杜樹(shù)浩 李曉波 李勇 李強(qiáng)華 呂永英

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1 引言

雨刮系統(tǒng)的功能是刮掃擋風(fēng)玻璃表面的雨、雪、灰塵等雜物，以便給駕乘人員提供清晰的視野。雨刮系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性影響整個(gè)雨刮系統(tǒng)運(yùn)行的壽命和舒適性，如果傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)不合理，刮臂刮刷往復(fù)擺動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力，會(huì)造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的過(guò)度磨損，輕者產(chǎn)生沖擊噪聲降低舒適性，嚴(yán)重情況下刮刷過(guò)刮與A柱或進(jìn)氣格柵干涉，甚至出現(xiàn)斷裂，造成雨刮系統(tǒng)不能正常工作，影響行車(chē)安全。

2 幾何法計(jì)算空間四連桿機(jī)構(gòu)尺寸

2.1 平面四連桿機(jī)構(gòu)尺寸的幾何法計(jì)算

首先研究平面四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸計(jì)算，圖1為平面四連桿機(jī)構(gòu)模型，曲柄AB繞點(diǎn)A做360度轉(zhuǎn)動(dòng)，搖臂DC繞點(diǎn)D做往復(fù)擺動(dòng)，AD為機(jī)架，BC為搖桿。在雨刮的實(shí)際設(shè)計(jì)中，曲柄AB長(zhǎng)度一般為AB=45mm，機(jī)架AD受空間限制為固定值，AD=221.194mm，搖臂DC的擺動(dòng)角度α為設(shè)計(jì)要求值，α=80°，需計(jì)算搖臂DC和搖桿BC的長(zhǎng)度，理論上DC和BC的尺寸有無(wú)數(shù)種組合。

圖1 平面四連桿機(jī)構(gòu)模型

圖1中給出了該機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位 置ABCD和ABCD， 此 時(shí)，AB、BC、AB、BC共線，傳動(dòng)角γ=γ。由 于BC=BC

因此，CC=BB=2×AB=90mm

DE為等腰三角形DCC的高和角平分線，因此，

經(jīng)過(guò)以上過(guò)程，計(jì)算出搖臂DC和搖桿BC的長(zhǎng)度尺寸，然后做出兩個(gè)極限位置ABCD和ABCD。計(jì)算求出DE的長(zhǎng)度和∠ADE，則可畫(huà)出DE的位置，再連接AE，過(guò)E點(diǎn)沿直線AE做出EC和EC，確定C點(diǎn)和C點(diǎn)，直線AE和圓交點(diǎn)為B和B。至此，求解出了兩個(gè)極限位置ABC1D和ABCD。

2.2 空間四連桿機(jī)構(gòu)尺寸的幾何法計(jì)算

雨刮系統(tǒng)是空間四連桿結(jié)構(gòu)，搖臂和曲柄的旋轉(zhuǎn)平面不共面且呈一定角度，如圖2所示3D模型中，將平面四連桿結(jié)構(gòu)的搖臂和搖桿投影到空間四連桿機(jī)構(gòu)的搖臂旋轉(zhuǎn)平面上，DC和DC的投影DC'和DC'長(zhǎng)度不相 等，BC和BC的 投 影BC'和BC'長(zhǎng)度也不相等。以DC'和DC'的平均值為新的搖臂長(zhǎng)度，BC'和BC'的平均值為新的搖桿長(zhǎng)度，然后計(jì)算得出擺角值。本示例中擺角初次計(jì)算值為80.013°。

圖2 空間四連桿機(jī)構(gòu)模型

搖臂尺寸與擺角值成反比，根據(jù)擺角初次計(jì)算值與設(shè)計(jì)要求值的差值，對(duì)搖臂尺寸按反比例求值，然后求出擺角二次計(jì)算值，……，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，逐漸逼近設(shè)計(jì)要求值。表1為迭代計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)果，經(jīng)過(guò)N次迭代后（一般N≤3），擺角值為80.005°，精度已經(jīng)很高。

表1 迭代計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)果

實(shí)際工程應(yīng)用，搖臂尺寸制造公差為±0.1mm，搖桿尺寸制造公差為±0.5mm，因此采用round函數(shù)保留小數(shù)點(diǎn)后一位數(shù)。同時(shí)，以0.1mm作為搖臂尺寸修正值，0.5mm做為搖桿尺寸修正值，進(jìn)行修正，修正后的擺角值為79.961°，與設(shè)計(jì)值（80°）之間誤差為0.1°以內(nèi)，滿足工程需求。

3 雨刮系統(tǒng)沖擊力研究

如圖3所示為并聯(lián)式雨刮系統(tǒng)模型簡(jiǎn)圖，由于刮臂刮刷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生沖擊力，在兩極限位置換向時(shí)產(chǎn)生沖擊噪聲和機(jī)構(gòu)的磨損。

圖3 并聯(lián)式雨刮系統(tǒng)模型簡(jiǎn)圖

在一般平動(dòng)中的沖擊是用沖量P來(lái)描述的。

根據(jù)沖量定理：P=F·t=m·v。

沖擊力：F=mdV/dt=mα

在雨刮的運(yùn)行中采用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量M代替質(zhì)量m，角速度ω代替平動(dòng)速度v。得到?jīng)_量P=Mω。對(duì)于單一質(zhì)點(diǎn)m相對(duì)于某一轉(zhuǎn)動(dòng)軸來(lái)說(shuō)M=mR2。

因此對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)說(shuō)：P=M·ω=mR2ω

沖擊力：F=mR2dω/dt=mR2α

由此可知刮臂刮刷的沖擊力與刮臂刮刷的質(zhì)量m、旋轉(zhuǎn)半徑R的平方、角加速度α成正比關(guān)系。

4 串聯(lián)式四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

4.1 串聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性

如圖4所示為串聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是兩組空間四連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成的，曲柄驅(qū)動(dòng)主駕側(cè)搖臂擺動(dòng)，主駕側(cè)搖臂再驅(qū)動(dòng)副駕側(cè)搖臂擺動(dòng)。因此，主駕側(cè)承受沖擊力由兩部分組成，一是主刮臂刮刷運(yùn)動(dòng)直接產(chǎn)生的沖擊力，二是副駕側(cè)刮臂刮刷運(yùn)動(dòng)沖擊力經(jīng)副搖桿傳遞給主駕側(cè)的力。而曲柄承受的沖擊力為主駕側(cè)承受沖擊力經(jīng)主搖桿傳遞給曲柄的力。主駕側(cè)搖臂是三角形結(jié)構(gòu)，該夾角的存在會(huì)造成二級(jí)四連桿機(jī)構(gòu)角加速度的畸變，使得曲柄承受沖擊力的計(jì)算變得復(fù)雜，與角加速度和傳動(dòng)角有直接關(guān)系。

圖4 串聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖

4.2 串聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化

為了平衡初始和極限位置的運(yùn)動(dòng)沖擊磨損，應(yīng)盡可能使兩位置的沖擊力比值=1，同時(shí)盡可能使兩位置的傳動(dòng)角比值=1，因?yàn)閭鲃?dòng)角過(guò)小，四連桿機(jī)構(gòu)的剛性則越差，由于刮臂刮刷的慣性影響造成擺角變化范圍越大。根據(jù)筆者積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于串聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，0.8＜沖擊力初始/極限＜1.2，且各位置傳動(dòng)角0.9＜γ＜1.1。

按上文介紹的幾何計(jì)算方法，結(jié)合CATIA的超級(jí)副本功能，建立了一個(gè)串聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算優(yōu)化模型，如圖5所示，該模型輸入曲柄長(zhǎng)度和擺角要求值，則可計(jì)算出搖臂和搖桿尺寸，以及擺角模擬值，同時(shí)給出初始/極限位置沖擊力比值和傳動(dòng)角比值（電機(jī)轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分鐘），參數(shù)如表2所示。

圖5 串聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算優(yōu)化模型

表2 串聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算案列

5 并聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

5.1 并聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性

如圖6所示為并聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是兩組空間四連桿機(jī)構(gòu)并聯(lián)組成的，兩組機(jī)構(gòu)共用曲柄。主駕側(cè)承受主刮臂刮刷運(yùn)動(dòng)沖擊力，副駕側(cè)承受副刮臂刮刷運(yùn)動(dòng)沖擊力，曲柄則承受主副沖擊力的疊加力。同樣的，與角加速度和傳動(dòng)角有直接關(guān)系，只是比串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的疊加關(guān)系稍簡(jiǎn)單。

圖6 并聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖

此外，由于主副刮的刮拭角度是一般是不同的，兩側(cè)的搖臂和曲柄也不是對(duì)稱關(guān)系，搖臂的尺寸有差異，因此主副兩組四連桿機(jī)構(gòu)存在相位差的問(wèn)題。如果相位差過(guò)大，主副刮刷在運(yùn)行過(guò)程中不同步，則會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，因此應(yīng)盡可能減小相位差。

5.2 并聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化

本文同樣建立了一個(gè)并聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算優(yōu)化模型，如圖7所示，該模型功能與串聯(lián)式相同，參數(shù)如表3所示。另外，該模型還可以輸出主副刮刷之間最小距離的變化曲線，以便分析是否存在干涉現(xiàn)象，如圖8所示。

圖7 并聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算優(yōu)化模型

表3 并聯(lián)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算案列

圖8 主副間距變化曲線

6 結(jié)語(yǔ)

本文建立了一種計(jì)算空間四連桿尺寸和擺角的幾何方法，并以最小沖擊力比值和最小傳動(dòng)角比值為優(yōu)化目標(biāo)，創(chuàng)建了CATIA參數(shù)化計(jì)算模型，對(duì)雨刮系統(tǒng)常用的串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用本文研究成果，可降低雨刮系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的沖擊力，提高了雨刮系統(tǒng)的運(yùn)行壽命和舒適性。已成功應(yīng)用于比亞迪、一汽、北汽、廣汽三菱等十多個(gè)車(chē)型，取得了很好的工程應(yīng)用效果。