雨刮傳動機構尺寸設計及優化

杜樹浩 李曉波 李勇 李強華 呂永英

1.成都華川電裝有限責任公司 四川省成都市 610106 2. 中國電子工程設計院有限公司四川分公司 四川省成都市 610106

1 引言

雨刮系統的功能是刮掃擋風玻璃表面的雨、雪、灰塵等雜物，以便給駕乘人員提供清晰的視野。雨刮系統傳動機構的運動特性影響整個雨刮系統運行的壽命和舒適性，如果傳動機構尺寸設計不合理，刮臂刮刷往復擺動產生的沖擊力，會造成傳動機構和電機運動機構的過度磨損，輕者產生沖擊噪聲降低舒適性，嚴重情況下刮刷過刮與A柱或進氣格柵干涉，甚至出現斷裂，造成雨刮系統不能正常工作，影響行車安全。

2 幾何法計算空間四連桿機構尺寸

2.1 平面四連桿機構尺寸的幾何法計算

首先研究平面四連桿機構的尺寸計算，圖1為平面四連桿機構模型，曲柄AB繞點A做360度轉動，搖臂DC繞點D做往復擺動，AD為機架，BC為搖桿。在雨刮的實際設計中，曲柄AB長度一般為AB=45mm，機架AD受空間限制為固定值，AD=221.194mm，搖臂DC的擺動角度α為設計要求值，α=80°，需計算搖臂DC和搖桿BC的長度，理論上DC和BC的尺寸有無數種組合。

圖1 平面四連桿機構模型

圖1中給出了該機構運行的兩個極限位 置ABCD和ABCD， 此 時，AB、BC、AB、BC共線，傳動角γ=γ。由 于BC=BC

因此，CC=BB=2×AB=90mm

DE為等腰三角形DCC的高和角平分線，因此，

經過以上過程，計算出搖臂DC和搖桿BC的長度尺寸，然后做出兩個極限位置ABCD和ABCD。計算求出DE的長度和∠ADE，則可畫出DE的位置，再連接AE，過E點沿直線AE做出EC和EC，確定C點和C點，直線AE和圓交點為B和B。至此，求解出了兩個極限位置ABC1D和ABCD。

2.2 空間四連桿機構尺寸的幾何法計算

雨刮系統是空間四連桿結構，搖臂和曲柄的旋轉平面不共面且呈一定角度，如圖2所示3D模型中，將平面四連桿結構的搖臂和搖桿投影到空間四連桿機構的搖臂旋轉平面上，DC和DC的投影DC'和DC'長度不相 等，BC和BC的 投 影BC'和BC'長度也不相等。以DC'和DC'的平均值為新的搖臂長度，BC'和BC'的平均值為新的搖桿長度，然后計算得出擺角值。本示例中擺角初次計算值為80.013°。

圖2 空間四連桿機構模型

搖臂尺寸與擺角值成反比，根據擺角初次計算值與設計要求值的差值，對搖臂尺寸按反比例求值，然后求出擺角二次計算值，……，經過多次迭代計算，逐漸逼近設計要求值。表1為迭代計算數據和結果，經過N次迭代后（一般N≤3），擺角值為80.005°，精度已經很高。

表1 迭代計算數據和結果

實際工程應用，搖臂尺寸制造公差為±0.1mm，搖桿尺寸制造公差為±0.5mm，因此采用round函數保留小數點后一位數。同時，以0.1mm作為搖臂尺寸修正值，0.5mm做為搖桿尺寸修正值，進行修正，修正后的擺角值為79.961°，與設計值（80°）之間誤差為0.1°以內，滿足工程需求。

3 雨刮系統沖擊力研究

如圖3所示為并聯式雨刮系統模型簡圖，由于刮臂刮刷轉動慣量產生沖擊力，在兩極限位置換向時產生沖擊噪聲和機構的磨損。

圖3 并聯式雨刮系統模型簡圖

在一般平動中的沖擊是用沖量P來描述的。

根據沖量定理：P=F·t=m·v。

沖擊力：F=mdV/dt=mα

在雨刮的運行中采用轉動慣量M代替質量m，角速度ω代替平動速度v。得到沖量P=Mω。對于單一質點m相對于某一轉動軸來說M=mR2。

因此對于轉動來說：P=M·ω=mR2ω

沖擊力：F=mR2dω/dt=mR2α

由此可知刮臂刮刷的沖擊力與刮臂刮刷的質量m、旋轉半徑R的平方、角加速度α成正比關系。

4 串聯式四連桿機構的優化

4.1 串聯式傳動機構的運動特性

如圖4所示為串聯式傳動機構模型簡圖，該傳動機構是兩組空間四連桿機構串聯組成的，曲柄驅動主駕側搖臂擺動，主駕側搖臂再驅動副駕側搖臂擺動。因此，主駕側承受沖擊力由兩部分組成，一是主刮臂刮刷運動直接產生的沖擊力，二是副駕側刮臂刮刷運動沖擊力經副搖桿傳遞給主駕側的力。而曲柄承受的沖擊力為主駕側承受沖擊力經主搖桿傳遞給曲柄的力。主駕側搖臂是三角形結構，該夾角的存在會造成二級四連桿機構角加速度的畸變，使得曲柄承受沖擊力的計算變得復雜，與角加速度和傳動角有直接關系。

圖4 串聯式傳動機構模型簡圖

4.2 串聯式傳動機構的尺寸優化

為了平衡初始和極限位置的運動沖擊磨損，應盡可能使兩位置的沖擊力比值=1，同時盡可能使兩位置的傳動角比值=1，因為傳動角過小，四連桿機構的剛性則越差，由于刮臂刮刷的慣性影響造成擺角變化范圍越大。根據筆者積累的經驗，對于串聯式傳動機構，0.8＜沖擊力初始/極限＜1.2，且各位置傳動角0.9＜γ＜1.1。

按上文介紹的幾何計算方法，結合CATIA的超級副本功能，建立了一個串聯式傳動機構尺寸計算優化模型，如圖5所示，該模型輸入曲柄長度和擺角要求值，則可計算出搖臂和搖桿尺寸，以及擺角模擬值，同時給出初始/極限位置沖擊力比值和傳動角比值（電機轉速為60轉/分鐘），參數如表2所示。

圖5 串聯式傳動機構尺寸計算優化模型

表2 串聯式傳動機構尺寸計算案列

5 并聯式傳動機構的優化

5.1 并聯式傳動機構的運動特性

如圖6所示為并聯式傳動機構模型簡圖，該傳動機構是兩組空間四連桿機構并聯組成的，兩組機構共用曲柄。主駕側承受主刮臂刮刷運動沖擊力，副駕側承受副刮臂刮刷運動沖擊力，曲柄則承受主副沖擊力的疊加力。同樣的，與角加速度和傳動角有直接關系，只是比串聯式結構的疊加關系稍簡單。

圖6 并聯式傳動機構模型簡圖

此外，由于主副刮的刮拭角度是一般是不同的，兩側的搖臂和曲柄也不是對稱關系，搖臂的尺寸有差異，因此主副兩組四連桿機構存在相位差的問題。如果相位差過大，主副刮刷在運行過程中不同步，則會出現干涉現象，因此應盡可能減小相位差。

5.2 并聯式傳動機構的尺寸優化

本文同樣建立了一個并聯式傳動機構尺寸計算優化模型，如圖7所示，該模型功能與串聯式相同，參數如表3所示。另外，該模型還可以輸出主副刮刷之間最小距離的變化曲線，以便分析是否存在干涉現象，如圖8所示。

圖7 并聯式傳動機構尺寸計算優化模型

表3 并聯式傳動機構尺寸計算案列

圖8 主副間距變化曲線

6 結語

本文建立了一種計算空間四連桿尺寸和擺角的幾何方法，并以最小沖擊力比值和最小傳動角比值為優化目標，創建了CATIA參數化計算模型，對雨刮系統常用的串聯式和并聯式兩種機構進行優化設計。應用本文研究成果，可降低雨刮系統運行時對傳動機構的沖擊力，提高了雨刮系統的運行壽命和舒適性。已成功應用于比亞迪、一汽、北汽、廣汽三菱等十多個車型，取得了很好的工程應用效果。