基于ADAMS的某汽車雨刮器的仿真分析研究

李香芹 黃立君 劉凱龍

汽車雨刷系統(tǒng)通常包括雨刷片、雨刮搖臂、搖桿、雨刮電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)和聯(lián)動機(jī)構(gòu)等[1]，如圖1所示，其中雨刮電機(jī)是為整個系統(tǒng)的運(yùn)行提供動力，搖桿機(jī)構(gòu)的主要作用是將雨刮電機(jī)產(chǎn)生的動力傳遞給其他機(jī)構(gòu)，以使其他機(jī)構(gòu)運(yùn)動；雨刮搖臂的主要作用是固定雨刮片和傳遞動力的；雨刷片則起著清除車玻璃表面灰塵、雨水等作用。不少學(xué)者對汽車雨刮系統(tǒng)進(jìn)行了研究，張衛(wèi)和李浙昆利用ADAMS 和MATLAB 軟件對汽車雨刮器系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析其運(yùn)動特點(diǎn)[21]。楊保成等人利用PROE 建立汽車雨刮器模型，對汽車雨刮器的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行ADAMS 軟件仿真及優(yōu)化[3]。邵剛從汽車雨刮片的膠裝材料、攻擊角、壓力等方面進(jìn)行分析影響汽車雨刮片壽命的原因[4]。周俠用CATIA 軟件對某汽車的雨刮系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真分析，驗(yàn)證其雨刮系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性[5]。陳陣[6]等人通過對汽車在不同速度下的雨刮器運(yùn)動進(jìn)行仿真，得出雨刮器的瞬態(tài)刮刷過程呈周期性變化規(guī)律。邵衛(wèi)、敖世奇、王嵩等分別從雨刮器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、雨刮片的刮刷能力、材料進(jìn)行了汽車雨刮系統(tǒng)設(shè)計方案的探討[7-9]。

1 汽車雨刷系統(tǒng)模型建立

以某車型雨刮器系統(tǒng)為例，其左側(cè)雨刮片的長度450mm，右側(cè)雨刮片的長度400mm，且曲柄與左側(cè)搖桿的直線距離為200mm，曲柄與右側(cè)搖桿的直線距離為250mm，單側(cè)雨刮片的最大角度為85°，曲柄長度為35mm，左側(cè)搖桿的長度為60mm，左連桿長度為230mm，右側(cè)搖桿長度為70mm，右連桿長度為235mm，根據(jù)雨刮器系統(tǒng)參數(shù)在SolidWorks 建立模型[10]，如圖1所示。

圖1 汽車雨刮器模型

接著按照參數(shù)導(dǎo)入Adams 軟件中，設(shè)定仿真時間，給雨刮器模型施加約束，如固定副，轉(zhuǎn)動副，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動等，建立雨刮器模型，如圖2所示。

圖2 雨刮器實(shí)體模型

進(jìn)入ADAMS界面，設(shè)置仿真數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 ADAMS仿真界面設(shè)置

2 汽車雨刷系統(tǒng)模型仿真分析

通過Adams軟件仿真的結(jié)果如圖4至圖9所示。

圖4 左雨刮片速度仿真結(jié)果

圖5 右雨刮片速度仿真結(jié)果

給定左、右雨刷刮片質(zhì)心一定力矩，得到雨刮片速度運(yùn)動特點(diǎn)，圖3為左雨刮片速度仿真結(jié)果，圖4為右雨刮片速度仿真結(jié)果。結(jié)合圖4與圖5可知，左右雨刮片速度同步運(yùn)動。雨刮片速度運(yùn)動特點(diǎn)以圖3為例，雨刮片的運(yùn)動周期是2秒，在一個周期內(nèi)出現(xiàn)2個波峰，2個波谷。在剛開始啟動時（0.1秒時），左刮片在x軸正方向運(yùn)動達(dá)到最大速度，為0.48m/s，在y軸正方向運(yùn)動達(dá)到最小速度為0.14m/s，在z軸上的運(yùn)動速度為0。在1秒時，左刮片在x軸正方向運(yùn)動達(dá)到最小速度，為0.36m/s，在y軸負(fù)方向運(yùn)動達(dá)到最大速度為0.34m/s，在z軸上的運(yùn)動速度為0。 而且在此時速度改變，在x軸由正方向變?yōu)樨?fù)方向，速度大小無變化，為0.36m/s，在y軸由負(fù)方向變?yōu)檎较?，速度大小無變化，為0.34m/s，在z軸上的運(yùn)動速度為0。在2秒時，左刮片在x軸負(fù)方向運(yùn)動達(dá)到最大速度為0.48m/s，在y軸正方向運(yùn)動達(dá)到最小速度為0.14m/s，在z軸上的運(yùn)動速度為0，右刮片則同左刮片一樣，同樣在0.1秒、1秒和2秒時速度方向和大小都相同。

圖6 左雨刮片加速度仿真結(jié)果

圖7 右雨刮片加速度仿真結(jié)果

接著分析雨刮片加速度運(yùn)動特點(diǎn)，如圖6、圖7所示，分別為左、右雨刮片加速度仿真結(jié)果，由仿真結(jié)果可知左、右雨刮片加速度也是同步運(yùn)動的。以圖6為例進(jìn)行分析。啟動后，在0.1秒時，左刮片在x軸正方向運(yùn)動達(dá)到最大加速度為44mm/s2，在y軸正方向運(yùn)動達(dá)到最小加速度為7.5mm/s2，在z軸上的運(yùn)動加速度為0，在1秒時，左刮片在x軸負(fù)方向運(yùn)動達(dá)到最小加速度為34mm/s2，在y軸正方向運(yùn)動達(dá)到最大加速度為34mm/s2，在z軸上的運(yùn)動加速度為0;在2秒時，左刮片在x軸正方向運(yùn)動達(dá)到最大加速度為45mm/s2，在y軸正方向運(yùn)動達(dá)到最小加速度為7mm/s2，在z軸上的運(yùn)動加速度為0。右刮片則同左刮片一樣，同樣在0.1秒、1秒和2秒時加速度方向和大小都相同。

圖8 左雨刮片角加速度仿真結(jié)果

圖9 右雨刮片角加速度仿真結(jié)果

進(jìn)一步分析雨刮片角加速度的運(yùn)動特點(diǎn)，如圖8、圖9所示，分別為左、右雨刮片角加速度仿真結(jié)果。對以圖8為例進(jìn)行分析，在0.1秒時，左刮片在x軸負(fù)方向運(yùn)動的角加速度為4805mm/s2，在y軸和z軸上的運(yùn)動角加速度為0；在1秒時，左刮片在x軸正方向運(yùn)動達(dá)到最小角加速度為4605mm/s2，在y軸和z軸上的運(yùn)動角加速度為0；在2秒時，左刮片在x軸負(fù)方向運(yùn)動達(dá)到最大角加速度為5105mm/s2，在y軸和z軸上的運(yùn)動角加速度為0；右刮片則同左刮片一樣，同樣在0.1秒、1秒和2秒時加速度方向和大小都相同。

3 仿真優(yōu)化

公式1為根據(jù)雨刮器四連桿公式，根據(jù)公式1可知，當(dāng)曲柄一定時，刮刷角度與搖桿、連桿有關(guān)，而當(dāng)連桿不變時，其搖桿越長，產(chǎn)生的角加速度越小，沖擊載荷也減小。

式中，L1為連桿長度、L2為搖桿長度，當(dāng)曲柄一定時，刮刷角度與連桿L1、搖桿L2有關(guān)，當(dāng)連桿不變時，其搖桿越長，產(chǎn)生的角加速度越小，沖擊載荷也減小。由于搖桿和連桿的尺寸是雨刮片角加速度和沖擊載荷的主要影響因素。本文在原來搖桿尺寸130mm的模型基礎(chǔ)上，將搖桿尺寸改為95mm再重新進(jìn)行仿真得出雨刮片的角加速度變化曲線，如圖10、11所示。

圖10為左雨刮片角加速度仿真結(jié)果，圖11為右角加速度仿真結(jié)果，以圖10為例，分析雨刮片角加速度仿真結(jié)果。在0.1秒時，左刮片在x軸負(fù)方向運(yùn)動的角加速度為2805mm/s2，圖8 的數(shù)值為4805mm/s2，在y軸和z軸上的運(yùn)動角加速度為0。在1秒時，左刮片在x軸正方向運(yùn)動的角加速度為3105mm/s2，圖8的數(shù)值為4605mm/s2，在y軸和z軸上的運(yùn)動角加速度為0;在2秒時，左刮片在x軸負(fù)方向運(yùn)動的角加速度為3305mm/s2，圖8的數(shù)值為最大角加速度為5105mm/s2，在y軸和z軸上的運(yùn)動角加速度為0。右刮片則同左刮片一樣，同樣在0.1秒、1秒和2秒時加速度方向和大小都相同。

圖10 左雨刮片角加速度仿真結(jié)果

圖11 右雨刮片角加速度仿真結(jié)果

圖12 左雨刮片速度仿真結(jié)果

降低搖桿的長度后，左雨刮片速度仿真結(jié)果如圖12所示，對比圖4可知，將搖桿尺寸在原來搖桿尺寸130mm的模型基礎(chǔ)上改為95mm后，對雨刮器的刮片速度影響不大，說明搖桿尺寸的改變主要影響左雨刮片角加速度的。因此，可以通過改變搖桿的尺寸可以達(dá)到調(diào)整雨刮器雨刮臂的擺動角度，從而達(dá)到降低汽車雨刮沖擊運(yùn)動，延長雨刮器壽命的優(yōu)化目的，其他的仿真操作過程類似。

4 結(jié)論

本文針對雨刮片材料的選用和對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化，利用Adams進(jìn)行仿真分析，得到將搖桿尺寸從130mm改為90mm后，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的角加速度最大值有明顯的下降，這意味著角加速度對應(yīng)的力矩沖擊作用在機(jī)構(gòu)上有著明顯變小，雨刮片角加速度值的大小在一定程度上影響著雨刮片的使用壽命，改變遙桿尺寸，將雨刮片角加速度值調(diào)小，有助于延長雨刮器使用壽命。