车辆工程毕业设计论文-轿车雨刮器结构设计与运动仿真(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-轿车雨刮器结构设计与运动仿真(编辑修改稿)内容摘要：

机技术改变 了 传统的设计思想，对制造业产生了深远的影响。 虚拟样机技术的发展，使产品设计可摆脱对物理样机的依赖，体现了一种全新的研发模式，它在工程领域的迅速发展，必将给企业带来重大的影响。 虚拟产品的销售。 虚拟样机技术和柔性制造技术已经使 虚拟产品销售成为可能，即企业先通过虚拟样机找到客户，再组织生产。 因此企业在产品制造和市场竞争方面更具灵活性。 企业间的动态联盟。 产品的数字化使企业能够通过 Inter 进行产品信息的快速交流，克服单个企业资源的局限性，将具有开发某种新产品所需的知识和技术的不同组织或企业组成一个临时的企业联盟，即企业间的动态联盟，以适应瞬息万变的市场需求和激烈竞争。 设计 的目的意义 本设计的目的，是根据当前的先进设计理论， 通过所学 知识，并利用 Pro/E 软件平台，对雨刮器做进一步的设计，力求使刮刷面积进一步增大，使得司机在任 何时候都有一个清晰的视野，提高汽车行驶安全性。 设计 的基本内容 与 解决的主要问题 研究的 基本 内容 雨刮器总成含有电动机、减速器、四连杆机构、刮水臂心轴、刮水片总成等。 本设计要求进行捷达轿车雨刮器部件尺寸的设计，求解 刮 扫面积等； 要选择电机的型号 ，分析 雨刮器的控制 电路 及间歇电路，分析电机的自动回位装置，确定雨刮器的硬件的尺寸等，求解雨刮器的刮扫面积， 利用 ADAMS 软件进行运动分析，获得运动的轨迹和速度，并 运用 Pro/E 绘出三维模型。 3 拟解决的主要问题 解决问题： （ 1） 分析雨刮器 电子间歇控制电路； （ 2）分析雨 刮器的自动回位装置； （ 3）确定雨刮器的控制方式； （ 4）优化雨刮器传动机构； （ 5） 确定刮刷区域，并计算 最大刮刷面积 ； （ 6）实现雨刮器的运动仿真； （ 7）最终实现三维模型建立 (Pro/E)。 解决方法： （ 1）分析比较不同车型的控制电路及间歇控制电路，选择其中一种 ； （ 2）分析其他车型的自动回位装置，选择合适的 ； （ 3）比较分析不同雨刮器的控制方式 ， 选择一种 ； （ 4）分析比较其他车型的传动机构，选择合适的优化传动机构 ； （ 5）查阅参考资料中求解雨刮器的算法 ； （ 6）学习 ADAMS 软件，实现雨刮器的运动仿 真 ； （ 7）学习 Pro/E 软件，建立雨刮器的三维模型。 4 第 2章 轿车雨刮器 引言 汽车风窗玻璃上时常会附着雨雪和尘土，如果不及时擦拭干净 ，将会影响驾驶员的视线，对行车安全带来很大不利。 为了确保挡风玻璃清洁明亮，汽车上都装有风窗雨刮器。 其功能是将玻璃上的雨水、尘埃、污垢刮净，以获得清晰的视野，保证行车安全。 汽车雨刮器，是一个很小却又不容忽视的汽车部件，它能擦亮汽车的“ 双眼 ” ，使司机的视线更加清晰。 汽车雨刮器是用来清扫汽车风窗玻璃上的雨雪和尘埃的装置， 一旦 它 失去作用，将直接影响到司机雨天驾驶视野的清晰度。 雨刮器看似结 构简单，但是从驱动电机到最终的刮刀的结构尺寸和运动方式都决定雨刮器的性能。 雨刮器虽然是汽车的附件，但 很多汽车制造企业将雨刮器列为汽车的安全部件 , 并将雨刮器的一些功能特性 (如刮刷频率 )列为安全特性 ,由此可见，雨刮器与汽车的安全性能有着紧密的关系，是我们不容忽视的汽车部件。 目前国内外的雨刮器都不能消除刮扫死角，本次设计也不能完全消除刮扫死角，但力求 刮 扫面积增大，使司机可以尽量有最宽阔的视野。 汽车雨 刮 器的 研究现状 雨刮器 总成含有电动机 、减速机、四连杆机构、刮水臂心轴、挂水片总成等。 当司机按下雨刮器的开关时，电动机启动，电动机的转速经过蜗轮蜗杆的减速增扭作用驱动摆臂，摆臂带动四连杆机构 、 四连杆机构带动安装在前围板上的转轴左右摆动，最后由转轴带动雨刮片刮扫挡风玻璃。 雨刮器的种类很多 , 按安装位置分 , 有顶置、底置、侧置、前后置和内外置等。 按雨刮范围分 , 有局部雨刮、整体雨刮、单面雨刮和双面雨刮。 按运动方式分 , 有四杆机构左右摆动式、导轨式直线和弧线运动式。 按制作材料分 ,有普通黑胶体雨刮器、透明塑料体雨刮器和磁性体雨刮 器。 目前 ,车辆上广泛使 用 的是曲柄 连杆机构 黑胶体雨刮器。 国外对汽车电动雨刮器的性能要求 ： 5 耐久性能 美国标准 1975 年 SAEJ903b 推荐 （ 1） 总成耐久试验 （ 2） 刮片耐久试验 （ 3） 橡胶片耐久试验 日 本标准 1976 年 JISD5710 推荐 （ 1） 橡胶片耐久试验 （ 2） 总成耐久试验 试验后摇臂的压力变化和试验前相比应在 15%以内 , 摇臂和刮片的各部分不应有明显的松弛、松动（配合、间隙等）或其他有害缺陷的产生。 强度性能 美国标准 1975 年 SAEJ903b 推荐 在刮动过 程中阻挡摇臂 15 秒 ， 试验后应仍能正常工作。 刮刷性能 美国标准 1975 年 SAEJ903b 推荐 耐久试验 试验后刷净性能仍应达到 75%。 刮 动频率 （ 1） 美国文献介绍 刮动周期 120 秒 （ 2） 法国文献介绍 刮动频率 1240 次 /分 （ 3） 美国文献介绍 间隔 3 秒较普遍 （ 4） 英国文献介绍 适应极细雨时用 , 频率和间歇均能独立控制。 （ 5） 美国文献介绍 倾盆大雨时 的 刮刷频率可高达 80 次 /分 ,高于上述频率则雨刮将在风窗玻璃水而 上 浮掠而过 , 破坏刮水性能。 （ 6） 根据 JB303381 规定，高频刮拭频率为 71465 次 /分，低频为 101245 次 /分。 频率之差 10 次 /分 接触面压力 （ 1） 日 本文献介绍 刮片对风窗玻璃的压力 1015 克 /公分。 （ 2） 日本文献介绍 接触面压力 低速 10 克 /公分 高速车 15 克 /公分 （ 3） 美国文献介绍 汽车速度大于 60 哩 /时 , 则刮片将受到空气的浮力而降低刮刷性能 6 （ 4） 日本文献介绍 在汽车速度为 100 公里 /时 , 400 毫米长的刮片受到 200 克的空气浮力 , 使刮刷效果恶化 , 此时为了改善其刮刷性 能 , 最低需要 400 克的压力。 橡胶片与摩擦系数 美国标准 1975 年 SAEJ903b 推荐 （ 1） 耐久试验 （ 2） 化学试验 日 本标准 1976 年 JISD5710 推 荐 耐久试验 工作温度范围 美国标准 1975 年 SAEJ903b 推荐 （ 1） 工作温度范围 55 士 3℃一 （ 2） 高温试验 温度 55 士 3℃ 最高速连续工作 1/2 小时 （ 3） 低温试验 温度 30 士 5℃ 最高速连续工作 1/2 小时 法国文献介绍 工作温度范围 30℃ 80℃ 联动机构效率与摆角 日本文献介 绍 联动机构效率 8085% 刮刷角度 ≯ 110186。 如超过此限度 , 则尺寸误差变得敏感、且易越过死点 , 致使效率下降。 刮 动扭矩 日本文献的介绍 刮动扭矩大于 50 公斤 厘米随着风窗玻璃的大型化 , 刮片长度大于 280 毫米的越来越多 , 刮动扭矩也随着增大 , 超过了 50 公 斤 厘来。 刮动电流 法国文献介绍 刮 动电流 安培 国外对雨刮器的设计要求都有了明确并且高标准的规定 [4]。 而 我国现阶段的雨刮器发展现状是新产品喜忧参半 , 老产品一统天下。 （ 1） 新产品喜忧参半。 由于冬季车辆内外温差大 ,常常在车内挡风玻璃上结有很厚的一层冰霜 , 必须使用热水布反复擦除才能保证正常的视觉效果 , 于是发明了双面雨刮器。 双面雨刮器的不足是 , 外雨刮片是车外物体 , 内雨刮片与其一起联动 , 7 容易分散驾驶员注意力而引起视觉疲劳 , 危害行车安全。 通过改进 , 把内雨刮片改成磁条式的 , 无机械联动 , 需要时贴上 , 用完后取下 , 很方便。 但是实际使用中发现磁性大小很难控制 , 更麻烦的是加大磁场作用效果时 , 干扰车内电子设备 , 用手机做测试 , 通话质量差 , 甚至车内收放音设备无法正常工 作。 局部雨刮一直是现用雨刮器的缺陷 , 小范围雨刮后视觉效果差 , 影响驾驶员对前方全景的正确判断。 经过不断改进 , 把雨刮片的曲线 (圆周 )往复运动改成直线往复运动 , 雨刮面积加大。 但是设计者把被雨刮的玻璃假想成直面矩形平板式 , 而目前挡风玻璃更多的是流线圆弧形等形状 , 直线整体雨刮在弧形玻璃上无法安装。 传统雨刮片的材料是黑胶体 , 技术人员把它改成透明状 , 增强了视觉感光效果。 在具体测试时 , 遇到雨天夜晚行车 , 打开雨刮设备 , 各类光源被透明雨刮片折射后与透明棒形成新的“ 发光棒” , 司机原本可远距离观察 , 这时却被发光棒来回运动构成的发光“ 墙面”遮掩而眩目。 （ 2） 老产品一统天下。 我国车辆工业近年来快速发展 , 但是雨刮器作为一种附件 , 其开发一直得不到应有的重视。 一方面是用户的使用和思维习惯 , 另一方面是新产品的完备性和推广价值不高。 接受和认可新型雨刮器要有一个过程 , 真正的强适应性雨刮器开发出来 , 一定会是中国制造的一大特色。 普通雨刮器经久不衰 , 除了没有可靠的替代品之外 , 另一个很重要的原因就是其质量稳定、结构简单、故障率低和易于维修。 而前几种新型雨刮器要么处于试验阶段 ,要么质量不稳定 , 制造商不敢 投入太多的资金搞推广 [4]。 由于以上种种原因，我国广泛应用的雨刮器一直没有新的改进与进展。 因此我国现阶段的目标因该是在一定的技术要求下，改进老产品的不足，结合其他新产品的优点，设计出新型的，刮扫面积大的，结构简单、稳定的，经济实用的雨刮器。 刮水电机 刮水电机型号的编制方法 根据 《 GB48311984 电机产品型号编制方法》中 规定， 电机 产品 型号 由产品代号、规格代号、特殊环境代号和补充代号等四部分按以上顺序组成。 电机产品代号 见表。 规格代号见表 [5]。 8 表 电机 产品 代号 序号 电机类型 代号 1 异步电动机 （笼型及绕线转子型） Y 2 同步电动机 T 3 同步发电机（除汽轮发电机、水轮发电机外） TF 4 直流电动机 Z ZD 5 直流发电机 ZF 6 汽轮发电机 QF 7 水轮发电机 SF 8 测功机 C 9 交流换向器电动机 H 10 潜水电泵 Q 11 纺织用电机 F 表 主要系列产品的规格代号 序号 系列产品 规 格 代 号 1 小型异步电动机 中心高（ mm） 机座长度（字母代号） 铁心长度（数字代号） 极数 2 大型异步电动机 中心高（ mm） 铁心长度（数字代号） 极数 3 小型同步电机 中心高（ mm） 机座长度（字母代号） 铁心长度（数字代号） 极数 4 中大型同步电机 中心高（ mm） 铁心长度（数字代号） 极数 5 小型直流电机 中心高（ mm） 机座长度（字母代号） 6 中型直流电机 中心高（ mm） 或机座号（数字代号） 铁心长度（数字代号） 电流等级（数字代号） 7 大型直流电 电枢铁芯外径（ mm） 铁心长度（ mm） 9 机 8 汽轮发电机 功率（ MW） 极数 9 中小型水轮发电机 功率（ kw） 极数 /定子铁芯外径（ mm） 10 大型水轮发电机 功率（ kw） 极数 /定子铁芯外径（ mm） 11 测功机 功率（ kw） 转速（仅对直流测功机） 减速器的 结构特点 刮水电机的主要输出形式有两种：旋转输出与摆动输出。 减速主要是一级或多级圆柱齿轮减速，蜗杆螺旋齿轮减速。 （ 1） 圆柱齿轮减速旋转输出 的特点 这种电机 传动效率高，二级减速为 80%以上，但噪音较难控制，它的大小取决于齿轮的加工精度及装配体的尺寸精度，一般用于 20W 以 下的电机减速，以增大力矩，如图 所示。 图 二级圆柱齿轮减速旋转输出结构 （ 2） 蜗杆螺旋齿轮摆动输出 的特点 这种电机 减速传动的特性与上述相同，但它还将旋转运动改变为摆动运动的一套曲柄摇杆机构同时置于减速箱内，使刮水电机输出形式直接为摆动，如图 所示。 在 20W以内的刮 水电机中，这种型式较常见，其特点是在车身前围安装方便，适应性很强，结构紧凑。 10 摆动输出也有圆柱 齿轮减速的，其基本特点相近。 图 蜗杆螺旋齿轮减速摆动输出结构 （ 3） 蜗杆 螺旋齿轮减速旋转输出 的特点 这种减速有时会被称之为蜗轮蜗杆减速，但实际上刮水电机减速器是一个斜齿轮与蜗杆吻合，所以严格讲应该称为螺旋齿轮减速。 这类齿轮减速方式的优 点是加工成本低、噪音小、冲击小、结构紧凑、但传动效率低，约为 50%。 一般在 15W 以上的刮水电机中大多用此方式达到减速增大力矩，如图 所示 [6]。 图 蜗杆圆柱齿轮减速旋转输出结构 11 刮水电机的控制电路 分析 图 自动复位装置 （ a）电枢短路制动 （ b）雨刮电机继续转动 （ 1） 电动刮水器的复位 如图 刮水器自动复位装置示意图。 在减速涡轮上，嵌 有铜环，其中较大的一片与电机外壳相连接而搭铁，触点臂 5 用磷铜片制成（有弹性），其一端 铆有触点，与蜗轮端 面或铜片接触。 当电源开关接通， 把刮水器开关拉到： “ I”挡 （低速挡）时，电路为电池正极 →开关 1→ 熔断丝 2→ 电刷 B3→ 电枢绕组 → 电刷 B1→ 接线柱 ② → 接触片 → 接线柱 ③ →搭铁，此时电动机以低速运转。 当刮水器开关拉到 “ Ⅱ ”档时，电路为蓄电池正极 → 开关 1→ 熔断丝 2→ 电刷 B3→ 电枢绕组 → 电刷 B2→ 接线柱 ④ → 接触片 → 接线柱 ③ → 搭铁，电动机以高速 运转。 当刮水器开关推到 0 挡（停止位置）是，如果刮水器刮 水片没有回到原始位置（停放位置），由于触点与铜环 9 接触，则电流继续流入电枢，其电路为蓄电池正极→ 开关 1→ 熔断丝 2→ 电刷 B3→ 电枢绕组 → 电刷 B1→ 接线柱 ② → 接触片 → 接线柱 ①触点臂 5→ 铜环 9→ 搭铁，形成回路，如图 所示，电动机以低速运转直至蜗 轮旋转到图 （ a）所示的特定位置，电路中断。 由于电枢的惯性，电机不可能立即停止转动，电动机以发动机方式运行，此时电枢绕组通过触点臂 5 与铜环 7 接通而短路，电枢绕组产生很大的反电动势，产生制动力矩，电机停 止转动，使刮水片复位到风窗玻璃的下部 [7]。 （ 2） 电刷调速 12 图 双速刮水电动机的变速原理 (a)结构原理 （ b）电路原理 刮水电动机通常 采用改变 两 电刷间串联的导体数的方法进行调速， 如图 所示。 电刷 B3 为高低速公用电刷， B1 用于低速， B2 用于 高速 ， B1 与 B2 相差 60。 电枢采用对称叠绕式。 永磁式三刷电动机，是利用三个电刷来改变正负电刷之间串联的线圈数来实现变速的。 当直流电动机工作时，在电枢内同时产生反电动势，其方向与电枢电流的方向相反。 如果使 电枢旋转，外加电压必须克服反电动的作用，即 U＞ e，当电枢转速上升时，反电动势也相应上升，只有当外加电压 U 几乎等于反电动势 e 时，电枢的转速才趋于稳定。 三刷式电动机旋转时，电枢绕组所产生的反电动势如图 所示 ，当开关拨向L 时，电源电压 U 加在 B1 和 B3 之间。 在电刷 B1 和 B3 之间有两条并联支路，一条是有线圈 ① ⑥ ⑤ 串联起来的之路，另一条是线圈 ② ③ ④ 串联起来的支路，即在电刷B B3 间有两条支路，各三个线圈。 这些线圈产生的全部反电动势与电源电压平衡后，电动机便稳定旋转。 由于有三个线圈串联的反电动势与 U 平衡，故转速较低。 当开关拨向 H 时，电源电压加在 B2 和 B3 之间。 从图。