楊均超　周詩韻　劉楚輝　賓曉林　馮鑫

【摘 要】根據(jù)眼鏡夾片雨刮器的運動要求，結(jié)合對三種基本類型的平面四桿機構(gòu)的對比分析，選擇曲柄搖桿機構(gòu)作為眼鏡夾片雨刮器的工作機構(gòu)，通過連桿機構(gòu)設(shè)計確定了眼鏡夾片雨刮器的各組成部分的材料和尺寸，并通過運動分析和傳動性能的分析，驗證了眼鏡夾片雨刮器功能和結(jié)構(gòu)的可行性。

【關(guān)鍵詞】雨刮器；夾片；連桿機構(gòu)；傳動性能

0 引言

日前，我國現(xiàn)有近視患者已超過四億人，占世界近視總?cè)藬?shù)的33%，尤其是青少年的患病率極高。全國學(xué)生體質(zhì)健康調(diào)研最新數(shù)據(jù)表明，我國小學(xué)生近視眼發(fā)病率為22.8%，中學(xué)生為55.2%，高中生為70.3%。而這些青少年基本的代步工具往往又是自行車和電動車，下雨天上學(xué)回家或者外出，雨點灑落在眼鏡上時，視線受到阻礙，車輛、行人和景物都變得模糊不清，這對出行十分不利，極有可能因無法看清道路交通情況，導(dǎo)致制動不及、躲閃不及等而發(fā)生事故。現(xiàn)在市面上普遍使用的防雨工具，比如雨衣，遮雨帽雖然可以遮雨，但是眼鏡上仍會被雨點掃到，并且依然會起霧，并不能很好的解決雨天視線受阻這一問題。本文參考汽車雨刮器的結(jié)構(gòu)與工作原理，研究設(shè)計了一種眼鏡夾片雨刮器，其一方面改善戴眼鏡雨天出行的麻煩，為近視患者提供一個相對清楚的視線，方便出行；另一方面降低外界不可控因素給我們生活帶來的不便以及安全隱患，從而減少各種因雨點覆蓋鏡片而導(dǎo)致的事故發(fā)生，提高人們生活質(zhì)量。

1.電動機；2.連接桿；3.眼鏡夾片；4.雨刮器；5.眼鏡；6.電池座

1 眼鏡夾片雨刮器的結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，眼鏡夾片雨刮器主要由驅(qū)動部分和連桿機構(gòu)組成。電機驅(qū)動四桿機構(gòu)的原動件作勻速轉(zhuǎn)動，然后帶動連架桿使搖桿做變速往復(fù)擺動，使得固定于搖桿上的雨刮器在眼鏡鏡面上做往復(fù)擺動，從而達到清除雨霧的目的。

眼鏡夾片雨刮器的連桿機構(gòu)的自由度為1，只需一個電動機驅(qū)動，實現(xiàn)單機帶兩轉(zhuǎn)的機械結(jié)構(gòu)，從根本上減輕重量，使其使用方便。連桿機構(gòu)的設(shè)計保證雨刮器反端可在0～90°范圍內(nèi)擺動，搖桿末端設(shè)計成90°彎曲結(jié)構(gòu)，以使其刮雨范圍能更好地滿足清除鏡面雨霧的要求。

雨刮器的微彎設(shè)計可以使刮雨效率略增，同時能使得刮雨范圍盡可能大。此外，微彎設(shè)計也能使其處于起始位置時不妨礙人的視線。連桿機構(gòu)的連桿要求輕便堅固，能夠防水并耐腐蝕，以延長眼鏡夾片雨刮器的使用壽命，ABS（丙烯晴）塑料具有高剛度、低吸水性、耐熱、不易劃傷與變形、在低溫條件下具有高抗沖擊韌性等特征，用于制作連桿能起到很好的支撐和保護作用。

2 連桿機構(gòu)設(shè)計

2.1 連桿機構(gòu)類型選擇

平面四桿機構(gòu)主要有曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)三種，其中曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性符合眼鏡夾片雨刮器的動作要求，因此，選擇曲柄搖桿機構(gòu)作為眼鏡夾片雨刮器的執(zhí)行機構(gòu)。以曲柄為原動件，將曲柄的連續(xù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動，實現(xiàn)刮雨所需的運動。

2.2 連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)眼鏡鏡片的大小和眼鏡雨刮器的工作要求，可確定眼鏡夾片雨刮器結(jié)構(gòu)中的曲柄搖桿機構(gòu)的搖桿長度L3，擺角ψ和行程速度變化系數(shù)K。由給定的行程速度變化系數(shù)K可以求出曲柄搖桿機構(gòu)的極位夾角θ。

如圖3所示，當眼鏡夾片雨刮器刮雨搖桿的長度L3=19.0mm，行程速度變化系數(shù)K=1.4，搖桿擺角ψ=60°時，按上述設(shè)計過程計算可得：極位夾角θ=30°，曲柄長度L1=10mm，連桿長度L2=15mm，機架長度L4=23mm。經(jīng)驗算，該四桿機構(gòu)滿足曲柄存在的桿長條件，且最短桿為連架桿，屬于曲柄搖桿機構(gòu)，能滿足眼鏡夾片雨刮器的要求。

2.3 連桿機構(gòu)運動分析

眼鏡夾片雨刮器的曲柄由減速電動機帶動作順時針勻速轉(zhuǎn)動。如圖2所示，當曲柄從B1勻速轉(zhuǎn)動到B2時，搖桿從C1位置擺動到C2位置，曲柄繼續(xù)從B2順時針勻速轉(zhuǎn)動到B1時，搖桿從C2位置回到C1位置。

當機構(gòu)處于如圖4所示位置時，∠BAD=80°，若曲柄AB的角速度為ω2為0.25rad/s，由上式可求得ω4=0.196 rad/s，即雨刮器的旋轉(zhuǎn)角速度為11.24°/s，滿足工作要求。

2.4 連桿機構(gòu)傳力性能分析

為保證機構(gòu)有較好的傳力性能，通常要求最小傳動角γmin≥40°。由圖5所示的幾何關(guān)系可知：最小傳動角為γ′和γ″中的較小者。根據(jù)圖5所示的幾何關(guān)系，用余玄定理即可求得γ′和γ″的余弦函數(shù)值，利用反余弦函數(shù)即可求得γ′和γ″的角度值。

已知設(shè)計的四桿機構(gòu)各桿尺寸為a=10 mm，b=15 mm，c=19 mm，d=23 mm；采用上述方法求得γmin=42.98°>40°，說明該機構(gòu)傳力性能較好，運轉(zhuǎn)輕便，傳動效率較高。

2.5 連桿機構(gòu)的驅(qū)動

眼鏡夾片雨刮器采用直流永磁減速電動機驅(qū)動，其輸出軸通過聯(lián)軸器與四連桿機構(gòu)的曲柄軸相連。眼鏡夾片雨刮器的驅(qū)動部件要求輕便小巧，盡可能減輕對鼻梁的壓力，且減速電機的輸出轉(zhuǎn)速要在運行的范圍之內(nèi)。經(jīng)分析與制作檢驗，電動機選擇了GA12-N20微型減速電機，為減速電機供電的電池選用小巧輕便的CR1220紐扣電池。GA12-N20微型減速電機的額定電壓為3V-6V，空載轉(zhuǎn)速為15r/min，額定負載轉(zhuǎn)速為10r/min，減速比為500：1。

2.6 支撐與固定

眼鏡夾片雨刮器的固定架如圖1所示。支撐物為眼鏡夾片，夾片中有彈簧，可以使夾片開閉方便，并可靠固定在眼鏡框上。減速電動機使用電機固定架固定在眼鏡夾片手按開合處的左側(cè)，其長度和體積不會影響到人的視野。同時為CR1220紐扣電池配置電池座，以將其固定于電機固定架下方，方便接線的同時也進一步增加其的防雨性能。

3 結(jié)束語

眼鏡夾片雨刮器可以為近視患者雨天出行提供一個相對清楚的視線，減少因雨點覆蓋近視鏡片而導(dǎo)致的事故發(fā)生。本文根據(jù)眼鏡夾片雨刮器工作所要求的運動規(guī)律和軌跡，在對比三種基本類型的平面四桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇了曲柄搖桿機構(gòu)作為眼鏡夾片雨刮器的運動機構(gòu)，按照給定的行程速度變化系數(shù)等條件設(shè)計確定了其各桿的尺寸。通過對眼鏡夾片雨刮器的運動分析和傳力性能分析，驗證了設(shè)計的可行性。

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[責任編輯：侯天宇]