□ 龍 泉

博世汽車部件(長沙)有限公司 長沙 410110

1 設(shè)計(jì)背景

汽車雨刮器是清掃汽車擋風(fēng)玻璃上雨雪和灰塵的裝置,屬于維持駕駛員視野的功能性系統(tǒng),關(guān)系到駕駛員在雨天的行車安全性[1]。前雨刮器主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、四連桿機(jī)構(gòu)、刮臂和刮片組成[2],有相應(yīng)的性能驗(yàn)證試驗(yàn),如高速試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)等[3]。隨著高等級公路的建造和高速汽車技術(shù)的發(fā)展,終端用戶對汽車高速行駛性能有了越來越高的要求。 由于現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)條件的限制,以及出于高速試驗(yàn)時(shí)駕駛員安全性的考慮,現(xiàn)在的汽車高速試驗(yàn)常采用風(fēng)洞試驗(yàn)等效代替[4]。汽車風(fēng)洞試驗(yàn)可以模擬各種復(fù)雜行車環(huán)境,能夠準(zhǔn)確反映汽車行駛狀態(tài)下的氣動(dòng)特性數(shù)據(jù),是研究空氣動(dòng)力學(xué),開發(fā)高性能汽車的必要手段[5-7],但投入費(fèi)用較昂貴。 汽車一體式刮臂修模周期長,在試驗(yàn)前進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化對一次通過風(fēng)洞試驗(yàn)而言具有重要意義。

筆者基于某車型的開發(fā)要求,在160 km/h高速下對一體式刮臂進(jìn)行設(shè)計(jì),對刮臂上抬力進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件仿真分析。在第一次風(fēng)洞試驗(yàn)中,主刮內(nèi)端出現(xiàn)漏刮。分析風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)失效原因,提出改善方案,最終通過風(fēng)洞試驗(yàn)。同時(shí)對設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),為今后的一體式刮臂設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。

2 刮臂簡介

刮臂主要有兩種:標(biāo)準(zhǔn)刮臂和一體式刮臂。標(biāo)準(zhǔn)刮臂主要由刮片連接器、細(xì)連桿、保持架、刮桿頭、銷軸、彈簧組成,細(xì)連桿面積小,高速行駛時(shí)產(chǎn)生的上抬力也較小。一體式刮臂由刮臂、刮片連接器、刮片防浮翼等部件組成,如圖1所示。一體式刮臂的截面類似于槽鋼,因此在高速行駛時(shí),風(fēng)容易吹入截面內(nèi)將刮臂吹起。

▲圖1 一體式刮臂

3 刮臂下壓力計(jì)算

雨刮器運(yùn)行時(shí),刮臂的下壓力由彈簧力提供,用于保證刮片在刮刷過程中緊壓玻璃。即使汽車在高速行駛時(shí),刮片也不能飄起,否則會引起漏刮,影響駕駛員視野[8-9]。

帶自重時(shí)主刮刮臂下壓力F為:

F=F′+Fblade

(1)

式中:F′為不帶自重時(shí)下壓力總合;Fblade為刮片自重產(chǎn)生的下壓力,Fblade=1.8 N。

F′=FWSH-(Farm+Fblade)cosα

(2)

式中:FWSH為刮臂刮片總成的總壓力;Farm為刮臂自重產(chǎn)生的下壓力,Farm=1.5 N;α為玻璃傾角,α=30°。

FWSH=FtotalLblade

(3)

式中:Ftotal為刮臂刮片總成的線壓力;Lblade為主刮刮片的長度,Lblade=0.68 m。

Ftotal=F1+Gblade/Lblade

(4)

式中:F1為刮片線壓力,F1=17 N/m;Gblade為刮片自重,Gblade=1.568 N。

將各值代入式(1),求得F為12 N。

用同樣計(jì)算方法,得到副刮刮臂下壓力為10.8 N。根據(jù)多次試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn),取30%主刮刮桿壓力為判斷標(biāo)準(zhǔn),即高速計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真中,刮臂刮片綜合上抬力大于30%主刮刮臂壓力,可判定為失效。

4 仿真分析

針對客戶提出汽車在160 km/h高速下刮片不允許有漏刮的要求,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的研究方法,在ANSYS Fluent軟件中對刮臂的上抬力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),刮桿在高速試驗(yàn)中,受上抬力最大的部位是刮臂處和刮臂與刮片的連接器處。尤其是對于一體式刮臂而言,整個(gè)刮臂類似于槽鋼,在高速試驗(yàn)中,風(fēng)會運(yùn)動(dòng)到槽鋼內(nèi)側(cè)將整個(gè)刮臂向上抬起,因此在仿真中主要計(jì)算連接器及整個(gè)刮臂受到的上抬力[10]。

無論是標(biāo)準(zhǔn)刮臂還是一體式刮臂,都存在若干個(gè)變截面零件,計(jì)算上抬力時(shí)需要對截面分段計(jì)算。另一方面,刮臂在擋風(fēng)玻璃上運(yùn)行到不同位置時(shí),刮臂離擋風(fēng)玻璃面的角度和高度也在變化,很難采用純理論方法計(jì)算變截面零件在每一個(gè)刮刷位置的實(shí)際上抬力。因此,筆者采用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行上抬力仿真分析。

模擬車速為160 km/h,等于44 m/s,遠(yuǎn)低于100 m/s,馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于1,此時(shí)空氣處于不可壓縮范圍,不考慮空氣物理參數(shù)數(shù)值的變化。

在ANSYS Fluent軟件中采用三維求解器,風(fēng)洞入口為速度入口,車速為160 km/h,方向?yàn)榇怪比肟诿?。設(shè)置壓力出口邊界條件,氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。壁面為無流邊界,采用無滑移邊界條件,速度為零。入口處的湍動(dòng)能k、湍流耗散率ε一般由試驗(yàn)確定,此次仿真采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為計(jì)算的湍流模型[11-12]。

刮臂為連續(xù)不斷運(yùn)動(dòng),如果根據(jù)實(shí)際情況,在擋風(fēng)玻璃上每刮過1°就計(jì)算一個(gè)工況,那么工作量過大,效率低下。對此,將主刮刮臂運(yùn)動(dòng)范圍從?？课恢玫缴戏D(zhuǎn)位置劃分為六等分,取六個(gè)位置的上抬力數(shù)值進(jìn)行分析,副刮位置隨主刮位置取值。另一方面,由于刮臂向上刮和向下刮所受的上抬力不一樣,因此需要分別計(jì)算上刮和下刮工況。上抬力計(jì)算工況見表1。

表1 上抬力計(jì)算工況 (°)

刮片連接器處上抬力曲線中的數(shù)值是綜合考慮刮桿和刮片的整體上抬力,刮臂提供的下壓力通過連接器傳遞至刮片,因此連接器處綜合上抬力值是衡量刮臂能否通過風(fēng)洞試驗(yàn)的重要指標(biāo)之一。

主刮連接器處上抬力曲線如圖2所示,副刮連接器處上抬力曲線如圖3所示。由圖2及圖3可以看出,連接器處上抬力在上刮和下刮時(shí)五個(gè)位置的受力均在安全區(qū)域,未超過設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值,但是在40°～60°之間,主刮上抬力3.8 N已經(jīng)非常接近標(biāo)準(zhǔn)值,有一定的失效風(fēng)險(xiǎn)。上刮時(shí)的上抬力小于下刮時(shí)的抬起力,這是因?yàn)楣伪圻\(yùn)動(dòng)時(shí),受風(fēng)速的影響,下刮相對于上刮上抬力增大。主刮在35°位置附近的上抬力突然減小,后又增大,這是因?yàn)楦惫喂纹脫踝×酥鞴喂纹B接器,降低了風(fēng)對主刮刮臂的影響,使上抬力突然減小。

從仿真結(jié)果看,此次設(shè)計(jì)的刮臂是合格的,能夠通過160 km/h高速試驗(yàn)。

▲圖2 主刮連接器處上抬力曲線▲圖3 副刮連接器處上抬力曲線

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),室溫為23.1 ℃,在最低刮桿壓力下,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到144 km/h和160 km/h時(shí),主刮從上翻轉(zhuǎn)位置向下刮,運(yùn)行到50°左右時(shí),距離主刮內(nèi)端蓋約170 mm區(qū)域附近開始出現(xiàn)漏刮,而副刮未出現(xiàn)漏刮情況。風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。后又嘗試使用名義刮桿壓力和最大刮桿壓力進(jìn)行試驗(yàn),主刮刮片內(nèi)端依然出現(xiàn)相同失效,因此可認(rèn)定設(shè)計(jì)無法滿足客戶要求。

▲圖4 風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場

6 失效原因分析

因?yàn)橐惑w式刮臂類似于槽鋼,具有倒扣U形截面,風(fēng)容易從刮臂下方進(jìn)入倒扣U形截面中,將刮臂吹起,所以在初始設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為刮臂應(yīng)該越低越好,即離擋風(fēng)玻璃面越近越好,這樣只會有少量風(fēng)從刮臂和擋風(fēng)玻璃的間隙中吹入刮臂截面內(nèi)。

截面速度矢量圖如圖5所示。由圖5可以看出,當(dāng)有刮臂時(shí),刮臂上方空氣流速明顯高于刮臂下方空氣流速,由伯努利方程可知,刮臂上方壓強(qiáng)小,刮臂下方壓強(qiáng)大,從而產(chǎn)生較大的上抬力。由于刮臂的存在改變了風(fēng)速,使通過刮片防浮翼上的風(fēng)速加快,壓強(qiáng)減小,刮片上抬力增大。當(dāng)沒有刮臂或者刮臂縱向遠(yuǎn)離刮片時(shí),刮片上風(fēng)速流場受到的影響減小?？梢?刮臂設(shè)計(jì)過低,且與刮片防浮翼距離過近,最終導(dǎo)致在風(fēng)洞試驗(yàn)中主刮刮片內(nèi)端飄起漏刮。

7 設(shè)計(jì)改進(jìn)

客戶有刮臂造型要求,不允許將原設(shè)計(jì)的直刮臂改為彎曲造型。加之車身數(shù)據(jù)的限制,無法增大刮臂與刮片的距離。同時(shí),一體式刮臂硬模已經(jīng)制作完畢,需要在現(xiàn)有模具上修改。

將刮臂頭部和尾部向上抬起,中間拱起,增大刮臂與刮片防浮翼間的距離。

減小一體式刮臂折邊高度,尤其要盡量減小刮臂背面的折邊高度,起到減小風(fēng)阻的作用?？紤]到模具沖壓成型的工藝要求,將折邊減小到4 mm的最小值,最終將刮臂整體抬高約6 mm。設(shè)計(jì)改進(jìn)前后刮臂折邊正面距擋風(fēng)玻璃高度對比如圖6所示。

因?yàn)楣伪墼谏瞎螘r(shí)上抬力較小,不易出現(xiàn)漏刮失效,因此僅對設(shè)計(jì)改進(jìn)后的刮臂在下刮工況時(shí)連接器處綜合上抬力進(jìn)行計(jì)算,并與設(shè)計(jì)改進(jìn)前的綜合上抬

▲圖5 截面速度矢量圖▲圖6 刮臂折邊正面距擋風(fēng)玻璃高度

力進(jìn)行對比。設(shè)計(jì)改進(jìn)前后主刮連接器處下刮時(shí)上抬力對比如圖7所示。由圖7可以看出,設(shè)計(jì)改進(jìn)后的刮臂連接器處,在下刮時(shí)最大上抬力在17.4°及52.2°處明顯減小,其余位置的上抬力也有輕微減小。同時(shí),由于風(fēng)洞試驗(yàn)中主刮刮片內(nèi)端出現(xiàn)漏刮,因此還需要對刮片的上抬力進(jìn)行計(jì)算和對比。設(shè)計(jì)改進(jìn)前后主刮刮片上抬線壓力分別如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可以看出,主刮刮片出現(xiàn)漏刮區(qū)域的上抬線壓力明顯減小,從15 N/m減小為11 N/m左右,減小約26%。根據(jù)對刮片多次試驗(yàn)和檢測,建議主刮刮片危險(xiǎn)區(qū)域的上抬線壓力不大于12 N/m,避免出現(xiàn)漏刮。

設(shè)計(jì)改進(jìn)后,刮臂進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),在160 km/h時(shí)未出現(xiàn)漏刮失效,證明設(shè)計(jì)改進(jìn)有效,滿足客戶的技術(shù)要求。

▲圖7 主刮連接器處下刮時(shí)上抬力對比▲圖8 設(shè)計(jì)改進(jìn)前主刮刮片上抬線壓力▲圖9 設(shè)計(jì)改進(jìn)后主刮刮片上抬線壓力

8 結(jié)束語

通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析及風(fēng)洞試驗(yàn),設(shè)計(jì)并改進(jìn)了汽車一體式刮臂,同時(shí)研究了刮臂在風(fēng)洞試驗(yàn)中的影響因素。

除刮臂自身和刮臂刮片綜合上抬力外,單獨(dú)分析刮片上抬力也至關(guān)重要。分析了刮臂結(jié)構(gòu)對刮臂自身及刮片上抬力的影響,設(shè)計(jì)改進(jìn)后的一體式刮臂最終通過風(fēng)洞試驗(yàn)。

對一體式刮臂的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié),刮臂上刮時(shí)所受上抬力較小,下刮時(shí)所受上抬力較大,一般漏刮現(xiàn)象均出現(xiàn)在下刮時(shí)。刮臂結(jié)構(gòu)不僅影響整個(gè)刮臂刮片的綜合上抬力,而且會對刮片下壓力產(chǎn)生影響。當(dāng)刮臂與刮片距離較近時(shí),若刮臂貼近擋風(fēng)玻璃,則雖然刮臂綜合上抬力不大,但是由于擋住刮片防浮翼,使刮片下壓力大幅度減小,導(dǎo)致高速行駛時(shí)漏刮。當(dāng)刮臂高度增大或距離刮片較遠(yuǎn)時(shí),有利于增大刮片下壓力,避免漏刮。