汽車一體式刮臂的設計與改進

□ 龍 泉

博世汽車部件(長沙)有限公司 長沙 410110

1 設計背景

汽車雨刮器是清掃汽車擋風玻璃上雨雪和灰塵的裝置,屬于維持駕駛員視野的功能性系統,關系到駕駛員在雨天的行車安全性[1]。前雨刮器主要由驅動電機、四連桿機構、刮臂和刮片組成[2],有相應的性能驗證試驗,如高速試驗、鹽霧試驗、堵轉試驗、振動試驗等[3]。隨著高等級公路的建造和高速汽車技術的發展,終端用戶對汽車高速行駛性能有了越來越高的要求。 由于現實試驗條件的限制,以及出于高速試驗時駕駛員安全性的考慮,現在的汽車高速試驗常采用風洞試驗等效代替[4]。汽車風洞試驗可以模擬各種復雜行車環境,能夠準確反映汽車行駛狀態下的氣動特性數據,是研究空氣動力學,開發高性能汽車的必要手段[5-7],但投入費用較昂貴。 汽車一體式刮臂修模周期長,在試驗前進行仿真分析和設計優化對一次通過風洞試驗而言具有重要意義。

筆者基于某車型的開發要求,在160 km/h高速下對一體式刮臂進行設計,對刮臂上抬力進行計算流體動力學軟件仿真分析。在第一次風洞試驗中,主刮內端出現漏刮。分析風動試驗失效原因,提出改善方案,最終通過風洞試驗。同時對設計要點進行總結,為今后的一體式刮臂設計提供參考和指導。

2 刮臂簡介

刮臂主要有兩種:標準刮臂和一體式刮臂。標準刮臂主要由刮片連接器、細連桿、保持架、刮桿頭、銷軸、彈簧組成,細連桿面積小,高速行駛時產生的上抬力也較小。一體式刮臂由刮臂、刮片連接器、刮片防浮翼等部件組成,如圖1所示。一體式刮臂的截面類似于槽鋼,因此在高速行駛時,風容易吹入截面內將刮臂吹起。

▲圖1 一體式刮臂

3 刮臂下壓力計算

雨刮器運行時,刮臂的下壓力由彈簧力提供,用于保證刮片在刮刷過程中緊壓玻璃。即使汽車在高速行駛時,刮片也不能飄起,否則會引起漏刮,影響駕駛員視野[8-9]。

帶自重時主刮刮臂下壓力F為:

F=F′+Fblade

(1)

式中:F′為不帶自重時下壓力總合;Fblade為刮片自重產生的下壓力,Fblade=1.8 N。

F′=FWSH-(Farm+Fblade)cosα

(2)

式中:FWSH為刮臂刮片總成的總壓力;Farm為刮臂自重產生的下壓力,Farm=1.5 N;α為玻璃傾角,α=30°。

FWSH=FtotalLblade

(3)

式中:Ftotal為刮臂刮片總成的線壓力;Lblade為主刮刮片的長度,Lblade=0.68 m。

Ftotal=F1+Gblade/Lblade

(4)

式中:F1為刮片線壓力,F1=17 N/m;Gblade為刮片自重,Gblade=1.568 N。

將各值代入式(1),求得F為12 N。

用同樣計算方法,得到副刮刮臂下壓力為10.8 N。根據多次試驗及經驗,取30%主刮刮桿壓力為判斷標準,即高速計算流體動力學仿真中,刮臂刮片綜合上抬力大于30%主刮刮臂壓力,可判定為失效。

4 仿真分析

針對客戶提出汽車在160 km/h高速下刮片不允許有漏刮的要求,采用計算流體動力學的研究方法,在ANSYS Fluent軟件中對刮臂的上抬力進行計算。根據經驗,刮桿在高速試驗中,受上抬力最大的部位是刮臂處和刮臂與刮片的連接器處。尤其是對于一體式刮臂而言,整個刮臂類似于槽鋼,在高速試驗中,風會運動到槽鋼內側將整個刮臂向上抬起,因此在仿真中主要計算連接器及整個刮臂受到的上抬力[10]。

無論是標準刮臂還是一體式刮臂,都存在若干個變截面零件,計算上抬力時需要對截面分段計算。另一方面,刮臂在擋風玻璃上運行到不同位置時,刮臂離擋風玻璃面的角度和高度也在變化,很難采用純理論方法計算變截面零件在每一個刮刷位置的實際上抬力。因此,筆者采用ANSYS Fluent軟件進行上抬力仿真分析。

模擬車速為160 km/h,等于44 m/s,遠低于100 m/s,馬赫數遠小于1,此時空氣處于不可壓縮范圍,不考慮空氣物理參數數值的變化。

在ANSYS Fluent軟件中采用三維求解器,風洞入口為速度入口,車速為160 km/h,方向為垂直入口面。設置壓力出口邊界條件,氣壓為標準大氣壓。壁面為無流邊界,采用無滑移邊界條件,速度為零。入口處的湍動能k、湍流耗散率ε一般由試驗確定,此次仿真采用標準k-ε模型作為計算的湍流模型[11-12]。

刮臂為連續不斷運動,如果根據實際情況,在擋風玻璃上每刮過1°就計算一個工況,那么工作量過大,效率低下。對此,將主刮刮臂運動范圍從停靠位置到上翻轉位置劃分為六等分,取六個位置的上抬力數值進行分析,副刮位置隨主刮位置取值。另一方面,由于刮臂向上刮和向下刮所受的上抬力不一樣,因此需要分別計算上刮和下刮工況。上抬力計算工況見表1。

表1 上抬力計算工況 (°)

刮片連接器處上抬力曲線中的數值是綜合考慮刮桿和刮片的整體上抬力,刮臂提供的下壓力通過連接器傳遞至刮片,因此連接器處綜合上抬力值是衡量刮臂能否通過風洞試驗的重要指標之一。

主刮連接器處上抬力曲線如圖2所示,副刮連接器處上抬力曲線如圖3所示。由圖2及圖3可以看出,連接器處上抬力在上刮和下刮時五個位置的受力均在安全區域,未超過設置的標準值,但是在40°～60°之間,主刮上抬力3.8 N已經非常接近標準值,有一定的失效風險。上刮時的上抬力小于下刮時的抬起力,這是因為刮臂運動時,受風速的影響,下刮相對于上刮上抬力增大。主刮在35°位置附近的上抬力突然減小,后又增大,這是因為副刮刮片正好擋住了主刮刮片連接器,降低了風對主刮刮臂的影響,使上抬力突然減小。

從仿真結果看,此次設計的刮臂是合格的,能夠通過160 km/h高速試驗。

▲圖2 主刮連接器處上抬力曲線▲圖3 副刮連接器處上抬力曲線

5 試驗驗證

風洞試驗時,室溫為23.1 ℃,在最低刮桿壓力下,當風速達到144 km/h和160 km/h時,主刮從上翻轉位置向下刮,運行到50°左右時,距離主刮內端蓋約170 mm區域附近開始出現漏刮,而副刮未出現漏刮情況。風洞試驗現場如圖4所示。后又嘗試使用名義刮桿壓力和最大刮桿壓力進行試驗,主刮刮片內端依然出現相同失效,因此可認定設計無法滿足客戶要求。

▲圖4 風洞試驗現場

6 失效原因分析

因為一體式刮臂類似于槽鋼,具有倒扣U形截面,風容易從刮臂下方進入倒扣U形截面中,將刮臂吹起,所以在初始設計時認為刮臂應該越低越好,即離擋風玻璃面越近越好,這樣只會有少量風從刮臂和擋風玻璃的間隙中吹入刮臂截面內。

截面速度矢量圖如圖5所示。由圖5可以看出,當有刮臂時,刮臂上方空氣流速明顯高于刮臂下方空氣流速,由伯努利方程可知,刮臂上方壓強小,刮臂下方壓強大,從而產生較大的上抬力。由于刮臂的存在改變了風速,使通過刮片防浮翼上的風速加快,壓強減小,刮片上抬力增大。當沒有刮臂或者刮臂縱向遠離刮片時,刮片上風速流場受到的影響減小。可見,刮臂設計過低,且與刮片防浮翼距離過近,最終導致在風洞試驗中主刮刮片內端飄起漏刮。

7 設計改進

客戶有刮臂造型要求,不允許將原設計的直刮臂改為彎曲造型。加之車身數據的限制,無法增大刮臂與刮片的距離。同時,一體式刮臂硬模已經制作完畢,需要在現有模具上修改。

將刮臂頭部和尾部向上抬起,中間拱起,增大刮臂與刮片防浮翼間的距離。

減小一體式刮臂折邊高度,尤其要盡量減小刮臂背面的折邊高度,起到減小風阻的作用。考慮到模具沖壓成型的工藝要求,將折邊減小到4 mm的最小值,最終將刮臂整體抬高約6 mm。設計改進前后刮臂折邊正面距擋風玻璃高度對比如圖6所示。

因為刮臂在上刮時上抬力較小,不易出現漏刮失效,因此僅對設計改進后的刮臂在下刮工況時連接器處綜合上抬力進行計算,并與設計改進前的綜合上抬

▲圖5 截面速度矢量圖▲圖6 刮臂折邊正面距擋風玻璃高度

力進行對比。設計改進前后主刮連接器處下刮時上抬力對比如圖7所示。由圖7可以看出,設計改進后的刮臂連接器處,在下刮時最大上抬力在17.4°及52.2°處明顯減小,其余位置的上抬力也有輕微減小。同時,由于風洞試驗中主刮刮片內端出現漏刮,因此還需要對刮片的上抬力進行計算和對比。設計改進前后主刮刮片上抬線壓力分別如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可以看出,主刮刮片出現漏刮區域的上抬線壓力明顯減小,從15 N/m減小為11 N/m左右,減小約26%。根據對刮片多次試驗和檢測,建議主刮刮片危險區域的上抬線壓力不大于12 N/m,避免出現漏刮。

設計改進后,刮臂進行風洞試驗,在160 km/h時未出現漏刮失效,證明設計改進有效,滿足客戶的技術要求。

▲圖7 主刮連接器處下刮時上抬力對比▲圖8 設計改進前主刮刮片上抬線壓力▲圖9 設計改進后主刮刮片上抬線壓力

8 結束語

通過計算流體動力學分析及風洞試驗,設計并改進了汽車一體式刮臂,同時研究了刮臂在風洞試驗中的影響因素。

除刮臂自身和刮臂刮片綜合上抬力外,單獨分析刮片上抬力也至關重要。分析了刮臂結構對刮臂自身及刮片上抬力的影響,設計改進后的一體式刮臂最終通過風洞試驗。

對一體式刮臂的設計經驗進行總結,刮臂上刮時所受上抬力較小,下刮時所受上抬力較大,一般漏刮現象均出現在下刮時。刮臂結構不僅影響整個刮臂刮片的綜合上抬力,而且會對刮片下壓力產生影響。當刮臂與刮片距離較近時,若刮臂貼近擋風玻璃,則雖然刮臂綜合上抬力不大,但是由于擋住刮片防浮翼,使刮片下壓力大幅度減小,導致高速行駛時漏刮。當刮臂高度增大或距離刮片較遠時,有利于增大刮片下壓力,避免漏刮。