汽車雨刮器的設計與動力學分析大學論文

全套設計（圖紙）加扣扣194535455汽車雨刮器的設計與動力學分析摘要汽車在人們的日常生活中已經(jīng)十分重要，作為汽車重要的安全件之一的雨刮器的地位日益提高，人們對雨刮器越來越重視。人們在日常生活中經(jīng)常使用雨刮器，只要是適應雨天行駛的交通工具，幾乎都配備了雨刮器，因此對雨刮器習以為常。本次設計將對長城哈弗H6所配備的雨刮器連動桿總成進行具體的結(jié)構設計，并使用SolidWorks對雨刮器進行整體建模和運動仿真，設計出具體的連動桿，并畫出連動桿圖紙和雨刮器的連動桿總成的裝配圖。并對主要的傳動機構進行Adams運動學分析。作為一種需要循環(huán)動作的機構，雨刮器的使用壽命也是十分重要的，各個零件的受力情況是設計時的重要考慮因素，因此我們必須對重要的零件進行受力分析并進行優(yōu)化，改善應力分布或優(yōu)化零件設計，以便延長使用壽命。在循環(huán)的動作中必須改善部分零件的裝配關系避免摩擦的因素造成使用壽命的變短。在汽車上面每一處空間都必須合理的利用因此在雨刮器的設計過程中必須考慮整體的體積，減小雨刮器的體積也是需要考慮的重要因素。關鍵詞：雨刮器、建模、運動仿真、Adams

Thedesignanddynamic

analysisofautomotive

wiperAbstract:Carsinpeople'sdailyliveshasbeenveryimportantpositionwiperimportantsafetycarpartsasoneincreasing,moreandmorepeoplepayattentiontowiper.Wiperlinkagerodsmainlybyfourorganizations,theimplementationwillrotateintoaboutswinging.Therearefour-barmechanismandpowerelementsreducerconnectionspeedtoachievewhatwewant,peopleoftenusethewiperineverydaylife,aslongasthevehicletoadapttodrivingrain,almostallequippedwithawiper,wiperandthereforegranted.ThedesignwillbethePentiumb70isequippedwithwiperlinkagerodassemblyspecificstructuraldesign,anduseofthewiperSolidWorksoverallmodelingandmotionsimulation,designspecificlinkagerodanddrawlinkageleverdrawingsandwiperlinkagerodassemblyassembedrawings.Themaintransmissionmechanismandkinematicanalysiswereadams,inwiperbladeduringuse,therearemanyproblems,thisdesignstudyforwipernoiseproblemsandtoseektosolveoralleviatetheproblem.Asaneedtocycletheactionmechanism,wiperbladeservicelifeisalsoveryimportant,theforcesofthevariouspartsisanimportantconsiderationwhendesigning,sowehaveanimportantparttostressanalysisandoptimization,improvedstressdistributionoroptimizepartdesign,inordertoprolonglife.Factorintheactionoftheloopmustimproverelationswithpartsoftheassemblytoavoidfrictioncausedlifebecomesshort.Inthecarontopofeveryrationaluseofspacemustthereforewiperdesignprocessmustconsidertheoverallvolume,animportantfactorinreducingthevolumeofthewiperistobeconsidered.Keywords：wiper,

modeling,

motionsimulation,

Adams目錄HYPERLINKHYPERLINK第1章前言 1HYPERLINK1.1課題背景 1HYPERLINK1.2雨刮器的產(chǎn)生、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1HYPERLINK1.2.1雨刮器的現(xiàn)狀 1HYPERLINK1.2.2雨刮器的產(chǎn)生 2HYPERLINK1.2.3雨刮器的發(fā)展趨勢 2HYPERLINK1.3研究的目的和內(nèi)容 3HYPERLINK1.3.1研究目的 3HYPERLINK1.3.2研究內(nèi)容 3HYPERLINK1.4設計方法 3HYPERLINK第2章總體方案的設計與確定 5HYPERLINK2.1設計對象及總體參數(shù) 5HYPERLINK2.1.1研究目的 5HYPERLINK2.1.2總體參數(shù) 5HYPERLINK2.2雨刮器結(jié)構簡析 6HYPERLINK2.3具體方案設計 6HYPERLINK2.3.1減速器的設計： 7HYPERLINK2.3.2四桿機構的設計 8HYPERLINK2.4方案對比及選擇 9HYPERLINK2.4.1減速器對比 9HYPERLINK2.4.2四桿機構對比 9HYPERLINK2.5總體設計方案 9HYPERLINK第3章結(jié)構設計 10HYPERLINK3.1連動桿總成設計 10HYPERLINK3.1.1參數(shù)設計 10HYPERLINK3.1.2結(jié)構設計 13HYPERLINK3.2電機總成設計 14HYPERLINK3.2.1參數(shù)設計 14HYPERLINK3.3搖臂總成設計 17HYPERLINK3.3.1參數(shù)設計 17HYPERLINK3.3.2參數(shù)設計 18HYPERLINK3.4電路連接 18HYPERLINK第4章優(yōu)化設計 19HYPERLINK4.1連接桿的應力分析和優(yōu)化設計 19HYPERLINK4.1.1夾具的添加 20HYPERLINK4.1.2負載的添加 20HYPERLINK4.1.3網(wǎng)格與材料 21HYPERLINK4.1.4應力分析結(jié)果 23HYPERLINK4.1.5優(yōu)化設計 23HYPERLINK4.2電機搖臂的應力分析和優(yōu)化設計 23HYPERLINK4.2.1夾具的添加 24HYPERLINK4.2.2負載的添加 24HYPERLINK4.2.3網(wǎng)格與材料 25HYPERLINK4.2.4模擬的結(jié)果 26HYPERLINK4.2.5優(yōu)化設計 27HYPERLINK第5章運動學分析 27HYPERLINK5.1運動學分析的重要性 27HYPERLINK5.2分析過程 28HYPERLINK5.2.1分析工具 28HYPERLINK5.2.2分析過程 28HYPERLINK5.3運動分析結(jié)果 29HYPERLINK5.3.1連接桿的運動狀態(tài) 30HYPERLINK5.3.2左搖桿的運動分析 31HYPERLINK5.4運動分析結(jié)論 33HYPERLINK總結(jié) 34HYPERLINK致謝 35HYPERLINK參考文獻 36第1章前言1.1課題背景我國的汽車工業(yè)發(fā)展至今已成為我國GDP的重要支柱，在過去的六十年里面我國汽車工業(yè)一點點壯大，隨著我國經(jīng)濟一起飛速發(fā)展。經(jīng)過六十年的發(fā)展我國已經(jīng)成為了世界第一汽車制造大國，我國的汽車制造工業(yè)所取得的巨大成就，令整個汽車業(yè)界乃至整個國際社會刮目相看。我國的汽車工業(yè)大概分為了三個階段：第一個階段是1978年以前，是汽車配給時期，我國這時候的汽車行業(yè)缺重少輕，幾乎沒有轎車，用戶多半都是公有制事業(yè)單位，年銷量只有17萬輛；第二階段是1979年到2001年主要是汽車市場培養(yǎng)和借著改革開放的東風開始慢慢的發(fā)展；第三個階段是2002年以后，這段時間汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車平均年銷量接近100萬輛。汽車也是十分的平民化了，家家戶戶都可以擁有汽車。汽車在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色，已經(jīng)成為人們生活出行必不可少的交通工具，汽車運輸?shù)陌踩砸苍絹碓街匾?。行車安全不僅僅包括行駛中的遵守規(guī)則，對機動車本身的調(diào)養(yǎng)、維護也是十分重要的一方面。如果駕駛的汽車本身有問題，那么隨時都有事故的可能。汽車在行駛過程中，透過擋風玻璃的視野是駕駛員獲取信息的重要渠道，駕駛所需要的信息百分之八十以上都是靠視覺獲取的，因此對黨風玻璃的要求很高。不僅僅是透明性、大小、厚度，清潔程度也有很高的要求。因此雨刮器是汽車上面必不可少的零件。1.2雨刮器的產(chǎn)生、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1雨刮器的現(xiàn)狀雨刮器又稱汽車風窗刮水器、擋風玻璃雨刷、水撥等。1893年福特發(fā)明世界上的第一輛汽車，為了清潔擋風玻璃上的水滴和灰塵，雨刮器隨之而問世[2]。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，從而有了現(xiàn)在的雨刮器?，F(xiàn)在我們汽車上面的雨刮器除了清潔灰塵、刮凈雨水外還具備了自潔、防污等功能。而且類別也越來越多樣化，每種雨刮器對應著相應的雨刮對象。圓弧形的玻璃有與其對應的弧形運動雨刮設備，刮刷車內(nèi)玻璃的雨刮器則安裝了吸水性更強、更加易除塵除霜的刮片，在農(nóng)用機械上面又有強適應性的雨刮器，轎車上面則用了美觀、實用精巧的雨刮設備。下雨的時候駕駛員會打開雨刮器，擋風玻璃上的雨刮器刮臂就會繞轉(zhuǎn)軸中興擺動，刮掉擋風玻璃上的水滴，保證駕駛員的視野，保證行車安全。我們說看到的雨刮器十分簡單也就是兩根搖臂。其實，看似簡單的雨刮器并不簡單，整個雨刮器的總成結(jié)構包括：電動機、減速器、四桿機構、刮臂軸、標準化搖臂等。還包括比較復雜的電路結(jié)構，保證雨刮器可以在不同的雨量條件下以不同的速度工作，還有電刷回位開關用來保證關閉雨刮器的時候，刮臂都會停在玻璃的底部，不會停在擋風玻璃中間阻擋駕駛員的視野。1.2.2雨刮器的產(chǎn)生雨刮器最早出現(xiàn)在1910年，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，雨刮器一成為了汽車上面重要的安全件之一。出于對安全的考慮，我國有法律明文規(guī)定：沒有雨刮器的汽車嚴禁在道路上行駛。雨刮器的構想產(chǎn)生于美國特瑞科公司的董事長，他在雨天開車的時候，因為看不清道路而撞上了一個男孩。最初的雨刮器是塑料片在擋風玻璃上手動旋轉(zhuǎn)，其缺點十分明顯，容易造成人體疲勞，后來經(jīng)歷了真空驅(qū)動泵作為動力的第二代雨刮器，因為汽車速度的大幅提高而放棄，后面有了現(xiàn)在的第三代雨刮器——電動雨刮器。1.2.3雨刮器的發(fā)展趨勢觀察這些年雨刮器的發(fā)展可以知道，在雨刮器的發(fā)展上面跟趨向于智能化、柔性化、人性化、一部分零件標準化。從以前的福特眨眼雨刷到現(xiàn)在的雨刮器，不難看出：現(xiàn)在的雨刮器不僅僅是電機驅(qū)動的簡單循環(huán)運動，整個雨刮器的設計加入了不少電器結(jié)構。速度開關可以讓使用者選擇不同的刮刷速度，回位開關保證了每次雨刮器的刮臂都停在擋風玻璃下部，不會遮擋駕駛員的視野。零件的標準化讓更換容易故障的零件更加方便快捷。這些方面的發(fā)展是一百多年來人們的經(jīng)驗總結(jié)，在雨刮器以后的發(fā)展中想必在這些方面做得更好。1.3研究的目的和內(nèi)容1.3.1研究目的針對雨刮器現(xiàn)存容易出現(xiàn)的故障，運用機械創(chuàng)新技術設計出簡單合理，性價比高的汽車雨刮器，特別是改善汽車雨刮器使用時噪聲的問題。1.3.2研究內(nèi)容良好的視野是車輛能否正常行駛的重要保障，雨刮器的責任也顯得十分的重大，然而雨刮器在汽車的零件中也是屬于比較容易損壞的，受損的雨刮器在刮刷風窗的時候不能將風窗完全刮干凈容易形成一些阻礙視野的條紋，如：帶狀條紋，是因為沒有找到雨刮臂的最佳支點，導致刮臂不是每個部位都與玻璃充分接觸；霧狀條紋，一層油狀的薄膜隨著雨刮器的使用而分布在玻璃上面，通常是因為臟、污huo9zhe車蠟附著在玻璃上面導致的。細水現(xiàn)象，雨刮器刮刷玻璃后，仍然有小水滴貼在玻璃的表面，這種問題多半也是因為車蠟或者油污硅化物粘附在擋風玻璃上面導致的。雨刮器使用時發(fā)出“咔噠”聲響或者刺耳的噪音，大多是因為膠條的磨損及搖臂桿、搖臂軸老化變形導致的[3]。擋風玻璃的干凈與否與行車安全息息相關，雨刮器的問題就是行車安全的大問題，上面所提到的就是亟待解決的問題。1.4設計方法現(xiàn)在汽車雨刮器的結(jié)構相對比較成熟，市場上面很容易找到雨刮器的成品。因此，此次對雨刮器的研究可以參考現(xiàn)在市場上面的雨刮器，并查閱相關的資料，找出現(xiàn)有雨刮器的結(jié)構，同時加以改進。將雨刮器的整體結(jié)構進行CAD建模，關鍵零件的受力分析和整體動力學分析。SolidWorks的主要用途是機械設計，還可以進行電氣、電子設計，CAM自動編程等。此次設計采用SolidWorks整體建模并且可以使用SolidWorks的受力分析模塊對關鍵零件進行靜力學分析。同時可以進行運動仿真，驗證設計的合理性。關于運動仿真可以采用ADAMS進行動力學分析。本次設計所用到的專業(yè)軟件就是ADAMS和SolidWorks兩個，但是由于在大學的學習可從中并沒有接觸過這兩個軟件，因此要對兩個專業(yè)軟件進行比較系統(tǒng)的學習，在時間的計劃安排上面就顯得比較緊湊了。整個設計過程首先需要確定各個零件的結(jié)構，計算各個零件的尺寸；然后針對各個零件用SolidWorks建模；再后面需要將各個零件的三維模型進行裝配，對整體運動仿真，關鍵零件受力分析；最后對整體的三維模型進行Adams運動學分析；最后撰寫論文。

第2章總體方案的設計與確定2.1設計對象及總體參數(shù)2.1.1研究目的本次設計對象為長城哈弗H6前風窗玻璃刮水器，長城哈弗H6是我國自主品牌推出的一款中高端轎車，采用三廂的車體結(jié)構，前置驅(qū)動，由一汽（中國第一汽車集團公司）生產(chǎn)，與2006年上市第一款奔騰。作為一款中高端的轎車，對各個部分的要求都很好，雨刮器作為轎車上面重要的安全件，尤其受到重視。結(jié)合我國《汽車標準匯編》和哈弗H6具體的各方面要求，雨刮器的至少滿足以下條件：高效的除水、除雪能力；高效的出塵、除垢能力；八十攝氏度以上的高溫工作環(huán)境；零下三十攝氏度的低溫工作環(huán)境；通過掃雪載荷測試能力；循環(huán)壽命在150萬次以上；耐酸堿、氧化腐蝕；刮刷次數(shù)大于等于20次每分鐘；高速檔和低速檔刮刷次數(shù)差值大于等于15次每分鐘；（10）刮刷方式為同向刮刷，切偏向駕駛員方向；2.1.2總體參數(shù)長城哈弗H6的車身總長為4640mm，寬度達到了1825mm整車高度為1690mm。相對市場上面的SUV來說顯得稍微要大一些。本次的設計對象為長城哈弗H6的前風窗雨刮器。通過搜集資料我們可以知道前風窗大致尺寸為上底為1300mm，1700mm，高為1200mm的等邊梯形。設計采用的刮條為卡卡買長城哈弗H6專用無骨雨刷刮條總成，此刮條尺如圖所示寸為主駕24寸（80cm），副駕16寸(約為53.33cm)。此刮條將于設計的雨刮器各部分相互配合組成完整的汽車前風窗雨刮器。2.2雨刮器結(jié)構簡析經(jīng)過一百多年的發(fā)展，雨刮器經(jīng)過了三個大階段的改進，現(xiàn)階段的雨刮器的結(jié)構已經(jīng)非常成熟。雨刮器總成如圖2-1所示，含有電動機、變速箱、四桿機構。刮水臂心軸、刮水片總成等。市場上面現(xiàn)存的雨刮器也都是由以上幾個部分構成，只是各個機構的具體設計有些不同，但是機械原理也都是相同的。電機的告訴轉(zhuǎn)動通過減速器減速增矩驅(qū)動擺臂，擺臂帶動四桿機構，四桿機構帶動安裝在底座上的轉(zhuǎn)軸左右擺動，軸與雨刮片搖臂通過花鍵連接，最后帶動雨刮片刮掃擋風玻璃。其中雨刮器動力由電機提供，因為雨刮器是汽車重要的安全件之一，所以對電機的要求也是很高的，現(xiàn)階段的雨刮器一般選擇永磁直流電動機。電動機與四桿機構之間還連接有減速器，減速器的作用是減速增矩。減速器減慢軸的轉(zhuǎn)速，同時增加軸的扭矩，以達到四桿機構對力矩的要求。減速器連接四桿機構，四桿機構主要是將軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為短搖臂的左右擺動，最后左右擺動通過搖臂心軸轉(zhuǎn)化為刮水臂繞搖臂心軸的擺動。圖2-1雨刮器大致結(jié)構2.3具體方案設計雨刮器發(fā)展至今技術已經(jīng)十分成熟，各個部分的設計都有很多種選擇，在本次設計中，應該各個方面綜合考慮，設計出結(jié)構簡單，便宜實用的雨刮器，在降低成本的同時也要考慮到雨刮器的總體使用壽命。在各個方面中大致有以下的結(jié)構需要重點的考慮。2.3.1減速器的設計：方案一：采用二級減速機減速增矩如圖2-2所示。在這里作為電動機和四桿機構之間的傳動機構能夠很好的匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩。圖2-2二級減速器方案二：采用蝸輪蝸桿機構減速如圖2-3所示，兩根交錯的軸之間常常用到蝸輪蝸桿機構，蝸輪蝸桿機構可以十分容易的傳遞兩根交錯軸之間的動力和轉(zhuǎn)矩，在中間的平面內(nèi)渦輪蝸桿機構相當于齒輪和此條機構，蝸桿的外形和螺桿的外形十分相似。蝸輪蝸桿機構在實際應用中有很多的優(yōu)點，在動力的傳動中可以達到很大的傳動比，減速增矩效果十分顯著；體積相比齒輪機構和帶輪機構更小，因此應用范圍更廣；嚙合面是線接觸，能夠承受的壓力更大；有自鎖性，當蝸桿轉(zhuǎn)速減小的時候，蝸桿能夠很好的減小蝸輪的轉(zhuǎn)速。在需要較大減速比例、傳動功率不是非常的大、或者需要間歇工作和緊急停止的場合通常優(yōu)先考慮蝸輪蝸桿機構。圖2-3蝸輪蝸桿機構2.3.2四桿機構的設計方案一：雨刮器的刮臂軸心在蝸輪軸的一側(cè)如圖2-4所示，這樣的話設計安裝都比較方便，并且對刮臂的掛刷角度的控制比較容易，排布方式簡單，故障的維修維護比較方便。圖2-4四桿機構方案二：雨刮器的刮臂軸心在蝸輪軸的兩側(cè)，這樣的設計讓體積更小，但是在運動的時候上下連動桿的間隙比較小，但是結(jié)構更加緊湊，更加節(jié)省空間，有利于汽車的其他部分設計排布。2.4方案對比及選擇2.4.1減速器對比二級減速箱的減速作用十分顯著可靠，但是結(jié)構更加復雜、體積更大、成本更高，并且不是很適合雨刮器這種需要間歇性運動的機構。渦輪蝸桿機構的減速器是比較傳統(tǒng)的機構，有自鎖特性恰好合適最后雨刮器的停留位置確定和雨刮器回位開關的設置，蝸輪蝸桿機構使用的壽命長，減速傳動比很大但是工作效率比較低，零件的磨損很大。針對本次設計的設計目的:設計出簡單實用，價廉質(zhì)優(yōu)的雨刮器和改進雨刮器體積的設計任務，綜合考慮選擇蝸輪蝸桿減速機。2.4.2四桿機構對比上面方案比較所提出的兩種雨刮器連動桿排布各有優(yōu)缺點，綜合設計的要求選擇體積更小但是機構稍顯復雜的設計方案，讓蝸輪軸在兩個刮臂軸心的中間以便減小雨刮器最終的體積。2.5總體設計方案雨刮器大體上是由電機總成、連動桿總成、搖臂總成三部分組成。在電機總成中包括作為動力源的直流電機和蝸輪蝸桿減速器，主要零件有電機套、蝸輪軸、蝸桿、蝸輪、蝸輪箱、蝸輪箱蓋以及一些固定件和緊固件組成；在四桿機構總成中，主要的零件有電機搖臂、連接桿、長連桿、左連桿、右連桿、底座電機搖臂以及固定件和緊固件組成。在四桿機構中連桿之間添加墊片，用以減小摩擦和隔開連接桿防止機械撞擊。連接桿用鉚釘連接，在鉚釘與連接桿之間同樣也要添加墊片目的相同用來減小摩擦。搖臂軸與左右連桿之間添加花鍵讓連桿將左右的擺動順利的傳到搖臂軸上；搖臂總成主要是由兩根搖臂組成每根搖臂有短搖臂和搖桿組成，他們之間也是由鉚釘連接因為這里連接的搖臂和搖桿之間并沒有多大的相對運動所以并不需要添加墊片來減小摩擦，直接用鉚釘連接。第3章結(jié)構設計3.1連動桿總成設計四桿機構是雨刮器的主要的傳動機構，其中雨刮器的刮刷角度主要由四桿機構確定，因此四桿機構顯在雨刮器中顯得尤為重要。3.1.1參數(shù)設計1.四桿機構基本結(jié)構圖3-1連動桿總成的結(jié)構雨刮器四桿機構的大致結(jié)構如圖3-1所示，主要由底座、左搖桿、右搖桿、長連桿、連接桿、電機搖臂、搖臂軸七部分組成。其中底座主要是連接各部分和便于安裝的作用，并不參與傳動，但是在四桿機構運動的過程中底座將起到支撐各個部分的作用；電機搖臂主要是繞電機軸旋轉(zhuǎn)，將電機軸的旋轉(zhuǎn)傳遞給連接桿；連接桿是連接長連桿和電機搖臂的零件，同時由于左右搖桿和連接桿的長度比例關系，連接桿將電機搖臂的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為左搖桿和右搖桿的擺動運動；長連桿的作用是將左右連桿連接起來，使左右連桿的擺動實現(xiàn)同步。左搖桿和右搖桿與搖臂軸配合將擺動轉(zhuǎn)化為搖臂軸呈一定角度的來回旋轉(zhuǎn)；搖臂軸是連動桿總成與搖臂總成連接的組件，可以將運動傳遞給搖臂總成。2.四桿機構總體參數(shù)圖3-2連動桿參數(shù)結(jié)合現(xiàn)在市場上面的雨刮器大致結(jié)構和設計對象具體尺寸得出的實際所需的刮刷面積，以及所選擇的無骨雨刷的尺寸，設計的掛刷角度為主駕部分風窗玻璃刮刷101°副駕駛部分風窗玻璃刮刷90°，所以左搖桿擺動角度為90°，右搖桿擺動角度為101°。參考設計對象安裝部分的尺寸得出四桿機構的總體參數(shù)，四桿機構的底座長度與長連桿的長度如圖3-2所示，都選擇為400mm即L=L’=400；左搖桿長度L1=84.84。3.右搖桿的長度確定因為主駕駛部分風窗玻璃與副駕駛部分風窗玻璃的掛刷角度的不同所以左右搖桿的長度也必定不一樣。根據(jù)左搖桿的長度、底座長度、長連桿的長度、以及左搖桿和右搖桿的擺動角度可以確定右搖桿長度。圖3-3右搖桿的長度分析方法：首先如圖3-3總1所示以做搖桿的左右極限位置為圓心，長連桿長度為半徑做圓。然后如圖3-3中2所示以底座右端為圓心長連桿L2的長度為半徑做圓O2。最后如圖3-3中3所示O2與第一步中兩個圓有兩個交點分別連接兩個交點與底座右端點。所得直線L2與L2’即為右搖桿的極限位置。L2與L2’的夾角即為右搖桿的擺動角度。結(jié)論：通過實驗發(fā)現(xiàn)，當L2=L2’=77.77的時候兩直線的夾角為左右搖桿的擺動角度101°，故右搖桿的長度L2=77.77。4.電機搖臂與連接桿的長度確定在左右搖臂長度固定的時候電機搖臂與連接桿的長度直接關系到四桿機構運動的狀態(tài)。長度不對可能造成擺動角度過大甚至翻過底座的情況。只有確定正確的長度才能保證四桿機構的運動狀態(tài)和我們所需要的一致。由于連接桿連接的節(jié)點是左搖桿與長連桿的幾點處。所以，我們拿左搖桿的擺動極限位置來分析，左搖桿的擺動極限如圖所示。圖3-4電機搖臂及連接桿長度分析為保證雨刮器連動桿的整體體積方便安裝于是取電機搖臂的轉(zhuǎn)動圓心離搖臂軸的中心連線垂直距離如圖3-4所示d4=20mm，取電機搖臂的轉(zhuǎn)動圓心離左搖桿與長連桿的節(jié)點的運動極限位置的連線垂直距離d3=20mm。設電機搖臂長度為L3，連接桿長度為L4。分析得：(3-1)(3-2)DE=DF-d4(3-3)L4-L3=d1(3-4)L4+L3=d2(3-5)聯(lián)解以上方程得L3=56.56mmL4=84.84mm5.參數(shù)總結(jié)綜上所述四桿機構的具體參數(shù)為：底座長度L=400mm，長連桿長度L’=400mm，左搖桿長度L1=84.84mm，右搖桿長度L2=77.77mm，電機搖臂長度L3=56.56mm，連接桿長度L4=84.84mm。以上長度均為節(jié)點間的距離。3.1.2結(jié)構設計詳細的結(jié)構設計如圖3-5所示，為了保證強度連桿寬度取為14mm，兩端倒半圓，左右搖桿連接搖臂軸的一端開鍵槽缺口，連桿之間用6mm沉頭鉚釘連接鉚釘連接，在連桿與連桿之間和連桿與鉚釘之間用墊片隔開減小摩擦。同時在將連桿中部壓凹加強強度，節(jié)點處表面淬火，增加耐磨性能。在長連桿處，將節(jié)點處向下降低11mm，連接桿處將節(jié)點處降低20mm防止變形是發(fā)生的額機械撞擊。但是需要考慮在降低后的力學性能，必須進行力學分析。圖3-5連動桿總成3.2電機總成設計電機總成在雨刮器中顯得十分重要，電機總成控制著雨刮器的刮刷頻率和雨刮器關機時的自動回位。在使用者使用雨刮器的時候，主要也是通過控制電機總成，繼而控制雨刮器的工作狀態(tài)。3.2.1參數(shù)設計1.電機總成的基本結(jié)構圖3-6電機總成組成結(jié)構電機總成的組成結(jié)構如圖3-6所示，主要由電機、電機套、蝸輪箱、蝸輪箱蓋、蝸輪蝸桿機構、電機軸組成。這里的電機軸并不是指電機的轉(zhuǎn)軸，而是電機總成與連動桿總成之間的傳動軸。電機軸可將經(jīng)過減速增矩后的轉(zhuǎn)矩傳遞給電機搖臂。直流電機與蝸輪蝸桿機構分別放置于電機套與蝸輪箱里面。，蝸輪箱中蝸輪蝸桿機構需要潤滑，這里為了降低技術難度和保護蝸輪箱的強度，選擇不用開油槽的脂潤滑。蝸輪箱蓋在電機總成中主要起到密封蝸輪箱的作用，放置蝸輪中的潤滑脂泄露。2：電機總成總體參數(shù)根據(jù)雨刮器的各項技術要求確定雨刮器的刮刷頻率，雨刮器的刮刷頻率為低速檔30次每分鐘，高速檔45每分鐘。雨刮器的使用時通過控制電機供電達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的，因此高速檔對應著電機的較高的轉(zhuǎn)速即額定轉(zhuǎn)速。電機額定轉(zhuǎn)速與蝸輪傳動的商即為刮器的刮刷頻率。因此在刮刷頻率確定的時候電機的額定轉(zhuǎn)速與蝸輪的傳動比需要綜合考慮，讓電機額定轉(zhuǎn)速與傳動比相對刮刷頻率符合上述關系。3.電機及蝸輪蝸桿的選擇①：在電機的選擇上面，因為雨刮器對汽車的重要性，因此我們選用轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定的直流無刷電機，在直流電機十分強大的啟動性能，在啟動后極短的時間里就能達到我們所需要的轉(zhuǎn)速，同時良好的調(diào)速性能也剛剛好適合雨刮器所需要的兩檔轉(zhuǎn)速，使調(diào)速更加方便。由直流電機的轉(zhuǎn)速公式：(3-6)Ia:電樞電流Ra：電樞電阻本次設計的雨刮器為雙搖臂雨刮器，所以電機的額定轉(zhuǎn)矩為：T=2×k×μ×l×f(3-7)K：傳動桿傳動系數(shù)=電機軸的轉(zhuǎn)矩/搖臂軸上轉(zhuǎn)矩l：雨刮器刮片的長度f：刮片上在垂直于玻璃平面方向上面的壓力通過參閱資料和結(jié)合自身的具體數(shù)據(jù)，得知設計對象的最大的摩擦系為的擋風玻璃表面濕潤時的摩擦系數(shù)此時：μ=0.4~0.6（μ取值0.5）；k=1；l=80cm；f=4.3n；蝸輪蝸桿傳動效率=0.99，四桿機構傳動效率=0.98經(jīng)過計算得，電機的轉(zhuǎn)矩為T=0.5×1×0.6×4.3×2=2.58n·m故電機的額定功率為p=T×2×n×3.14/（60**）(3-8)T：電機輸出轉(zhuǎn)矩N：電機轉(zhuǎn)速通過查閱直流電機數(shù)據(jù)得出在輸出轉(zhuǎn)矩為2.58n·m時，轉(zhuǎn)速n=59故電機額功率為p=15.93w根據(jù)上面的結(jié)果和成本和體積綜合考慮后，選用通寶zd1335雨刮專用電機，泵本電機體積較小，便于安裝和其他部分的設計。運行可靠，故障率低。zd1335電機的主要參數(shù)如表3-1所示：表3-1zd1335電機主要參數(shù)額定電壓（v）額定功率（w）額定轉(zhuǎn)速（r/m）123045—65②：蝸輪蝸桿減速機減速后的轉(zhuǎn)速數(shù)值上面和雨刮器的額刮刷頻率相等因此在，電機選擇后蝸輪蝸桿減速機的傳動比成為定值，經(jīng)過計算后得出電機轉(zhuǎn)速符合要求。蝸輪蝸桿機構減速機相對其他的減速機有很多優(yōu)點，相對其他減速機更大的傳動比、傳動平穩(wěn)、噪聲污染小、有自鎖特性等等。用到雨刮器中的時候，自鎖特性剛剛好適合雨刮器的回位開關，讓搖臂停在風窗玻璃的底部更加方便；同時也用到了蝸輪蝸桿機構的大傳動比的特點，在電機直接帶動蝸桿的時候，較大的傳動比是我們剛好所需要的。通過查閱蝸輪蝸桿的嚙合條件和蝸輪蝸桿的傳動特點：蝸桿轉(zhuǎn)動一圈，蝸輪轉(zhuǎn)動一齒。模數(shù)和壓力角的選擇：在正確嚙合的條件中蝸桿蝸輪的模數(shù)額壓力角必須分別相等。壓力標準值為20°。蝸輪齒數(shù)與蝸桿頭數(shù)的推薦值如表3-2，故結(jié)合本次的設計數(shù)值?。簔1=2，z2=30表3-1蝸桿頭數(shù)及蝸輪齒數(shù)推薦值傳動比7~1314~2728~40>40z1422、11z228~5228~5428~80>403.3搖臂總成設計搖臂總成是雨刮器中連接連動桿總成與雨刮刮條的機構，搖臂總成能夠控制刮條的壓力，也就能夠影響刮條的摩擦力，便能夠控制電機的負載，對電機的選擇也有一定的影響。3.3.1參數(shù)設計1.搖臂總成的基本結(jié)構雨刮器的搖臂總成組成結(jié)構如圖3-7所示，搖臂總成主要是由短搖臂和搖臂組成，短搖臂與搖臂之間由鉚釘連接，因為短搖臂與搖臂并沒有太大的運動關系，因此并不需要考慮減小摩擦，也就并沒有用墊圈隔開，這樣也可以降低成本。短搖臂與搖臂連接的節(jié)點略微高于短搖臂的上平面。短搖臂也搖臂之間有彈簧連接，可以為搖臂提供壓力，以便雨刮器刮條能夠緊密的與風窗玻璃貼合，讓雨刮器刮刷更加干凈。短搖臂與連動桿總成相配合，短搖臂的下端有鍵槽使連動桿的搖臂軸能夠順利的將轉(zhuǎn)動傳遞給短搖臂，進而帶動搖臂左右擺動。搖臂上端向右偏移一段距離，以便在雨刮器的左極限位置的時候雨刮器的刮條不會超出風窗玻璃的下部。圖3-7搖臂總成組成結(jié)構2搖臂總成的總體參數(shù)通過考察市場上面的雨刮器的搖臂總成并結(jié)合設計對象的具體參數(shù)得出本次設計的搖臂總成所需的實際長度。搖臂總成在短搖臂方向的總長為551mm，為了保證刮刷的干凈程度，在短搖臂上面添加彈簧掛鉤，因此取得實際的短搖臂長度為120mm，所以在短搖臂方向上面的長搖臂長度為331mm。3.3.2參數(shù)設計為了保證結(jié)構強度短搖臂的截面選擇為24mm*8mm，下端與搖臂軸配合的地方開鍵槽鍵槽尺寸2mm*2mm*6mm。通過螺母與搖臂軸上的螺紋相配合，緊固短搖臂防止短搖臂脫落。在搖臂的上部分，將搖臂彎折成標準的u型接口，以便和適用于設計對象的無骨雨刷器配合。在搖臂頂端向右偏移50mm的接頭處為了改善受力情況，倒5mm圓角。3.4電路連接整個雨刮器的電路連接相對簡單如圖3-8，在直流電機上面有兩個供電接頭一個，分別對應電機的高速檔和低速檔；還有一個接頭盒電源的負極連接。在蝸輪機構中有電刷式回位開設置，在雨刮器搖臂沒有回到風窗的底部的時候，回位開關將電源開關短路。這時候即使斷開電源開關，電機仍然會繼續(xù)供電，直到搖臂回到風窗底部，回位開關斷開，電機停止運轉(zhuǎn)。由于蝸輪蝸桿機構的自鎖特性，搖臂將停在風窗底部。圖3-8雨刮器電路原理圖第4章優(yōu)化設計機械設計是在熟練掌握機械設計相關學科并且對設計對象有充分了解情況下進行的有目的的創(chuàng)造機械產(chǎn)品的一項有較高要求的技術，整個設計的過程必須進行有目的的進行，一切行為以目的和結(jié)果為導向，整個過程包括對對象的分析、基礎的設計構思、具體行為安排、相關的計算、試驗、繪圖。也可以說機械設計是將一套設備或者生產(chǎn)系統(tǒng)參考實際的生產(chǎn)技術和科學進行制定的過程。設計過程具有多解性，設計者需要通過仔細的分析和有依據(jù)的選擇得出最優(yōu)解，而這個得出最優(yōu)解的過程統(tǒng)稱為優(yōu)化設計。在工程實踐中，追求結(jié)果的最優(yōu)化一直是設計者和工程師們的目標，在此次的優(yōu)化設計中主要參考了應力分析的結(jié)果對已經(jīng)設計好的零件進行優(yōu)化和改進。4.1連接桿的應力分析和優(yōu)化設計連接桿屬于雨刮器的連動桿總成，也是連動桿總成中的重要部件，連接桿兩端連接著長連桿節(jié)點和電機搖臂節(jié)點，屬于重要的傳動部件。連接桿的工作狀態(tài)直接影響到整個雨刮器的運行正常與否。4.1.1夾具的添加如圖所示,此次的應力分析是處于電機啟動后，電機搖臂將轉(zhuǎn)矩和力傳遞給連接桿瞬間。連接桿上面的電機搖臂節(jié)點開始受力運動而長連桿節(jié)點還是處于靜止的狀態(tài)。所以在夾具的確定中，選擇了孔定位如圖4-1。夾具的確定就是確定了靜止的部分，在分析的運動狀態(tài)時此處的夾具和運動狀態(tài)相符合，因此夾具裝入狀態(tài)無誤。圖4-1連接桿夾具設定4.1.2負載的添加在說分析的運動狀態(tài)處，電機搖臂節(jié)點處于開始運動的狀態(tài)而長連桿的節(jié)點處于靜止的狀態(tài)。此時的連接桿就是要將電機搖臂的運動傳遞給長連桿，因此受力主要來自于電機搖臂。電機搖臂與連接桿用鉚釘連接，因此受力情況主要來自于與鉚釘相配合的孔。受力情況如圖4-2所示。圖4-2連接桿負載設定4.1.3網(wǎng)格與材料材料的選擇為零件材料AISI1045鋼。軟件將會自動計算模型的信息，此時，模型的具體信息如表4-1所示，模型網(wǎng)格信息如表4-2所示，網(wǎng)格具體信息如表4-2所示。表4-1連接桿模型信息質(zhì)量體積密度重量0.0195154kg2.48604e-006m^37850kg/m^30.191251N表4-2連接桿網(wǎng)格信息網(wǎng)格類型實體網(wǎng)格所用網(wǎng)格器標準網(wǎng)格自動過渡關閉包括網(wǎng)格自動環(huán)關閉雅可比點4點單元大小1.35527mm公差0.0677633mm網(wǎng)格品質(zhì)高表4-3連接桿網(wǎng)格具體信息節(jié)點總數(shù)14234單元大小8047最大高寬比4.3401單元(%)，其高寬比列<399.8單元(%)，其高寬比列>100扭曲單元(雅可比)的%0計算機名USER-20150111CN4.1.4應力分析結(jié)果圖4-3連接桿分析結(jié)果如圖4-3所示，在此狀態(tài)下零件的主要應力分布于降低高度的連接片處，在電機搖臂節(jié)點處并沒有非常明顯的應力增加，然而在彎曲部分應力增加比較明顯隨著彎曲的延長應力越大，并且在最遠端即是在長連桿節(jié)點靠近彎曲部分的一側(cè)達到最大。整體的來說，應力的分布比較均勻，但是在長連桿節(jié)點處增加較快需要改進零件的整體造型讓零件在長連桿節(jié)點處的應力分布更加的均勻。降低零件的應力集中程度，增加零件的使用壽命。4.1.5優(yōu)化設計針對應力集中的情況，和電機搖臂的改進方法采用將連接桿長連桿節(jié)點處倒斜角的辦法，倒斜角后應力的分布面積增加了，能夠減小應力的集中程度，使連接桿不會失效過快，或者變形太快。使其與雨刮器的整體受用壽命符合。4.2電機搖臂的應力分析和優(yōu)化設計電機搖臂是連動桿總成中的一個重要零件，連接著連動桿總成與電機總成，也是兩部分重要的傳動部件，因此電機搖臂的受力情況是我們必須深入了解和仔細分析的，在雨刮器的整體結(jié)構設計上面，電機搖臂優(yōu)化設計也是整個設計過程所必不能少的。4.2.1夾具的添加如圖4-4所示，應力分析為電機啟動瞬間，在電機軸剛好將轉(zhuǎn)矩傳遞給電機搖臂，而連動桿還是處于靜止狀態(tài)。因此，夾具選擇為電機軸與連接桿連接的節(jié)點。在電機剛剛啟動的時候，此節(jié)點也是靜止的，夾具的選擇（如圖所示）與狀態(tài)相符合。圖4-4電機搖臂夾具設定4.2.2負載的添加在電機剛剛啟動的瞬間，電機軸將轉(zhuǎn)矩傳遞給電機搖臂。但是電機搖臂與連接桿連接的節(jié)點處于靜止狀態(tài)，故在節(jié)點靜止的時候電機搖臂的受力主要是來自于電機軸。電機軸與電機搖臂由平行鍵和緊定螺栓連接，因此此時電機搖臂的受力有鍵槽處受力和來自于鍵條的力如圖4-5所示圖4-5電機搖臂負載設定4.2.3網(wǎng)格與材料材料的選擇為零件材料AISI1045鋼，這時候的模型信息為如表4-4所示，模型網(wǎng)格信息如表4-5所示，模型網(wǎng)格具體信息如表4-6所示。表4-4電機搖臂模型信息質(zhì)量體積密度重量0.0162397kg2.06876e-006m^37850kg/m^30.159149N表4-5電機搖臂網(wǎng)格信息網(wǎng)格類型實體網(wǎng)格所用網(wǎng)格器標準網(wǎng)格自動過渡關閉包括網(wǎng)格自動環(huán)關閉雅可比點4點單元大小1.27475mm公差0.0637376mm網(wǎng)格品質(zhì)高表4-6電機搖臂網(wǎng)格具體信息節(jié)點總數(shù)13940單元總數(shù)7906最大高寬比11.087單元(%)，其高寬比<399.6單元(%)，其高寬比例>100.0126扭曲單元(雅可比)的%0計算機名:USER-20150111CN4.2.4模擬的結(jié)果圖4-6電機搖臂分析結(jié)果如圖4-6所示，在這個狀態(tài)下零件的主要應力分布在電機搖臂的右端，搖臂上面的應力的在電機軸處并沒有多少變化，但是隨著網(wǎng)格位置向連接桿節(jié)點移動的過程中應力越來越集中，開始迅速的增加。并在到達最大值后開始迅速減小。所以在節(jié)點處的應力并不是整個零件最大的應力，最大應力的點在節(jié)點8950處，也就是在節(jié)點之前4mm左右的網(wǎng)格處。4.2.5優(yōu)化設計針對應力集中的問題可以選擇倒角或者加強筋的辦法解決，在雨刮器中零件所受的載荷并不是很大，考慮到降低成本和加工方便的問題我們選擇倒角的解決辦法，在搖臂軸的連桿部分將邊線倒角1mm，達到不影響零件強度的條件下使應力的分布更加的均勻。優(yōu)化后的零件如圖4-7所示，應力的分布范圍更廣了最大的應力網(wǎng)格處于連接節(jié)點旁。圖4-7電機搖臂優(yōu)化結(jié)果第5章運動學分析5.1運動學分析的重要性在雨刮器的使用過程中我們可以輕易的發(fā)現(xiàn)，在雨刮刮刷玻璃的過程中刮條并不是勻速運動。為了較少刮條對駕駛員視野的影響刮條在運動的過程中會有高速的部分和低速部分，而駕駛員正是處于刮條高速區(qū)域如圖5-1所示，圖5-2刮條速度分布雨刮器的整體結(jié)構已經(jīng)設計完成，為了準確的了解本次設計的結(jié)果是否符合要求我們必須要完全的了解雨刮器的重要的運動部件真實的運動狀態(tài)。只有了解到真實的運動情況，才能夠判斷設計結(jié)果是否符合設計和使用要求。因此，對結(jié)構進行運動學分析是十分必要的。5.2分析過程5.2.1分析工具這次運動學分析主要是使用adams這款分析軟件，adams是一款強大的虛擬樣機分析軟件，完全能夠完成這次的運動分析。5.2.2分析過程雨刮器的運動部件中，連動桿總成的運動情況最為重要。連動桿總成中主要是由四桿機構組成，四桿機構在速度和角速度以及其他的運動狀態(tài)上面相對其他的機構更加的復雜和無規(guī)律，因此在運動學分析的時候主要對四桿機構進行了分析。尤其是對四桿機構中的左搖桿和右搖桿的運動學分析。在四桿機構的分析過程中首先在adams軟件中添加了需要分析的運動部件，這里我們添加了底座、左搖桿、右搖桿、長連桿、連接桿和電機搖臂這六個桿件。然后針對部件與部件的關系，仔細分析了各個部件之間所需要的運動副。這里的四桿機構中主要是轉(zhuǎn)動副因此我們添加了JOINT_1、JOINT_2、JOINT_3、JOINT_4、JOINT_5、JOINT_7、JOINT_8這七個運動副，最后添加了驅(qū)動并輸入正確的驅(qū)動函數(shù)，其中運動副和驅(qū)動與部件的關系如圖5-2所示圖5-2部件和約束5.3運動分析結(jié)果輸入正確的驅(qū)動函數(shù)后，即可進行運動仿真。在運動仿真完成后，可以得到四桿機構的連接節(jié)點和各個部件的運動狀態(tài)曲線。本次的仿真添加的驅(qū)動是添加在電機搖臂上面的，因此我們可以得到電機搖臂的運動角度曲線如圖5-3。圖5-3電機搖臂角度曲線我們可以看出電機搖臂的運動角度與時間成正比例函數(shù)，反映出電機搖臂在運動過程是一個勻速圓周運動，周期為2s。也就是說上圖反映出電機搖臂在四桿機構中是做的一個周期為2s的勻速圓周運動。5.3.1連接桿的運動狀態(tài)電機搖臂的驅(qū)動函數(shù)是一個勻速圓周運動，所以電機搖臂是做勻速圓周運動。而與電機搖臂連接的其他部分的運動狀態(tài)就不會顯得很有規(guī)律。連接桿的角速度與時間曲線如圖5-4所示，連接桿角度與時間曲線如圖5-5所示；連接桿x方向上速度與時間曲線如圖5-6所示，y方向與時間曲線如圖5-7所示。圖5-4連接桿角速度曲線圖5-5連接桿角度曲線圖5-6連接桿x方向速度曲線圖5-7連接桿y方向速度曲線我們可以發(fā)現(xiàn)連接桿的運動狀態(tài)只是一個周期為2s的周期運動但是運動過程并沒有什么規(guī)律可言。5.3.2左搖桿的運動分析左搖桿連接著長連桿和左搖臂在四桿機構中起著重要的作用，因此左搖桿的運動狀態(tài)十分重要，根據(jù)adams的分析，可以確定左搖桿的運動狀態(tài)，左搖桿x方向位移曲線如圖5-8所示，左搖桿y方向上的位移曲線如圖5-9所示，左搖桿y方向上的速度曲線如圖5-10所示，左搖桿x方向上速度曲線如圖5-11所示。圖5-8左搖桿x方向位移曲線圖5-9左搖桿y方向位移曲線圖5-10左搖桿y方向速度曲線圖5-11左搖桿x方向速度曲線從以上的曲線可以看出左搖桿的運動狀態(tài)：最大的位移出現(xiàn)在1s左右，最大的速度也是出現(xiàn)在1s左右。最小的位移是出現(xiàn)在1.25s左右，此時的位移在y方向上位移為0，而在x方