刷面積進一步增大，使得司機在任何時候都有一個清晰的視野，提高汽車行駛安全性。
1.4 設計的基本內(nèi)容與解決的主要問題
1.4.1 研究的基本內(nèi)容
雨刮器總成含有電動機、減速器、四連桿機構、刮水臂心軸、刮水片總成等。本設計要求進行捷達轎車雨刮器部件尺寸的設計，求解刮掃面積等；要選擇電機的型號，分析雨刮器的控制電路及間歇電路，分析電機的自動回位裝置，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軟件進行運動分析，獲得運動的軌跡和速度，并運用Pro/E繪出三維模型。
1.4.2 擬解決的主要問題
解決問題：
（1）分析雨刮器電子間歇控制電路；
（2）分析雨刮器的自動回位裝置；
（3）確定雨刮器的控制方式；
（4）優(yōu)化雨刮器傳動機構；
（5）確定刮刷區(qū)域，并計算最大刮刷面積；
（6）實現(xiàn)雨刮器的運動仿真；
（7）最終實現(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機構，選擇合適的優(yōu)化傳動機構；
（5）查閱參考資料中求解雨刮器的算法；
（6）學習ADAMS軟件，實現(xiàn)雨刮器的運動仿真；
（7）學習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
汽車風窗玻璃上時常會附著雨雪和塵土，如果不及時擦拭干凈，將會影響駕駛員的視線，對行車安全帶來很大不利。為了確保擋風玻璃清潔明亮，汽車上都裝有風窗雨刮器。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”，使司機的視線更加清晰。汽車雨刮器是用來清掃汽車風窗玻璃上的雨雪和塵埃的裝置，一旦它失去作用，將直接影響到司機雨天駕駛視野的清晰度。雨刮器看似結構簡單，但是從驅動電機到最終的刮刀的結構尺寸和運動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，雨刮器與汽車的安全性能有著緊密的關系，是我們不容忽視的汽車部件。
目前國內(nèi)外的雨刮器都不能消除刮掃死角，本次設計也不能完全消除刮掃死角，但力求刮掃面積增大，使司機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機、減速機、四連桿機構、刮水臂心軸、掛水片總成等。當司機按下雨刮器的開關時，電動機啟動，電動機的轉速經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速增扭作用驅動擺臂，擺臂帶動四連桿機構、四連桿機構帶動安裝在前圍板上的轉軸左右擺動，最后由轉軸帶動雨刮片刮掃擋風玻璃。
雨刮器的種類很多, 按安裝位置分, 有頂置、底置、側置、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;按運動方式分, 有四桿機構左右擺動式、導軌式直線和弧線運動式;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構黑膠體雨刮器。
國外對汽車電動雨刮器的性能要求：
1、耐久性能
美國標準1975年SAEJ903b推薦
（1）總成耐久試驗
（2）刮片耐久試驗
（3）橡膠片耐久試驗
日本標準1976年JISD5710推薦
（1）橡膠片耐久試驗
（2）總成耐久試驗 試驗后搖臂的壓力變化和試驗前相比應在15%以內(nèi), 搖臂和刮片的各部分不應有明顯的松弛、松動（配合、間隙等）或其他有害缺陷的產(chǎn)生。
2、強度性能
美國標準1975年SAEJ903b推薦
在刮動過程中阻擋搖臂15秒，試驗后應仍能正常工作。
3、刮刷性能
美國標準1975年SAEJ903b推薦
耐久試驗 試驗后刷凈性能仍應達到75%。
4、刮動頻率
（1）美國文獻介紹 刮動周期 1--20秒
（2）法國文獻介紹 刮動頻率 12--40次/分
（3）美國文獻介紹 間隔 3秒較普遍
（4）英國文獻介紹 適應極細雨時用, 頻率和間歇均能獨立控制。
（5）美國文獻介紹 傾盆大雨時的刮刷頻率可高達80次/分,高于上述頻率則雨刮將在風窗玻璃水而上浮掠而過, 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）日本文獻介紹 刮片對風窗玻璃的壓力 10--15克/公分。
（2）日本文獻介紹 接觸面壓力 低速 10克/公分 高速車 15克/公分
（3）美國文獻介紹 汽車速度大于60哩/時, 則刮片將受到空氣的浮力而降低刮刷性能
（4）日本文獻介紹 在汽車速度為100公里/時, 400毫米長的刮片受到200克的空氣浮力, 使刮刷效果惡化, 此時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)
美國標準1975年SAEJ903b推薦
（1）耐久試驗
（2）化學試驗
日本標準1976年JISD5710推薦 耐久試驗
7、工作溫度范圍
美國標準1975年SAEJ903b推薦
（1）工作溫度范圍 55士3℃一
（2）高溫試驗 溫度 55士3℃
最高速連續(xù)工作1/2小時
（3）低溫試驗 溫度 -30士5℃
最高速連續(xù)工作1/2小時
法國文獻介紹 工作溫度范圍 -30℃-- 80℃
8、聯(lián)動機構效率與擺角
日本文獻介紹 聯(lián)動機構效率 80--85%
刮刷角度 ≯110o
如超過此限度, 則尺寸誤差變得敏感、且易越過死點, 致使效率下降。
9、刮動扭矩
日本文獻的介紹 刮動扭矩大于50公斤· 厘米隨著風窗玻璃的大型化, 刮片長度大于280毫米的越來越多, 刮動扭矩也隨著增大, 超過了50公斤· 厘來。
10、刮動電流 法國文獻介紹 刮動電流 0.1安培
國外對雨刮器的設計要求都有了明確并且高標準的規(guī)定[4]。
而我國現(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)擋風玻璃上結有很厚的一層冰霜, 必須使用熱水布反復擦除才能保證正常的視覺效果, 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, 容易分散駕駛員注意力而引起視覺疲勞, 危害行車安全。通過改進, 把內(nèi)雨刮片改成磁條式的, 無機械聯(lián)動, 需要時貼上, 用完后取下, 很方便。但是實際使用中發(fā)現(xiàn)磁性大小很難控制, 更麻煩的是加大磁場作用效果時, 干擾車內(nèi)電子設備, 用手機做測試, 通話質量差, 甚至車內(nèi)收放音設備無法正常工作。
局部雨刮一直是現(xiàn)用雨刮器的缺陷, 小范圍雨刮后視覺效果差, 影響駕駛員對前方全景的正確判斷。經(jīng)過不斷改進, 把雨刮片的曲線(圓周)往復運動改成直線往復運動, 雨刮面積加大。但是設計者把被雨刮的玻璃假想成直面矩形平板式, 而目前擋風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法安裝。
傳統(tǒng)雨刮片的材料是黑膠體, 技術人員把它改成透明狀, 增強了視覺感光效果。在具體測試時, 遇到雨天夜晚行車, 打開雨刮設備, 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” , 司機原本可遠距離觀察, 這時卻被發(fā)光棒來回運動構成的發(fā)光“ 墻面”遮掩而眩目。
（2）老產(chǎn)品一統(tǒng)天下。我國車輛工業(yè)近年來快速發(fā)展, 但是雨刮器作為一種附件, 其開發(fā)一直得不到應有的重視。一方面是用戶的使用和思維習慣, 另一方面是新產(chǎn)品的完備性和推廣價值不高。接受和認可新型雨刮器要有一個過程, 真正的強適應性雨刮器開發(fā)出來, 一定會是中國制造的一大特色。
普通雨刮器經(jīng)久不衰, 除了沒有可靠的替代品之外, 另一個很重要的原因就是其質量穩(wěn)定、結構簡單、故障率低和易于維修。而前幾種新型雨刮器要么處于試驗階段,要么質量不穩(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，我國廣泛應用的雨刮器一直沒有新的改進與進展。因此我國現(xiàn)階段的目標因該是在一定的技術要求下，改進老產(chǎn)品的不足，結合其他新產(chǎn)品的優(yōu)點，設計出新型的，刮掃面積大的，結構簡單、穩(wěn)定的，經(jīng)濟實用的雨刮器。
2.3 刮水電機
2.3.1 刮水電機型號的編制方法
根據(jù)《GB4831-1984電機產(chǎn)品型號編制方法》中規(guī)定，電機產(chǎn)品型號由產(chǎn)品代號、規(guī)格代號、特殊環(huán)境代號和補充代號等四部分按以上順序組成。
電機產(chǎn)品代號見表2.1。
規(guī)格代號見表2.2[5]。
表2.1 電機產(chǎn)品代號
序號
電機類型
代號
1
異步電動機（籠型及繞線轉子型）
Y
2
同步電動機
T
3
同步發(fā)電機（除汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機外）
TF
4
直流電動機
Z ZD
5
直流發(fā)電機
ZF
6
汽輪發(fā)電機
QF
7
水輪發(fā)電機
SF
8
測功機
C
9
交流換向器電動機
H
10
潛水電泵
Q
11
紡織用電機
F
表2.2 主要系列產(chǎn)品的規(guī)格代號
序號
系列產(chǎn)品
規(guī) 格 代 號
1
小型異步電動機
中心高（mm）-機座長度（字母代號）-鐵心長度（數(shù)字代號）-極數(shù)
2
大型異步電動機
中心高（mm）-鐵心長度（數(shù)字代號）-極數(shù)
3
小型同步電機
中心高（mm）-機座長度（字母代號）-鐵心長度（數(shù)字代號）-極數(shù)
4
中大型同步電機
中心高（mm）-鐵心長度（數(shù)字代號）-極數(shù)
5
小型直流電機
中心高（mm）-機座長度（字母代號）
6
中型直流電機
中心高（mm）或機座號（數(shù)字代號）-鐵心長度（數(shù)字代號）-電流等級（數(shù)字代號）
7
大型直流電機
電樞鐵芯外徑（mm）-鐵心長度（mm）
8
汽輪發(fā)電機
功率（MW）-極數(shù)
9
中小型水輪發(fā)電機
功率（kw）-極數(shù)/定子鐵芯外徑（mm）
10
大型水輪發(fā)電機
功率（kw）-極數(shù)/定子鐵芯外徑（mm）
11
測功機
功率（kw）-轉速（僅對直流測功機）
2.3.2 減速器的結構特點
刮水電機的主要輸出形式有兩種：旋轉輸出與擺動輸出。減速主要是一級或多級圓柱齒輪減速，蝸桿螺旋齒輪減速。
（1）圓柱齒輪減速旋轉輸出的特點
這種電機傳動效率高，二級減速為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以下的電機減速，以增大力矩，如圖2.1所示。
圖2.1 二級圓柱齒輪減速旋轉輸出結構
（2）蝸桿螺旋齒輪擺動輸出的特點
這種電機減速傳動的特性與上述相同，但它還將旋轉運動改變?yōu)閿[動運動的一套曲柄搖桿機構同時置于減速箱內(nèi)，使刮水電機輸出形式直接為擺動，如圖2.2所示。在20W以內(nèi)的刮水電機中，這種型式較常見，其特點是在車身前圍安裝方便，適應性很強，結構緊湊。
擺動輸出也有圓柱齒輪減速的，其基本特點相近。
圖2.2 蝸桿螺旋齒輪減速擺動輸出結構
（3）蝸桿螺旋齒輪減速旋轉輸出的特點
這種減速有時會被稱之為蝸輪蝸桿減速，但實際上刮水電機減速器是一個斜齒輪與蝸桿吻合，所以嚴格講應該稱為螺旋齒輪減速。這類齒輪減速方式的優(yōu)點是加工成本低、噪音小、沖擊小、結構緊湊、但傳動效率低，約為50%。一般在15W以上的刮水電機中大多用此方式達到減速增大力矩，如圖2.3所示[6]。
圖2.3 蝸桿圓柱齒輪減速旋轉輸出結構
2.3.3 刮水電機的控制電路分析
圖2.4 自動復位裝置
（a）電樞短路制動 （b）雨刮電機繼續(xù)轉動
（1）電動刮水器的復位
如圖2.4刮水器自動復位裝置示意圖。
在減速渦輪上，嵌有銅環(huán)，其中較大的一片與電機外殼相連接而搭鐵，觸點臂3、5用磷銅片制成（有彈性），其一端鉚有觸點，與蝸輪端面或銅片接觸。
當電源開關接通，把刮水器開關拉到：“I”擋（低速擋）時，電路為電池正極→開關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，此時電動機以低速運轉。
當刮水器開關拉到“Ⅱ”檔時，電路為蓄電池正極→開關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，電動機以高速運轉。
當刮水器開關推到0擋（停止位置）是，如果刮水器刮水片沒有回到原始位置（停放位置），由于觸點與銅環(huán)9接觸，則電流繼續(xù)流入電樞，其電路為蓄電池正極→開關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觸點臂5→銅環(huán)9→搭鐵，形成回路，如圖2.4b所示，電動機以低速運轉直至蝸輪旋轉到圖2.4（a）所示的特定位置，電路中斷。由于電樞的慣性，電機不可能立即停止轉動，電動機以發(fā)動機方式運行，此時電樞繞組通過觸點臂3、5與銅環(huán)7接通而短路，電樞繞組產(chǎn)生很大的反電動勢，產(chǎn)生制動力矩，電機停止轉動，使刮水片復位到風窗玻璃的下部[7]。
（2）電刷調(diào)速
圖2.5 雙速刮水電動機的變速原理
(a)結構原理 （b）電路原理
刮水電動機通常采用改變兩電刷間串聯(lián)的導體數(shù)的方法進行調(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。電樞采用對稱疊繞式。
永磁式三刷電動機，是利用三個電刷來改變正負電刷之間串聯(lián)的線圈數(shù)來實現(xiàn)變速的。當直流電動機工作時，在電樞內(nèi)同時產(chǎn)生反電動勢，其方向與電樞電流的方向相反。如果使電樞旋轉，外加電壓必須克服反電動的作用，即U＞e，當電樞轉速上升時，反電動勢也相應上升，只有當外加電壓U幾乎等于反電動勢e時，電樞的轉速才趨于穩(wěn)定。
三刷式電動機旋轉時，電樞繞組所產(chǎn)生的反電動勢如圖2.5b所示，當開關撥向L時，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)起來的之路，另一條是線圈②③④串聯(lián)起來的支路，即在電刷B1、B3間有兩條支路，各三個線圈。這些線圈產(chǎn)生的全部反電動勢與電源電壓平衡后，電動機便穩(wěn)定旋轉。由于有三個線圈串聯(lián)的反電動勢與U平衡，故轉速較低。當開關撥向H時，電源電壓加在B2和B3之間。從圖2.5（b）可見，電樞繞組一條由四個線圈②①⑥⑤串聯(lián)，另一條有兩個線圈③④串聯(lián)。其中線圈②的反電動勢與線圈①⑥⑤的反電動勢方向相反，互相抵消后，變?yōu)橹挥袃蓚€線圈的反電動勢與電源電壓平衡，因而只有轉速升高使反電動勢增大，才能得到新的平衡，故此時轉速較高?？梢?，兩電刷間的導體數(shù)減少，就會使電動機的轉速升高，這就是永磁三刷電動機原理[8]。
（3）間歇刮水電路的分析
間隙式電動刮水器的間歇功能主要靠間歇控制繼電器來實現(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
刮水電機通電低速轉動，刮水片低速擺動。點火開關接通（ON）刮水器開關撥至間歇（INT）檔位時，三極管將有基極電流通過而導通，集電極電流過繼電器圈磁化鐵心產(chǎn)生吸力吸閉觸點，使刮水電機低速電路經(jīng)過刮水器開關間歇（INT）檔位而接通，刮水電機低速轉動，從而帶動刮水片低速擺動。
電容器被充電，從而保證刮水片擺動時間。刮水電機轉動后，驅動內(nèi)部凸輪開關迫使接點“S”與“+B”接點連通，電容被充電。由于電容器的充電電流通過三極管的基極，三極管將是始終保持導通，刮水電機也將保持低速轉動。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。
刮水電機停轉，刮水片停止擺動。當刮水片被電機驅動擺動一次回到自動停止位置時，電機驅動內(nèi)部凸輪開關迫使接點“S”與“+B”接點斷開，使“S”與“E”接點連通，此時充足電后的電容器“+”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，觸點回到初始位置。與此同時，電機低速電路被切斷，電機停止轉動。
電容器被反向充電，刮水片恢復擺動。電容器“-”極電位降低后，電源電壓便會經(jīng)偏置電阻對電容器反向充電，隨著電容器電壓的逐漸升高，三極管基極電位相應升高至重新導通，繼電器觸電又被吸閉，刮水電機低速轉動，從而帶動刮水片又重新擺動。上述過程重復出現(xiàn)，實現(xiàn)間歇刮水功能。
三極管截止時間則為刮水片間歇時間，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)達到其最終目的——有效地刮凈風擋玻璃上刮拭范圍內(nèi)的雨水和塵埃，它是整個刮水系統(tǒng)效果好否的關鍵部件。
2.4.1 雨刮的組成和結構特點
雨刮分刮桿和刮片兩個部分，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剛性桿件。接頭用以與傳動軸輸出端相連接，刮臂等零件鉸接在接頭的轉軸銷上，在彈簧的作用下產(chǎn)生合適的壓力p給刮片中心，是指與風擋玻璃吻合后進行工作。
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，以保證與風擋玻璃間具有正確吻合后進行刮拭工作。刮片的橋架多少是刮片長度和風檔玻璃的曲率而定的，膠條簧片組成的端部僅與橋架端部的一個橋腳固定，其余均可在橋腳間移動，藉此保證膠條的曲線隨著風擋玻璃的曲率變化而變化。
圖2.7 雨刮結構
2.4.2 雨刮品質的評價
雨刮的品質是最終反映刮拭效果的關鍵，一般分下面幾個方面進行評判。
（1）外觀質量
雨刮表面必須經(jīng)防眩目處理，以防強光的反射造成對方駕駛員刺眼。一般在金屬件表面噴涂黑色無光或半光的環(huán)氧塑料，噴涂層應與基體有較強的結合，在零件的棱角處觀察不應有剝落或漏噴，噴涂面應平整，光潔，不得有擦痕、起泡、掛料、堆積等疵病。
（2）裝配質量
雨刮的各鉸接部位均應靈活但又不可過份松動，非鉸接中心軸線處的兩平面間不應有明顯的轉動存在，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移動靈活，對刮片進行曲率變化，其反應應靈敏，釋放外力后能迅速還原。
刮桿對刮片的壓力應合理。一般對曲刮來講，刮片每米長應有（12～16）克的力，測力的方法如圖2.8所示。
圖2.8 刮桿對刮片的壓力測量
（3）膠條的材料與質量
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性能。硬度在邵爾氏（58～62）度，在自然狀態(tài)下應平直，兩側無彎曲波。如圖2.9所示。工作時下壓的姿態(tài)應合理（圖2.10），膠條工作部表面應光滑，棱角清晰，膠條刃口應平直（圖2.11）。若表面進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
1-兩側不應有波紋形；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 刮水器傳動機構
刮水器傳動機構尺寸種類變化繁多，無統(tǒng)一的型號編制，因為它的專用性較強。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，習慣上對傳動機構的稱呼是根據(jù)車型而定的。
傳動機構一般由一至三組曲柄搖桿機構及雙搖桿機構組成，如圖2.12所示。
圖2.12 傳動機構典型結構簡圖
四連桿機構的桿件一般由管材或槽鋼制成。桿件間的鉸接點均是球形關節(jié)結構，以彌補桿件運動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、防止鉸接點咬死等優(yōu)點。在工作時運動靈活、平穩(wěn)，裝配維修時由于是靠零件的彈性過盈進行軸向定位的，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、刮片長度及刮掃角度如下：
圖2.13 車窗面積及雨刮初步設計圖
圖2.14 車窗面積及雨刮初步設計尺寸圖
根據(jù)已知轎車實際條件，初選雨刮器的右刮片長度為350mm，左刮片長度為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 曲柄搖桿結構設計
圖2.15 左雨刮曲柄搖桿機構計算圖
設曲柄長度為a，左連桿長度為b。
當左搖桿運動到D位置時，AD=b-a，
當左搖桿運動到E位置時，AE=a+b
所以AE-AD=a+b-b+a=2a
由圖可知AD=AB,AE-AD=BE=2a
測量出圖中BE的長度為70mm，則曲柄長度為35mm，左連桿長度為230mm。
圖2.16 右雨刮曲柄搖桿機構計算圖
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，化簡可得：
（2.2）
圖2.17 四連桿機構
根據(jù)以上計算，初選左右曲柄搖桿的尺寸，如圖2.18所示。
圖2.18 曲柄搖桿機構
由上圖可知此鉸鏈四桿機構中有整轉副，曲柄為CF。
2.6 刮水電機的選擇及蝸輪蝸桿設計分析
2.6.1 雨刮電機性能計算
1、刮水器電機和刮片、刮桿組裝后，刮水器電機負載時的轉矩可以用下列公式進行計算：
（kg·cm）{N·m}
式中T:刮水器電機負載時的轉矩（kg·cm）{N·m}；
n:刮片的片數(shù)；
l:刮片的長度（cm）；
P:刮片的壓力（N）；
k:傳動桿傳動系數(shù)=作用在電機軸上的轉矩/作用在刮水器軸上的轉矩
設計中，k值一般取1或小于1。
μ：擋風玻璃表面與刮片膠條之間的摩擦系數(shù)。
擋風玻璃表面狀態(tài)十分濕潤時（Wet）μ=0.1~0.3。
擋風玻璃表面狀態(tài)干燥時（Dry） μ=0.4~0.6。
擋風玻璃表面狀態(tài)由濕潤向干燥過渡中間的半干燥時（Dump dry）μ=0.7~1.2。
因為在負載下工作的電機，其轉矩（假設為干燥或輕度的半干燥狀態(tài)）是公稱轉矩的15%，所以公稱轉矩可以右下式進行計算。
公稱轉矩（kg·cm）{N·m}
這時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：刮片的長度（cm）。
當負載為最大時，電機功率：
（根據(jù)電機輸出特性曲線，負載為時查出電機轉速N）
高速熱態(tài)
高速冷態(tài)
低速熱態(tài)
低速冷態(tài)
圖2.19 電機輸出特性曲線
其中：P：電機功率（w），從而選定電機額定功率；
：電機內(nèi)部的阻尼系數(shù)，軸承和轉子，一般0.87~0.99。
2、刮水器總成刮水電機性能計算：
刮水電機濕狀態(tài)負載（μ取0.28）：
刮水電機半干燥狀態(tài)負載（μ取0.8）：
公稱轉矩：
（因為實際情況一般為濕狀態(tài)或者半干狀態(tài)下刮刷，所以取這兩個狀態(tài)下的平均值來計算公稱轉矩）
當負載為最大時，電機功率：
（根據(jù)電機輸出特性曲線，負載為2.60N.m時，轉速為59r/min）
根據(jù)上述計算，并且考慮制動功率和經(jīng)驗值，所選電機功率要大于計算功率。
所以選擇安徽宗申（通寶）ZD1335型號電機。該產(chǎn)品采用高性能磁鋼和優(yōu)質的電磁線，具有良好的機械特性體積小，噪音低、運行可靠。電機有雙速和單速兩種，有自動復位裝置。
該產(chǎn)品有多種型號，適用于輕重型載貨車、微型面包車、轎車刮水器，安裝方便。
所選電機參數(shù)見表2.3。
表2.3 電機參數(shù)
型號
額定電壓
額定功率
額定轉速
ZD1335
12V
30W
45－65（rpm）
2.6.2 雨刮電機蝸輪蝸桿設計分析
圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)
1、模數(shù)m和壓力角
如圖2.20 所示，通過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于漸開線齒輪與齒條的嚙合。蝸桿傳動的設計計算都以中間平面的參數(shù)和幾何關系為準。它們正確嚙合條件是：蝸桿軸向模數(shù)和軸向壓力角應分別等于蝸輪端面壓力角即：
==
=
圖2.20 圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)
模數(shù)m的標準值，見表2.4；壓力角標準值為。相應于切削刀具，ZA蝸桿取軸向壓力角為標準值，ZI蝸桿取法向壓力角為標準值。
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
在兩軸交錯角為的蝸桿傳動中，蝸桿分度圓柱上的導程角應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、傳動比i、蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)
當蝸桿每分鐘轉轉時，將在軸向推進個升距=，式中p為周節(jié)；與此同時蝸輪將被推動在分度圓弧上轉過相同的距離，故蝸輪每分鐘相應轉過的轉數(shù)為。因此，其傳動比為
（2.3）
通常蝸桿頭數(shù)。若要得到大的傳動比時，可取，但傳動效率低。傳遞功率較大時，為提高效率可采用多頭蝸桿，取或4。
蝸輪齒數(shù)。、的推薦值見表2.5。為了避免蝸輪輪齒發(fā)生根切，不應少于26，但也不宜大于80。若過多，會使結構尺寸過大，蝸桿長度也隨之增加，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和導程角
切制蝸輪的滾刀，其直徑及齒形參數(shù)必須與相應的蝸桿相同。如果蝸桿分度圓直徑不作必要的限制，刀具品種和數(shù)量勢必太多。為了減少刀具數(shù)量并便于標準化，制定了蝸桿分度圓直徑的標準系列。國標GB/T10085-1988中，每一個模數(shù)只與一個或幾個蝸桿分度圓直徑的標準值相對應（見表2.4）。
蝸桿螺旋面和分度圓柱的交線是螺旋線。設為蝸桿分度圓柱上的螺旋線導程角， 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?。С探窃酱螅瑐鲃有室苍礁?，但蝸桿的剛度和強度越小。通常，轉速高的蝸桿可取較小的值，蝸輪齒數(shù)較多時可取較大的值。
4、中心距a
當蝸桿節(jié)圓與分度圓重合時稱為標準傳動，其中心距計算式為
（2.5）
2.7 本章小結
本章對雨刮器的組成、結構進行了概述，對電機的型號、類型也進行了介紹。介紹了四連桿結構的類型和刮水片的材質和結構，對雨刮器的間歇刮水電路、復位電路、刮水控制電路進行了分析。設計了雨刮器的曲柄搖桿機構的尺寸，并確定了雨刮臂和雨刮片的尺寸，通過計算選取了刮水電機，并分析了蝸輪蝸桿減速的設計。
第3章 ADAMS建模分析
3.1 ADAMS功能簡介
機械系統(tǒng)分析軟件ADAMS是世界上應用廣泛的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件。它是有美國學者蔡斯等人利用多剛體動力學理論，選取系統(tǒng)內(nèi)每個剛體質心在慣性參考系中的三個直角坐標和反映剛體方位的歐拉角為廣義坐標編制的計算程序。ADAMS軟件應用了解決剛性積分問題的方法，并采用稀疏矩陣技術提高了計算效率。
用戶利用ADAMS軟件可以建立和測試虛擬樣機，實現(xiàn)在計算機上仿真分析復雜機械系統(tǒng)的運動性能。目前ADAMS軟件在汽車和航天等領域得到廣泛的應用。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化幾何模型，也可以是從其他CAD軟件中轉過來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動激勵；最后執(zhí)行一組與實際狀況十分接近的運動仿真測試，得到實際機械系統(tǒng)工作過程的運動仿真。
機械系統(tǒng)分析軟件ADAMS使用交互式圖形環(huán)境和部件庫、約束庫、力庫，用堆積木式方法建立三維機械系統(tǒng)參數(shù)化模型并通過對其運動性能的仿真分析和比較來研究“虛擬樣機”可供選擇的設計方案。ADAMS仿真可用于估計機械系統(tǒng)性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計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、擴展模塊。
ADAMS軟件包括3個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合應用的附加程序模塊，例如：ADAMS/Car（轎車模塊）、ADAMS/Rail（機車模塊）、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（高速動畫模塊）等。
3.2 基于ADAMS虛擬樣機開發(fā)流程
· 幾何建模
· 施加運動副和運動約束
· 施加載荷
樣機建模
仿真
分析
· 設置測量和仿真輸出
· 進行仿真分析
· 回放仿真結果
· 繪制仿真結果曲線
驗證仿真
分析結果
· 輸入實驗數(shù)據(jù)
· 添加實驗數(shù)據(jù)曲線
精制樣機
模型
· 增加摩擦力
· 定義柔性物體和連接
· 改進載荷函數(shù)
· 定義控制
與實驗結果一致?
迭代
設計
· 設置可變參數(shù)點
· 定義設計變量
否
是
優(yōu)化設計
· 進行主要設計影響因素研究
· 進行實驗設計研究
· 進行最優(yōu)化設計研究
自動化
設計
· 創(chuàng)建用戶自定義界面
· 創(chuàng)建用戶自定義對話框
· 記錄和重現(xiàn)仿真過程
圖3.1 基于ADAMS虛擬技術開發(fā)流程
3.3 曲柄搖桿機構改進
根據(jù)上一章節(jié)中所計算出的曲柄搖桿的尺寸在ADAMS中建模，結果發(fā)現(xiàn)曲柄搖桿機構不能完全運轉到位，并且刮片之間發(fā)生了干涉，因此在ADAMS中進行了改進，再次建立模型。改進后的尺寸如圖3.2。
圖3.2 曲柄搖桿機構
并且確定右刮片長350mm，左刮片長400mm。
3.4 新模型建立
在ADAMS下，根據(jù)重新定好的尺寸，利用點工具，建立曲柄搖桿機構的各個點的坐標如圖3.3。
圖3.3 各點所在位置視圖
利用桿工具，連接各點，建立各個桿。如圖3.4所示。
圖3.4 曲柄搖桿機構圖
根據(jù)要求，把各桿用鉸接和鎖定約束，在搖桿上加一個電機的，使搖桿可以轉動，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
本章對ADAMS的發(fā)展以及基本功能進行了概述，并運用ADAMS軟件對雨刮器的曲柄搖桿機構進行初步干涉檢驗，從而更加準確的確定了雨刮器曲柄搖桿機構的尺寸，以便接下來實現(xiàn)Pro/E建模。
第4章 Pro/E模型的建立與裝配
4.1 三維CAD建模技術在汽車行業(yè)的應用
汽車行業(yè)是CAD技術最先應用的領域之一，國外一些著名的汽車公司很早就自行開發(fā)CAD軟件。到現(xiàn)在，CAD技術幾乎被所有汽車公司所采用，可以說CAD技術（包括計算機輔助制造、計算機輔助工程分析）的應用水平，已經(jīng)成為評價一個國家汽車工業(yè)水平的重要指標。在我國，汽車企業(yè)一直都作為國家和地方的利稅大戶，同時也是CAD技術應用的先鋒。CAD技術在企業(yè)中的成功應用，不僅帶來了企業(yè)技術上的創(chuàng)新，同時帶動了企業(yè)經(jīng)營、管理舊模式的變革。因此，它對我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造、新技術的興起，以及汽車工業(yè)提高國際競爭力等方面，起到了巨大的推動作用。
傳統(tǒng)的汽車車身設計方法的整個過程是基于手工設計完成的，其特點是整個過程是通過實物、模型、圖紙、樣板等來傳遞信息。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機逐步代替人腦承擔起復雜的計算和分析，同時引進CAD等現(xiàn)代設計方法，幫助工程師們拋掉傳統(tǒng)的手工方式，既方便設計，又能改善設計質量，縮短設計周期。因此，國外著名汽車公司都不惜花巨資實施CAD技術，一方面加快新車型上市的速度滿足復雜多變的市場需求，另一方面節(jié)省開發(fā)成本，向消費者提供物美價廉、物超所值的產(chǎn)品，從而提高自身市場競爭力。
在CAD技術發(fā)展初期，美國通用公司就自主研發(fā)以設計車身為目標的 DAC—1系統(tǒng)，來分析和綜合車身的三維曲線設計。到上世紀90年代初，美國通用汽車公司選中UG作為全公司的 CAD/CAE/CAM/CIM主導系統(tǒng)。經(jīng)過不斷的發(fā)展，公司已100%采用CAD來進行設計制造，并取消了中間過程，使計算機與制造終端直接相連，最終實現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡化。
我國從上世紀70年代開始研究和推廣CAD，使得CAD技術在國內(nèi)得到了廣泛的應用，并從中取得了不錯的經(jīng)濟回報。到目前為止，國內(nèi)大型制造型企業(yè)如汽車企業(yè)已普遍實施了CAD系統(tǒng)，取代手工作業(yè)，一些大型汽車企業(yè)的CAD應用水平也接近國際先進水平。但由于我國CAD軟件自主研發(fā)術水平與發(fā)達國家之間存在巨大的差距，國內(nèi)一些研究機構和公司推出的CAD系列軟件得不到更廣泛的應用，市場占有率低，尤其在CAD系統(tǒng)集成方面還是剛剛起步。隨著我國市場化程度的加深，市場競爭的加劇，迫使汽車企業(yè)必須改變傳統(tǒng)的設計、制造、管理、銷售模式，來提升企業(yè)競爭力和市場應變能力?？梢哉f，實施CAD系統(tǒng)是最有效的方式之一。
CAD技術對于中國汽車企業(yè)的重要性是不言而喻的。盡管在2002年，中國汽車行業(yè)發(fā)生“井噴”，一時間汽車成為和手機、房子一樣炙手可熱的商品，中國汽車業(yè)就此迎來了發(fā)展的大好時機。同時，國外汽車企業(yè)看到了中國廣闊的汽車市場，紛紛在華投資建廠，而國內(nèi)的汽車公司趁機和國外公司合資，以為可以借助外國公司先進的技術來提高自身的研發(fā)能力，可實際上事與愿違。外國公司并不愿意把先進的技術介紹給中國的公司，中國公司始終充當著OEM的角色，僅僅是外國公司在中國的制造基地，汽車研發(fā)水平仍難有所提高。
在2006年，國家將按照對WTO的承諾取消汽車進口配額。步入21世紀的中國汽車工業(yè)將受到來自跨國汽車公司的巨
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