汽車霧刮器振動穩定性分析

佘翔　孔祥蒙　劉美靈

摘 要：構建雨刮器摩擦振動動力學模型，再利用Matlab/Simulink對其運動過程進行仿真分析，可得到霧刮器的振動特性結果，分析了霧刮片材料和霧刮器速度對摩擦振動結果的影響。

關鍵詞：霧刮器；摩擦振動；霧刮片

在冬天，車內乘員呼出的水蒸氣遇到前擋風玻璃就會形成濃厚的霧氣，嚴重影響駕駛員視線，存在一定的安全隱患。目前市場上沒有專門解決該問題的設備和方法。作者設計制作了一款車內霧刮器，可直接加裝在汽車前擋風玻璃內側，利用磁鐵的作用實現與汽車雨刮器的同步運動，起到清潔和擦拭玻璃內表面水霧的作用。為加強霧刮器在運動過程中的穩定性和持久性，需要對其振動穩定性展開分析研究。

1 霧刮器振動仿真系統的建立

本課題中的霧刮器運動形式與汽車駕駛員側雨刮器類似，因此可借鑒同濟大學汽車學院建立的雨刮器摩擦振動動力學模型，對其中的結構參數作適當的調整，再利用Matlab /Simulink對其運動過程進行仿真分析，可得到霧刮器的振動特性結果。

2 霧刮器振動仿真結果及相關分析

2.1 摩擦特性仿真分析

為了了解霧刮片在運動中的振動摩擦情況，將仿真環境設定為每分鐘刮刷60次，得到干燥環境下摩擦力與運動行程的關系如圖1所示。

可見，在霧刮器運動過程中，摩擦力有明顯波動，這是由霧刮片與擋風玻璃發生相對運動過程中的材料形變導致的。初始狀態時，二者之間為粘彈性接觸，摩擦力為零；當霧刮器受力開始運動后，霧刮片發生形變，與擋風玻璃的接觸面積逐漸增大，直至達到最大靜摩擦力；此后，霧刮片與玻璃之間的黏著變形達到極限，進而發生相對運動，摩擦力下降；隨后，霧刮片同擋風玻璃間又會出現黏著。因此，在霧刮器的整個運動過程中，霧刮片與玻璃之間為粘-滑摩擦振動關系，其振動頻率也就是圖1中的波動頻率。

在霧刮器的運動過程中，這種粘-滑摩擦振動現象對除霧效果是非常不利的，由粘-滑摩擦振動相關理論可知，可通過兩種方式降低這種不利現象。一是盡量選取動摩擦因數和靜摩擦因數差別較小的材料作為霧刮片材料；二是在一定范圍內提高霧刮器的運行速度。

2.2 霧刮片材料對摩擦振動結果的影響

為了更加深入分析霧刮片材料對摩擦振動結果的影響，本課題分別選取市場上某天然橡膠、合成橡膠和高吸水性樹脂作為霧刮片材料，通過仿真實驗后得到摩擦力與運動行程之間的關系如圖2所示。

可見，不同材料對摩擦振動結果有明顯的影響：選取天然橡膠和合成橡膠的霧刮片平均摩擦力分別為3.82N和2.23N，同時粘-滑摩擦振動幅度較大；而選取樹脂材料的霧刮片平均摩擦力僅為1.12N，且粘-滑摩擦振動幅度明顯較小，有利于霧刮器的正常使用。此外，由于車內霧刮片的作用不是刮水，而是吸水，因此選擇高吸水性樹脂是非常合適的。

2.3 霧刮器速度對摩擦振動結果的影響

本課題中霧刮器的運動速度是由雨刮器的運動速度決定的，在仿真試驗中，將霧刮器的速度分別設定為每分鐘60次和80次，得到結果如圖3所示。

可見，在不同的運行速度下，其平均摩擦力有明顯差別，速度越高，平均摩擦力越大；波動頻率方面，速度越高，頻率越低；而波動幅度方面，速度越高，幅度越小。可見，適當的增大運行速度有利于霧刮器的正常使用，而這也與上文中提到的結論相吻合。

3 結束語

在霧刮器的運動過程中，霧刮片與玻璃之間為粘-滑摩擦振動關系，而這種現象對除霧工作是非常不利的。不同材料對摩擦振動結果有明顯的影響，選擇高吸水性樹脂作為霧刮片材料相對天然橡膠和合成橡膠的霧刮片而言摩擦振動幅度明顯較小，且其強吸水性能也更符合霧刮器的工作要求。適當的增大運行速度有利于降低雨刮器的摩擦振動幅度，提高霧刮器的使用效果。

參考文獻

[1]張立軍，王小博.汽車刮水器摩擦特性試驗研究[C].2009年美國汽車工程師學會年會，2010-01-0749.

[2]柴蒼修，吳金洲，田杰.擋風玻璃刮水器的摩擦特性[J].汽車工藝與材料，1997（1）：7-9.

[3]吳金洲，柴蒼修.用固體潤滑劑改善汽車刮水膠條使用性能的研究[J].摩擦學學報，1992（4）：376.

[4]方海容，丁旺才，孫啟國.伴隨變阻尼作用的干摩擦下的車輛系統非線性動力學分析[J].2004，24（6）：545-549.

作者簡介：佘翔（1989-），男，漢族，安徽宣城，浙江經濟職業技術學院，助教，碩士研究生，汽車運用工程。

孔祥蒙，男，漢族，浙江經濟職業技術學院。

劉美靈（1972-），女，漢族，江西永新，浙江交通職業技術學院，副教授，碩士研究生，汽車電子控制技術。