葛 鋒，任丙成，馮麗芳

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

汽車在雨雪天氣行駛時(shí)，前擋風(fēng)玻璃上容易形成雨水或者被雪花覆蓋，妨礙駕駛員視野，影響行車安全。因此，汽車上都配置刮水器清除前擋風(fēng)玻璃上的雨水、雪或者灰塵等，以提升行車安全性。在刮水器設(shè)計(jì)中電機(jī)的選型主要是采用傳統(tǒng)的簡化載荷計(jì)算公式，然后再通過乘以安全系數(shù)的手段實(shí)現(xiàn)。計(jì)算公式如下。

主刮臂刮片勻速刮刷所需轉(zhuǎn)矩為

副刮臂刮片勻速刮刷所需轉(zhuǎn)矩為

電機(jī)轉(zhuǎn)矩T=（Tz+Tf）×α

式中：Rz——主刮臂長，m；Rf——副刮臂長，m；Fz——主刮臂壓力，N；Ff——副刮臂壓力，N；Mz——主刮臂刮片總成質(zhì)量，kg；Mf——副刮臂刮片總成質(zhì)量，kg；g——重力加速度，9.8 N／kg；θ——玻璃傾角，（°）；μ——摩擦系數(shù)，0.8～1.65；α——安全系數(shù)，1.2～1.5。

摩擦系數(shù)μ范圍大，是因?yàn)楣纹趽躏L(fēng)玻璃上的濕刮狀態(tài)和半干刮狀態(tài)所受的摩擦力差別大。安全系數(shù)α是為了補(bǔ)償刮水器加速運(yùn)動、各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動副摩擦、機(jī)構(gòu)變形、刮臂刮片風(fēng)阻、環(huán)境溫度等因素帶來的影響，是依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來定義其值的范圍。

上述這種方法只是理論計(jì)算刮水器勻速刮刷時(shí)帶動主、副刮臂刮片所需要的轉(zhuǎn)矩之和，再乘以一個(gè)以設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得來的安全系數(shù)α，然后就得到所需電機(jī)的理論轉(zhuǎn)矩范圍。但是，刮水器刮刷不可能一直勻速刮刷，加上摩擦系數(shù)μ和安全系數(shù)α都是范圍值，故這個(gè)公式得來的電機(jī)轉(zhuǎn)矩值范圍通常很大，難以準(zhǔn)確把握真正需要電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，并且為保證刮水器工作性能而保守選擇的電機(jī)多數(shù)會造成電機(jī)功率的浪費(fèi)，以及太大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩在遇到刮水器意外受阻堵轉(zhuǎn)的情況下也會破壞刮水器內(nèi)部機(jī)構(gòu)。

本文主要介紹一種刮水器 （江淮和悅RS刮水器）運(yùn)動模型的建立及分析過程，通過對刮水器相關(guān)部件關(guān)節(jié)運(yùn)動副建立運(yùn)動模型，模型建立后通過運(yùn)動規(guī)律得出刮水器的刮刷角度、刮刷角速度、刮刷角加速度，并利用刮刷角加速度更準(zhǔn)確地定義電機(jī)選型的指導(dǎo)計(jì)算公式。

1 刮水器組成及運(yùn)動原理

江淮和悅RS刮水器組成如圖1所示。電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)整體封裝在電機(jī)及支架中，減速器輸出軸轉(zhuǎn)動帶動電機(jī)曲柄做圓周運(yùn)動，通過主刮連桿將運(yùn)動傳遞到主刮擺桿往復(fù)擺動，主刮擺桿與主刮輸出軸鉚接在一起，從而帶動安裝在主刮輸出軸上的主刮臂做往復(fù)擺動；同時(shí)主刮擺桿帶動副刮連桿將運(yùn)動傳遞到副刮擺桿做往復(fù)擺動，副刮擺桿與副刮輸出軸鉚接在一起，從而帶動安裝在副刮輸出軸上的副刮臂做往復(fù)擺動。最后，刮臂帶動刮片做往復(fù)擺動，刮刷去前擋風(fēng)玻璃上的雨水、雪或灰塵等。

2 運(yùn)動模型建立與分析［1］

2.1 各關(guān)節(jié)運(yùn)動副的分析

圖1刮水器中共有7個(gè)運(yùn)動關(guān)節(jié)，其對應(yīng)的運(yùn)動部件、結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)CATIA中各運(yùn)動副和相應(yīng)自由度關(guān)系見表1。

表1 各運(yùn)動關(guān)節(jié)分析表

2.2 運(yùn)動模型的建立

電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)軸軸套可以整體作為一個(gè)固定的部件，電機(jī)輸出軸及其曲柄作為一個(gè)整體部件，每個(gè)擺桿和相對應(yīng)的輸出軸因?yàn)槭倾T接固連關(guān)系分別作為一個(gè)整體部件，各個(gè)連桿分別作為一個(gè)整體部件。按照上述將各整體部件裝配好后，把CATIA轉(zhuǎn)到數(shù)字化裝配的DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)模塊中，單擊 ， 彈出 “Joint Creation：Revolute” 對話框，單擊對話框中 “New Mechanism”建立新運(yùn)動機(jī)構(gòu)。選取電機(jī)和電機(jī)輸出軸兩個(gè)部件的運(yùn)動轉(zhuǎn)軸及貼合平面，建立運(yùn)動關(guān)節(jié)1。

限于篇幅，其他關(guān)節(jié)的建立就不一一贅述。最終模型建立后的效果見圖2。

2.3 建立刮水器運(yùn)動

2.3.1 刮水器運(yùn)動規(guī)律

GB 15085—2013《汽車風(fēng)窗玻璃刮水器和洗滌器性能要求和試驗(yàn)方法》中第4章性能要求對刮水器的刮刷頻率有如下規(guī)定：①刮水器至少應(yīng)有2種刮刷頻率；②一種刮刷頻率不低于45次／min；③一種刮刷頻率不低于15次／min，且不高于55次／min；④最高的刮刷頻率和其中一種低的刮刷頻率之間的差不低于15次／min。

現(xiàn)在設(shè)定刮水器高速刮刷時(shí)的頻率是60次／min，即1次／s。對應(yīng)刮水器電機(jī)軸轉(zhuǎn)速應(yīng)為1轉(zhuǎn)／s，即360°／s。

2.3.2 刮水器運(yùn)動規(guī)律的建立

使用CATIA中的關(guān)系公式建立刮水器的運(yùn)動公式，步驟如下。

選中 “Mechanism.1”， 單擊 “知識” 工具欄中的 “Formula（公式）” 按鈕 f（x）， 彈出 “公式：Mechanism.1”對話框，如圖3所示。在對話框 “參數(shù) ” 文 本 框 中 選 中 “Mechanism.1＼Commandscommand角度”，單擊 “添加公式”按鈕，彈出“公式編輯”對話框，如圖4，定義長度與時(shí)間的關(guān)系。

其 中 “1s／360deg” 的 意 義 是 運(yùn) 動 速 度 為360deg／1s，即每秒鐘轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)。至此，運(yùn)動規(guī)律建立完成。

2.4 測量刮水器的刮角、角速度和角加速度

1） 單擊 “DMU Kinematics（數(shù)字模型運(yùn)動）”工具欄中的 “Speed and Acceleration（速度和加速度”按鈕 ，激活對話 框 中 “reference Product（參考產(chǎn)品）”文本框，選擇電機(jī)及支架作為參考， “Point Select（點(diǎn)選擇）”選擇主刮擺桿上的一點(diǎn)作為測量點(diǎn)，見圖5。同理，建立副刮測量點(diǎn)。

2）單擊 “DMU Kinematics（數(shù)字模型運(yùn)動）”工具欄中的 “Simulation with Laws（用規(guī)則模擬）”按鈕 ，彈出 “Kinematics Simulation Mechanism.1（運(yùn)動模擬）”對話框，如圖6所示。單擊對話框 中的 “Analysis（分析）”按鈕，彈出“Simulation Duration（模擬時(shí)間）”對話框，將模擬時(shí)間修改為2 s。單 擊 “Activate sensor（激活傳感器）”對話框，如圖7所示。激活“Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).4角度”、 “Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).7角度”、 “Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).10角度”、 “Speed-Acceleration.1角速度”、 “Speed-Acceleration.1角加速度”、 “Speed-Acceleration.2角速度”、“Speed-Acceleration.2角加速度”。

單擊 “選擇” 按鈕， 彈出 “Graphical Reproduction Option（代表圖形曲線選項(xiàng)）”對話框，見圖8。編制客制化曲線：主刮刮角（“Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).4角度” 為橫坐標(biāo)，“Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).7角度” 為縱坐標(biāo)）、 副刮刮角 （“Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).4角度” 為橫坐標(biāo)，“Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).10角度”為縱坐標(biāo)）、主刮角速度 （“Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).4角度”為橫坐標(biāo) ， “Speed-Acceleration.1角速度”為縱坐標(biāo)）、主刮角加速度 （“Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).4角度”為橫坐標(biāo)，“Speed-Acceleration.1角加速度”為縱坐標(biāo)）、副刮角速度（“Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).4角度”為橫坐標(biāo)，“Speed-Acceleration.2角速度”為縱坐標(biāo)）、副刮角加速度 （“Mechanism.1連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn).4角度”為橫坐標(biāo)，“Speed-Acceleration.2角加速度”為縱坐標(biāo)）。

然后對模型進(jìn)行模擬，可得所需要的參數(shù)，以圖形形式顯示，見圖9。單擊 “File（文件）”按鈕，可以將曲線參數(shù)保存在Excel表格中。

2.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)章節(jié)2.4得到的曲線參數(shù)見表2。

通過對表2的分析，可得出如下結(jié)論：①刮水器主刮刮角約為85.8°，滿足設(shè)計(jì)刮角≤100°的要求；②刮水器副刮刮角約為86.5°，滿足設(shè)計(jì)刮角≤100°的要求； ③主刮最大角速度約為41.3rad／s， 最 圖9 “Sensor Graphical Representation”對話框大角加速度約為40.5 rad／s2（此時(shí)刮速為0）；④副刮最大角速度約為42.2rad／s，最大角加速度約為44 rad／s2（此時(shí)刮速為0）；⑤主、副刮臂刮片同時(shí)到達(dá)其最大加速度位置。

上述主、副刮角速度、角加速度數(shù)值可以用來指導(dǎo)電機(jī)選型。由于選擇的角加速度測量點(diǎn)在主、副刮擺桿上，所以CATIA分析得來的角加速度值可以用來計(jì)算主、副刮臂刮片因加速度帶來的轉(zhuǎn)矩，故本文引言部分列出的刮水器電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式可以改為：T≈Tz+Tf+Taz+Taf+Tc。此時(shí)限定主、副刮臂刮片的刮速不為0，以判定刮片上有摩擦力存在，但主、副刮片位置都很接近其最大角加速度位置。由CATIA分析的結(jié)果可知，在最大刮刷角加速度時(shí)，角速度為0，但是由于角速度和角加速度曲線都是平滑過渡曲線，故可以再在公式中限定最大角加速度附近角速度不為0，以保證刮片上存在摩擦力，使公式成立。

其中，最大刮刷加速度時(shí)帶動主刮臂刮片所需轉(zhuǎn)矩為Taz=Mz×Raz2×Az（不考慮摩擦力影響）［2］； 最大刮刷加速度時(shí)帶動副刮臂刮片所需轉(zhuǎn)矩為Taf=Mf×Raf2×Af（不考慮摩擦力影響）。

式中：Az——主刮最大角加速度，rad／s2；Af——副刮最大角加速度，rad／s2；Raz——主刮臂刮片質(zhì)心和主刮轉(zhuǎn)軸連線在刮臂刮片運(yùn)動平面內(nèi)的投影距離，m；Raf——副刮臂刮片質(zhì)心和副刮轉(zhuǎn)軸連線在刮臂刮片運(yùn)動平面內(nèi)的投影距離，m。

電機(jī)輸出軸僅勻速驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)所需的最大轉(zhuǎn)矩為Tc（可以通過工裝測量得出，一般也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估測一個(gè)值）。

勻速帶動主刮臂刮片所需轉(zhuǎn)矩為Tz=（Mz×g×cosθ＋Fz）×μ×Rz； 勻速帶動副刮臂刮片所需轉(zhuǎn)矩為Tf=（Mf×g× cosθ+Ff）× μ×Rf。

以江淮和悅RS刮水器為例。和悅RS刮水器使用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為30 Nm，以下數(shù)據(jù)為理論值不考慮制造公差，摩擦系數(shù)μ選擇其最大值。

代入變更前公式

根據(jù)上面計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)矩范圍值，為滿足刮水器工作要求需要選擇的轉(zhuǎn)矩為38 Nm或以上規(guī)格的電機(jī)。

代入變更后公式

根據(jù)上面計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)矩值，加上摩擦系數(shù)μ已選擇其最大值，故可以考慮選擇轉(zhuǎn)矩為30 Nm或以上規(guī)格的電機(jī)，符合和悅RS車實(shí)際在用的30Nm刮水器電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

由于更改后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式（Tz＋Tf＋Taz＋Taf＋Tc）計(jì)算出的值已考慮到了刮水器刮刷中的主要因素，其計(jì)算出的值已很接近刮水器工作所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，故相比傳統(tǒng)公式（Tz＋Tf）×α計(jì)算的范圍值會更加接近刮水器刮刷所需要的最大電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

3 結(jié)論

本文首先通過分析得出了以往刮水器設(shè)計(jì)中電機(jī)選型采用的傳統(tǒng)簡化載荷計(jì)算公式的不足，然后利用CATIA軟件工具對和悅RS刮水器進(jìn)行運(yùn)動分析，得出了主、副刮角數(shù)值，確認(rèn)刮水器刮角符合設(shè)計(jì)要求，并得出了刮水器主、副刮的角速度、角加速度數(shù)值及其對應(yīng)的關(guān)系，最終利用角加速度和相關(guān)參數(shù)對應(yīng)的關(guān)系重新定義了電機(jī)選型的計(jì)算公式，為刮水器產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一個(gè)更加可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］盛選禹，盛選軍.CATIA V5運(yùn)動和力學(xué)分析實(shí)例教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：35-45，74-91，203-213.

［2］鄧星鐘.機(jī)電傳動控制（第3版）［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001：5-6.