柏艷雪

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156）

基于Pro/E的汽車雨刮器仿真分析

柏艷雪

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156）

本文通過Pro/E軟件對汽車雨刮器的零部件進行設(shè)計，完成汽車雨刮器的虛擬裝配；利用Pro/E的仿真模塊，獲得雨刮臂的運動軌跡，得出通過改變電動機曲柄長度，可以改變雨刮臂的擺動角度大小，從而獲得設(shè)計的雨刮器的雨刮臂擺最大擺動角度，為研究雨刮臂的擺動角度提供相關(guān)參考。

仿真 運動軌跡 雨刮器 擺動角度

引言

從1927年電動雨刷器發(fā)明以來，不管是高檔豪華轎車，還是普通民用代步車，或是笨重的貨車，雨刷器都已經(jīng)成為機動車輛不可或缺的部件。它保持擋風(fēng)玻璃外表面清潔，確保駕駛者雨雪天氣視野清晰和行車安全。

雨刮器的種類很多，按安裝位置可分為頂置、底置、側(cè)置、前后置和內(nèi)外置等；按雨刮范圍可分為局部雨刮、整體雨刮、單面雨刮和雙面雨刮；按運動方式可分為四桿機構(gòu)左右擺動式、導(dǎo)軌式直線和弧線運動式；按制作材料可分為普通黑膠體雨刮器、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(gòu)黑膠體雨刮器。雨刮總成一般由雨刮電機、雨刮聯(lián)動桿、刮臂組件組成。現(xiàn)在汽車的雨刮臂有兩個，電機一般是一個，稱為“單機雙臂”；還有每個雨刮臂帶一只電機，稱為“單機單臂”。一般轎車的雨刮輕且行程短，通常為單機雙臂。

1　雨刮器結(jié)構(gòu)原理分析及建模

雨刮器是由電機帶動，通過連桿機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楣伪鄣耐鶑?fù)運動，從而實現(xiàn)刮雨動作。其中，連桿機構(gòu)是主要運動單元。仿真運動則主要是模擬連桿機構(gòu)的運動。

其實，雨刮器的模型介紹，主要就是介紹連桿機構(gòu)模型。應(yīng)用最多的、較為簡單的連桿機構(gòu)就是四連桿機構(gòu)，如圖1所示。該機構(gòu)中，固定不動的構(gòu)件4稱為機架，與機架相連接的構(gòu)件1和3稱為連架桿，不與機架相連的構(gòu)件2稱為連桿。在兩個連架桿中，能作整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件稱為曲柄，若只能繞其回轉(zhuǎn)軸線作往復(fù)擺動的構(gòu)件稱為搖桿。四連桿機構(gòu)根據(jù)兩連架桿運動形式不同可分為三種基本型式：曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)。

圖1　四連桿機構(gòu)

然而，這種普通的四連桿機構(gòu)并不是真正的雨刮器的連桿機構(gòu)模型。該雨刮器機構(gòu)是“單機雙臂”，即兩個雨刮臂只由一個電動機帶動運行。

該機構(gòu)可簡化為圖2所示。電動機的旋轉(zhuǎn)由曲柄1的圓周運動代替，連架桿3和4分別帶動雨刮臂運動；曲柄1、搖桿3、連桿2和機架6組成一個簡單的四連桿機構(gòu)（曲柄搖桿機構(gòu)）；曲柄1做圓周運動，從而帶動搖桿3做往復(fù)運動；搖桿3、4，連桿5和機架7也組成一個簡單的四連桿機構(gòu)（雙搖桿機構(gòu)），同時搖桿3帶動搖桿4做往復(fù)運動。

圖2　機構(gòu)簡化圖

根據(jù)已知實物的模型，最終生成的簡易雨刮器整體組裝模型如圖3所示。

圖3　雨刮器模型

2　雨刮器的仿真分析

圖4　某點軌跡曲線

將裝配好的雨刮器模型導(dǎo)入Pro/E的“應(yīng)用程序”中“機構(gòu)”模塊進行仿真，得出兩個雨刮臂的往復(fù)擺動軌跡和擺動角度，如圖4所示。往復(fù)擺動角度的測量：得到運動軌跡后，可以利用“測量”工具，測量空間運動弧長和半徑。利用公式弧長、半徑和角度關(guān)系：角度=弧長/半徑，可以算出運動弧長的角度。此處取其中一個為例。如圖5和6所示，從圖5可以看出，弧長C是119.71mm，從圖6可以看出，弧長的半徑是56.66mm，由此得出，弧長的空間角度約為121°。

圖5　軌跡弧長

圖6　軌跡半徑

通過改變伺服電動機曲柄的長度，觀察運動軌跡和運動角度的改變情況。在以上設(shè)計中，伺服電動機曲柄長度是4.8mm。若將其曲柄長度進行調(diào)整，按照之前的操作流程，可得到相應(yīng)的運動軌跡、弧長和半徑。擺動角度隨著曲柄長度的改變?nèi)绫?所示。

通過以上的比較，我們發(fā)現(xiàn)：通過改變電動機曲柄長度，可以改變雨刮臂的擺動角度大小。當(dāng)將曲柄長度改至5.0mm時，雨刮器的運動情況脫離了實際運動情形。因此，設(shè)計的雨刮器的雨刮臂所能運動達到的最大擺動角度為124°。

3　結(jié)論

通過Pro/E軟件對雨刮器進行設(shè)計和仿真，對雨刮臂的擺動角度大小與電動機曲柄長度變化關(guān)系進行簡單的研究。研究數(shù)據(jù)表明：電動機曲柄長度在一定范圍內(nèi)，曲柄越長，雨刮臂擺動角度越大；在符合正常運動的情況下，設(shè)計的雨刮臂存在最大擺動角度。事實證明，該方法直觀、方便，對實際設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義，為研究雨刮臂的擺動角度提供了相關(guān)參考。

表1　擺動角度隨曲柄長度的變化數(shù)據(jù)

[1]范大偉，柏艷雪，等.Creo Elements/Pro5.0產(chǎn)品設(shè)計與KeyShot渲染表現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2]二代龍震工作室.Pro/Mechanism Wildfire 5.0機構(gòu)/運動分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

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[5]邰茜，吳笑偉.汽車機械基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2008.

Simulation Analysis of Automobile Wiper Based on Pro/E

BAI Yanxue
(Nanhang Jincheng College, Nanjing 211156)

With the rapid development of computer aided design and manufacturing technology, it can shorten the design cycle and improve the design level by using the computer to simulate and analyze the motion and change process of the mechanical mechanism. Design of parts and complete the virtual assembly of auto wiper by using Pro/E; also obtain the trajectory of wiper arm through simulation module. Concluded: by changing the motor crank length, you can change the wiper arm swing angle, so as to obtain the maximum swinging angle, to provide a reference for the study of the swing angle of the wiper arm.

Simulation,Trajectory,Wiper,Swing angle