基于CATIA的运动分析在汽车刮水器设计中的应用

来源：汽车电器作者：佚名 2015-09-02 07:59:08

    摘要：本文通过软件工具CATIA对刮水器系统运动的分析，校核了刮水器刮刷角度，得出刮刷运动的角速度曲线、角加速度曲线，可以用来指导电机选型。
    汽车在雨雪天气行驶时，前挡风玻璃上容易形成雨水或者被雪花覆盖，妨碍驾驶员视野，影响行车安全。因此，汽车上都配置刮水器清除前挡风玻璃上的雨水、雪或者灰尘等，以提升行车安全性。在刮水器设计中电机的选型主要是采用传统的简化载荷计算公式，然后再通过乘以安全系数的手段实现。计算公式如下。
    主刮臂刮片匀速刮刷所需转矩为
            Tz（Mz×g×cosθ＋Fz） ×μ×Rz
    副刮臂刮片匀速刮刷所需转矩为
            Tf=（Mf×g×cosθ＋Ff） ×μ×R f
    电机转矩T=（TZ+Tf） ×a
    式中：Rz----主刮臂长，m; Rf----副刮臂长，m ; Fz----主刮臂压力，N ; Ff----副刮臂压力，N;Mz----主刮臂刮片总成质量，kg; Mf—副刮臂刮片总成质量，kg; g----重力加速度，9.8 N/kg;θ----玻璃倾角，（。）；A----摩擦系数，0.8～1.65;a----安全系数，1.2～1.5。
    摩擦系数拜范围大，是因为刮片在挡风玻璃上的湿刮状态和半干刮状态所受的摩擦力差别大。安全系数a是为了补偿刮水器加速运动、各个关节运动副摩擦、机构变形、刮臂刮片风阻、环境温度等因素带来的影响，是依据设计经验来定义其值的范围。
    上述这种方法只是理论计算刮水器匀速刮刷时带动主、副刮臂刮片所需要的转矩之和，再乘以一个以设计经验得来的安全系数a，然后就得到所需电机的理论转矩范围。但是，刮水器刮刷不可能一直匀速刮刷，加上摩擦系数A和安全系数a都是范围值，故这个公式得来的电机转矩值范围通常很大，难以准确把握真正需要电机输出的转矩，并且为保证刮水器工作性能而保守选择的电机多数会造成电机功率的浪费，以及太大的电机转矩在遇到刮水器意外受阻堵转的情况下也会破坏刮水器内部机构。
    本文主要介绍一种刮水器（江淮和悦RS刮水器）运动模型的建立及分析过程，通过对刮水器相关部件关节运动副建立运动模型，模型建立后通过运动规律得出刮水器的刮刷角度、刮刷角速度、刮刷角加速度，并利用刮刷角加速度更准确地定义电机选型的指导计算公式。

1 刮水器组成及运动原理
江淮和悦RS刮水器组成如图1所示。电机及减速机构整体封装在电机及支架中，减速器输出轴转动带动电机曲柄做圆周运动，通过主刮连杆将运动传递到主刮摆杆往复摆动，主刮摆杆与主刮输出轴铆接在一起，从而带动安装在主刮输出轴上的主刮臂做往复摆动；同时主刮摆杆带动副刮连杆将运动传递到副刮摆杆做往复摆动，副刮摆杆与副刮输出轴铆接在一起，从而带动安装在副刮输出轴上的副刮臂做往复摆动。最后，刮臂带动刮片做往复摆动，刮刷去前挡风玻璃上的雨水、雪或灰尘等。

    2 运动模型建立与分析
    2.1各关节运动副的分析
    图1刮水器中共有7个运动关节，其对应的运动部件、结构以及对应CATIA中各运动副和相应自由度关系见表1。

    2.2运动模型的建立
      电机及其减速机构和转轴轴套可以整体作为一个固定的部件，电机输出轴及其曲柄作为一个整体部件，每个摆杆和相对应的输出轴因为是铆接固连关系分别作为一个整体部件，各个连杆分别作为一个整体部件。按照上述将各整体部件装配好后，把CATIA转到数字化装配的DMU运动机构模块中，单击，弹出“Joint Creation: Revolute”对话框’，单击对话框中“New Mechanism”建立新运动机构。选取电机和电机输出轴两个部件的运动转轴及贴合平面，建立运动关节1。
    限于篇幅，其他关节的建立就不一一赘述。最终模型建立后的效果见图2。

    2.3建立刮水器运动
    2.3.1刮水器运动规律
    GB 15085-2013《汽车风窗玻璃刮水器和洗涤器性能要求和试验方法》中第4章性能要求对刮水器的刮刷频率有如下规定：①刮水器至少应有2种刮刷频率；②一种刮刷频率不低于45次／min;③一种刮刷频率不低于15次／min，且不高于55次／min④最高的刮刷频率和其中一种低的刮刷频率之间的差不低于15次／min。
    现在设定刮水器高速刮刷时的频率是60次／min，即1次／s。对应刮水器电机轴转速应为1转／s，即360 0/s。

    2.3.2刮水器运动规律的建立
    使用CATIA中的关系公式建立刮水器的运动公式，步骤如下。
    选中“Mechanism. 1”，单击“知识”工具栏中的“Formula（公式）”按钮f（x），弹出“公式：Mechanism.1”对话框，如图3所示。在对话框“参数”文本框中选中“Mechanism. I\Commands\command＼角度”，单击“添加公式”按钮，弹出“公式编辑”对话框，如图4，定义长度与时间的关系。

    其中“1s/360deg”的意义是运动速度为360deg/1s，即每秒钟转动一转。至此，运动规律建立完成。
2.4测量刮水器的刮角、角速度和角加速度
    1）单击“DMU Kinematics（数字模型运动）”工具栏中的“Speed and Acceleration（速度和加速度”按钮，激活对话框中“referenceProduct（参考产品）”文本框，选择电机及支架作为参考，" PointSelect（点选择）”选择主刮摆杆上的一点作为测量点，见图5。同理，建立副刮测量点。