基于ABAQUS 的雨刮器卡扣有限元模擬研究

邊 暉*，劉淑民，佟麗麗，劉淑貞，張嘉偉，劉 暢

(1.天津市產品質量監督檢測技術研究院,天津;2.國家市場監管技術創新中心(石油石化產品質量安全),天津；3.天津工業大學,天津)

引言

近年來汽車工業的發展十分迅速，作為汽車最基本和最重要的結構之一的雨刷器也引起人們的關注。關于雨刮器裝置的仿真分析眾多，于曉麗[1]等人基于SOLIDWORKS 設計了雨刷器并對運動進行了分析，證明了設計結構的合理性；唐揚揚[2]等人對雨刮器系統的摩擦振動進行有限元分析，分析了雨刮器工作中產生振動噪聲的機理，為降低噪聲提供了依據；Yang[3]等人研究了雨刮器反裝過程中的摩擦振動，建立了摩擦振動的數值模型，為優化雨刮器提供了理論依據；同樣在其他裝置中，對卡扣的有限元分析也十分成熟，李延峰[4]等人分析了冰箱卡扣配合尺寸對扣緊力的影響；雷恒[5]等人，采用有限元方法對汽車前門內飾板出現抖動的現象進行了解釋，并提出了問題的原因。不論在雨刮器還是卡扣的研究分析中，采用有限元方法是最常見和最經濟的，不僅縮短了實驗時間而且大大提高了經濟效益[6]。

雨刮器由雨刷片、雨刮臂、雨刷驅動裝置、雨刷器連桿、雨刷器電動機組成，各個組成單元在雨刮器裝置中起著重要作用。卡扣作為雨刷片和雨刷臂鏈接固定的重要鏈接零件，在工作和使用過程中有以下問題：（1） 卡扣斷裂或破損[7]：長期使用或外力沖擊可能導致卡扣斷裂或破損，使雨刷無法正常工作或脫落。（2） 卡扣松動或變形：使用過程中，雨刷器卡扣可能由于材料的疲勞、安裝不穩固或外力影響而發生松動或變形。（3） 卡扣鎖定失效[8]：如果鎖定失效，雨刷片可能會擺動或自由移動，影響清潔效果。（4） 安裝問題：安裝不正確或不穩固可能使雨刷器卡扣無法正確固定雨刷片和雨刮臂。在以上問題中，卡扣松動和鎖定失敗將會嚴重影響雨刮器的清潔效果[9]。由于前人很少涉及到雨刮器卡扣的配合分析，并且針對卡扣工作失效的問題，有必要對雨刮器卡扣的配合過程進行有限元分析，為雨刮器的清潔力提供理論依據。

1 卡扣有限元模型

1.1 幾何模型

通過SOLIDWORKS 三維建模軟件，建立雨刮器卡扣三維模型，如圖1 所示，卡扣的寬度為15 mm，長為40 mm,高為11.5 mm。將裝配體文件保存為STEP文件，導入ABAQUS 中，這樣可以省略在ABAQUS 中重新裝配的過程。由于模型有良好的對稱性且只分析卡扣配合處，將整體卡扣模型進行簡化。

圖1 卡扣簡化模型

1.2 材料參數

該模型中使用內卡扣的材料為聚丙烯聚合物，這種材料具有良好的韌性、耐磨性和耐候性，能夠承受雨刷器在使用過程中的重復運動和環境壓力。外卡扣采用的是圓鋼，在ABAQUS 中采用理想的彈-塑性材料模型，各材料參數見表1。

表1 卡扣材料參數

1.3 接觸屬性

卡扣的有限元分析是典型的接觸問題，在配合的過程中是一個動態變化的過程。這就容易造成模型計算過程中的收斂問題，并且內卡扣涉及大變形問題，有可能會考慮材料非線性，這種多重非線性組合會使卡扣有限元仿真需要的時間很長和不收斂。

由于模型較為簡單，采用接觸對和面-面接觸，外卡扣設為主面，內卡扣設為從面，采用有限滑移。接觸屬性描述接觸過程，包括法向屬性和切向屬性兩部分[10]。接觸屬性法向為“硬”接觸，切向為罰摩擦，摩擦系數為0.15。為了縮短計算時間和精確分析內卡扣的配合過程，將外卡扣設為剛體，不考慮外卡扣的變形。

1.4 網格劃分

為了確保收斂性并且獲得較高的高精度求解結果，需要在接觸配合處將網格加密。雨刮器卡扣形狀較為復雜，網格單元采用四面體網格，采用二階四面體網格來保證求解精度。考慮到接觸問題和二階四面體網格形函數的形式，采用C3D10M 單元，可有效提高接觸有限變形時的穩健性。模型單元數為74 828，總結點數為114 785。

1.5 邊界條件

考慮到雨刮器卡扣的配合過程，將外卡扣所有自由度全部固定，約束內卡扣X、Y 以及繞Y 軸和繞Z軸轉動的自由度。對內卡扣施加X 正方向4 mm 的位移，切好使內卡扣進入到外卡扣孔內。

2 結果分析

2.1 雨刮器卡扣配合過程

雨刷器卡扣配合過程分4 個階段，如圖2 所示。OA 段為內外卡扣剛接觸階段，此階段內外卡扣受到內卡扣推力（默認內卡扣配合方向為正），從零開始逐漸增加；隨后進入AB 階段，推力逐漸降低；當內卡扣完全進入外卡扣下部時，進入BC 階段，此時外卡扣收到的推力基本不變，主要由內外卡扣之間的摩擦引起；之后內卡扣完全插入到外卡扣中，此時受到內卡扣的拉力達到400 N 左右，使卡扣卡緊。

圖2 卡扣配合過程

2.2 摩擦系數對卡扣強度的分析

在卡扣配合過程的分析中，考慮整個配合過程中內外卡扣受摩擦力的影響，分析三種不同摩擦力下卡扣扣緊力的變化趨勢，如圖3 所示，從圖中可以觀察到隨著卡扣表面摩擦系數的增加，在OB 段內卡扣對外卡扣的推力逐漸增加。通過對比三種摩擦系數下內卡扣的應力可以發現，摩擦系數為0.1 時，最大馮米塞斯應力為938.1 Mpa,摩擦系數為0.15，最大馮米塞斯應力為947.9 Mpa,摩擦系數為0.2，最大馮米塞斯應力為959.8 Mpa, 因此在制作卡扣的過程中應該考慮內卡扣受摩擦系數的影響，避免對內卡扣造成斷裂、裂紋等現象，保證對雨刷器的可靠性和清潔力，對駕駛人員做到最有利的保護。

圖3 卡扣扣緊力及應力與摩擦系數關系

2.3 卡扣配合距離對扣緊力分析

為了了解內外卡扣間的配合關系是否對卡扣扣緊力有影響，定義了內卡扣上邊與外卡扣下邊之間的距離為卡扣的配合距離。設置兩組參數分別為0.3 mm 和0.35 mm，分析對卡扣扣緊力的影響。

如圖4 所示，通過數據分析軟件Origin 對2 組數據進行分類整理和對比。從圖中可以發現，不論是X方向的扣緊力還是Z 方向的扣緊力，兩者隨時間的變化趨勢是一致的，可以證明兩個仿真分析的準確性。取穩定變化階段的平均值，分析比較X 方向的扣緊力，當配合距離為0.3 mm 時，最大扣緊力為317 N，當配合長度為0.35 mm 時，最大扣緊力為304 N，同比扣緊力減低了4.72%，從曲線變化趨勢上分析，整個配合過程的扣緊力都有降低，其原因為隨著配合距離的增加，內卡扣對外卡扣產生的推力在Z 軸上的分量增加；取穩定變化階段的平均值，分析比較Z 方向的扣緊力，兩者僅在OB 段的扣緊力出現不同，而BD 段的扣緊力幾乎一致。

圖4 卡扣配合距離和扣緊力的關系

考慮到卡扣對雨刮器清潔力的影響，要合理分配內外卡扣的配合距離，若出現松動或者異響等問題[11]，可以從卡扣配合距離角度去避免這類現象的發生。

3 結論

（1） 本研究介紹了卡扣有限元仿真的過程，考慮了卡扣模擬過程的大變形以及材料非線性，證明了用ABAQUS 有限元軟件對雨刮器卡扣進行有限元分析的有效性和使用性，為雨刷器卡扣性能改善提供了有價值的見解。

（2） 分析了雨刮器卡扣配合過程和內卡扣的變形情況，將配合過程分為4 個階段，詳細分析了每個階段的運動情況和內卡扣的變形情況，當內卡扣進入外卡扣的瞬間，扣緊力達到400 N。

（3） 對卡扣扣緊力隨摩擦系數的變化進行了評估，對比三種不同的摩擦系數下卡扣的應力分布和變形，當摩擦系數由0.1 到0.15 時，內卡扣的馮米塞斯應力升高1%，摩擦系數由0.1 到0.2 時，應力升高2.3%，因此可以從卡扣間的摩擦系數考慮，提高卡扣的耐用性。

（4） 內外卡扣配合距離對扣緊力會產生影響，當配合距離由0.3 mm 到0.35 mm 時，扣緊力降低了4.72%，要減小卡扣間的距離進而提高卡扣的扣緊力。