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毕业设计论文

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车辆工程毕业设计46江苏大学奇瑞A21轿车前风窗雨刮器的改进设计,毕业设计论文

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附件二： 江苏省普通高等学校本专科 优秀毕业设计（论文）推荐表 学校名称：江苏大学 填表日期： 2005 年 6 月 24 日 学生 姓名 储亚峰 性别 男 民族 汉 出生 年月 1983.12 入学 年级 01 专业名称 机械设计制造及自动化 专业所属 一级门类 机械工程 专业所属 二级类 机械工程 指导教师 毕业设计（论文）总周数 13 姓名 专业技术职务 年龄 所在单位 殷苏民 副教授 49 江苏大学 毕业设计（论文）题目 奇瑞 A21 轿车前风窗雨刮器的 改进设计 毕业设计（论文）主要涉及研究方向 车身布置设计 毕业设计（论文）选题依据及背景 奇瑞公司正在开发的一款轿车前风窗雨刮器结构不紧凑，占用空间较多，影响其它部件的安装，同时自身的运输和装配也不方便。需要重新设计一种结构，在满足性能的前提下，利用前围水槽中的部分空间，同时使 结构变得更紧凑。 学校中期检查情况 毕业设计中期检查该生设计质量和工作进度完成符合要求。 毕业设计（论文）的水平与特色 毕业设计理论联系实际，综合应用所学知识基本解决了 奇瑞公司正在开发的一款轿车前风窗雨刮器结构不紧凑 ，占用空间较多，影响其它部件的安装，同时自身的运输和装配也不方便 的问题，具有较大的应用价值。 毕业设计（论文）有何实验、实践或实习基础 毕业设计基本都是在企业完成，结合企业的生产 实际，并解决生成实际问题。 nts学生毕业设计（论文）期间的研读书目 1 王国强等 . 虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践 . 西安：西北工业大学出版社 . 2002 2 乐玉汉 . 轿车车身设计 . 北京：高等教育出版社 . 2000 3 谷正气 . 轿车车身 . 北京：人民交通出版社 . 2002 4 中国汽车工程学会 . BOSCH 汽车工程手册 . 北京：北京理工大学出版社 . 1999 5 中国汽车技术研究标准化研究所 . 汽车标准汇编 (第六卷 ). 吉林：中国汽车技术研究标准化研究所 . 2000 6 李军等 . ADAMS 实例教程 . 北京：北京理工大学出版社 . 2002 7 熊光楞等 . 协同仿真与虚拟样机技术 . 北京：清华大学出版社 . 2004 8 郑建荣 . ADAMS-虚拟样机技术入门与提高 . 北京：机械工业出版社 . 2002 9 MSC.Software 公司 . Using ADAMS/View 10 MSC.Software 公司 . Using ADAMS/PostProcessor 指导教师评语及推荐意见（包括学生的工作态度、知识与能力、成果与水平、设计（论文）质量等几方面） 该生毕业设计态度认真，勤奋刻苦，勇于创新，具有较高的专业知识和专业理论水平，读书期间即基本掌握 CATIA 、 ADAMS等 软件的使用， 毕业设计选题理论联系实际，利用所学知识结合上汽奇瑞 21 型轿车雨刮器存在的问题，进行了建模动态仿真，获得了重要的改进设计参数，并完成图纸的设计，为下一步的实际工程生产提供了理论和 技术依据，获得奇瑞公司的称赞。 该生毕业设计的主要时间是在奇瑞公司生产一线完成，毕业设计的论文编写条理清楚，设计的图纸正确，设计工作量饱满。 指导教师签字： 殷苏民 2005 年 6 月 24 日 指导教师对申报材料真实性的意见 申报材料真实可信。 指导教师签字： 殷苏民 2005 年 6 月 24 日 学校推荐意见 （学校公章） 年 月 日 注：专业名称和所属门类请按教育部公布的专业目录填写。 其中专科专业请对照教育部 印发的普通高等学校高 职高专教育指导性专业目录 (试行 ) ， 可从以下网址下载： /info/edu/poli/8586.shtml。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 虚拟样机技术 虚拟样机技术 VP（ Virtual Prototyping Technology） 是指 在产品设计开发过程中，利用先进的 CAD 技术建立与物理样机一致的数字化模型，并 针对该产品在投入使用后的各种工况 ， 在计算机上 进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。 在传统的设计与制造过程中， 为了验证产品设计通常 要 制造 物理样机 进行试验，往往有些试验是破坏性的 。当通过试验发现缺陷时，又要重新修改设计并再用样机验证，这样反反复复 几个循环下来，产品才能达到预期的性 能要求，整个过程是漫长的，尤其对于像汽车这类复杂的机电产品 ，开发周期有时长达数十个月 。 很多产品为了应对市场需求的变化，物理样机的试验往往被忽略，导致产品在上市时就存在很多缺陷。在目前的市场竞争背景下，基于物理样机的设计验证过程严重制约了产品质量的提高 、成本的降低及对市场的占有。 在利用 虚拟样机技术 的过程中， 产品 设计人员首先利用计算机辅助设计软件建立零 部 件的数字模型，再利用数字模型提供的物理信息和几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对其进行虚拟装配，从而获得产品的虚拟样机 。随着计算机仿真技术的日益完善 ，对产品数字模型的仿真分析逐渐成为可能。现在，利用系统级仿真软件 可以真实模拟系统的运动，并可以 对 样机在多种实际工况下的运动和受力情况 进行仿真分析，从而在设计早期发现并修改设计缺陷 ； 同时 通过仿真多 种不同的 方案，对整个系统 进行不断的改进，直至获得最优方案时才制造物理样机 1。 通过人机交互作用 ，虚拟样机技术 允许产品设计人员采用多种方式表达和实现自己的设计意图，最大限度地发挥人的创造力和想象力，并在一个多维信息环境下完成产品的概念设计、修改、定型、装配、测试 ，从而从根本上保证了产品的质量。 虚拟样机技术在不消耗现 实资源和能量的前提下，实现了产品开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。虚拟样机技术的应用无疑将会对产品设计与制造的未来发展产生重大的深远影响。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 2 页 1.2 本论文的目的及意义 本论文的目的，是根据当前的先进设计理论，利用 CAD 技术的发展成果，通过虚拟样机技术 的运用 对奇瑞 A21 轿车 前风窗雨刮器的原有设计进行改进，完成新方案的结构布置 、运动分析，并对原有的车身做出必要的修改。 本课题难度一般，课题来源于实际，但却采用了多种设计方法，希望借此课题推动虚拟样机技术在中国制造业中的运用，同时也为提高汽 车 零部件的 设计水平作一些有 意义 的探索。 1.3 本论文的安排 本论文 主要进行以下工作： 1. 对 本次毕业设计 中使用 的 CAD 技术进行分析； 2. 对 虚拟样机技术的特点及其工程实现方法进行研究； 3. 对奇瑞 A21 轿车前风窗雨刮器的原有设计进行分析； 4. 对原有设计进行改进设计，综合运用多种分析手段； nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 3 页 第二章 计算机辅助设计技术概述 2.1 三维 CAD 建模技术 发展 概述 三维建模技术自上世纪 70 年代以来，经过三十多年的发展，已经有了很大的进步。一般以建模方法不同分为几何建模和特征建模两种，几何建模又可分 为线框建模、曲面建模、实体建模。 特征建模技术从一研制就是面向工程应用的， 它将工程应用中零部件的 形状 信息 （如凸台、孔、槽、倒角、圆角、尺寸）、精度 信息 （如尺寸公差、粗糙度）、技术 信息 （如技术要求、零件性能）、材料 信息 （材料规格、热处理方式、表面处理方式）和装配 信息 （如装配基准、装配关系）等 用几何建模来表达，每一种信息都用专门的特征来实现。以往多数 CAD 软件一般都采用单一的建模技术，这在一定程度上限制了软件的应用范围。 从目前大型 CAD 软件的发展趋势看，综合了多种建模技术的混合建模技术正越来越多的被软件开发商青睐 ，也为工程界广泛接受。目前市场上典型的混合建模软件有 CATIA、 Unigraphics 等。 采用混合建模技术能够很好地发挥各种建模技术的特长，大大提高了设计速度，减少了建模周期。 2.2 三维 CAD 设计软件概述 2.2.1 CATIA V5 软件简介 CATIA 是由 Dassault System 公司开发的一套 CAD/CAE/CAM 一体化软件，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业， 包括 了 从大型的波音 747 飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能 已 得到各行业的认可 ，特别是波音飞机公司使用 CATIA 完成了整个波音 777 的电子装配，更是 确 立 了 CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领 导 地位 。 CATIA V5 是 Dassault System 公司协同 IBM 公司 基于 Windows 核心重新开发的新一代高端 CAD/CAE/CAM 软件系统 。 围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的 CATIA V5 版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能 够实现工程nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 4 页 人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。 CATIA V5 主要功能模块包括：基础结构模块，机械设计模块，曲面造型模块，有限元分析模块，工厂设计模块， NC 加工模块，电子样机模块，设备与系统工程模块，人机工程设计和分析模块等，各个模块都具有强大的功能。在机械设计模块中，有专门的航空钣金件设计模块；强大的曲面造型能力是 CATIA V5 尤为值得称道的地方，该模块中有专门针对汽车车身 A 级曲面 (即 曲面曲率三阶可导 )设计的模块 ，其采用 独有的逼真造型、自由曲面相关性造型和设计意图捕捉等曲面造型技术，可生成和构造优美、环保的轿车车身外形 ， 大大提高了 A 级曲面设计流程的设计效率，将 A 级曲面整个开发过程提高到一个新的水平 2。 本次毕业设计主要应用了 CATIA V5 机械设计模块中的零件设计 (Part Design)、装配件设计 (Assembly Design)、线架构与曲面设计 (Wireframe and Surface Design)，曲面造型模块中的 自由风格曲面造型 、优化及截面线设计 (FreeStyle Shaper, Optimizer & Profiler)、创成式曲面外形设计与优化 (Generative Shape Design & Optimizer)。 2.2.2 Unigraphics 软件简介 Unigraphics(简称 UG)是由世界著名的 Unigraphics Solutions(UGS)公司开发的CAD/CAE/CAM 一体化软件，其集成了世界一流的设计、工程制造系统，广泛应用于通用机械、模具。汽车及航空航天领域。 由于 UG 软件进入国内市场较早，国标化工作开展地比较好，故在本次毕业设计中，将利用 UG 进行 出图。 2.3 三维 CAD 软件之间的数据交 换 这里主要讨论一下 CATIA 与其它软件间的数据交换。 CATIA 支持 Solidworks、SolidEdge、 Parasolid、 ACIS、 DXF 三维、 Inventor 和 VDA-FS 格式的文件以直接接口的方式导入，对于 Pro/E、 UG、 Ideas 只能由间接接口方式导入。间接接口方式也就是通过 国际标准的中间格式 来转换文件。下面简单介绍一下几种常见的中间转换格式。 1、 IGES 格式 初始图形交换规范（ IGES： Initial Graphics Exchange Specification）是美国国家标nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 5 页 准局和工业界于 1975 年共同制定并实施的。 目前 CATIA V5 所 提供的 IGES 接口可以帮助多个 CAD/CAM 系统并存的制造企业通过 IGES 中性数据格式进行数据交换。该实用程序支持 IGES V5.3 版本，并具有 IGES 元素名字和 CATIA V5 几何元素标识之间的名字匹配管理功能，能够处理 3D 线架元素、曲面和剪载曲面元素、等距偏置曲线、表皮和表皮边界、二次曲线和颜色。转换完成后，同时产生一个 HTML 格式转换报告。设计人员可以在两个完全不同的系统之间直接进行可靠的双向数据交换，也可 以自动存取 IGES 文件。 2、 STEP 格式 产品模型数据交换标准 (STEP： Standard for the Exchange of Product Model Data)是由 国际标准化组织所属技术委员会 TC184（工业自动化系统技术委员会）下的“产品模型数据外部表示” (External Representation of Product Model Data)分委会 SC4 所制定的国际统一 CAD 数据交换标准 。 CATIA V5 配备的 STEP 核心接口能自动识别STEP 文件类型，支持几何体和装配结构，并能够输入、输出 拓扑关系（如实体、壳体类零件）。允许设计人员交互式地以 STEP AP203 和 STEP AP214 数据格式读写数据。 对于本次毕业设计，由于雨刮系统原始数模是 UG 格式，需要输入到 CATIA 中进行处理。通过实际转换发现，利用 IGES 格式导入 CATIA 软件后原先一些大的曲面被分割为数以千计的曲面，原先的实体特征均被曲面特征代替，故处理起来比较繁琐，工作量很大；同时通过 IGES 转换后，文件变大，导致 CATIA 加载的速度较慢。采用STEP 格式可以保持原先实体的特征，一些曲面特征转换后也能被很好的识别，文件大小也没有 发生显著变化，但是 STEP 格式导入 CATIA 的模型一般都被识别为一个整体，这给模型的编辑带来了不便。因此，对于一些车身部件，一般都采用 IGES 进行转换，再利用 CATIA 软件的曲面缝合功能，能获得与原始表面几乎相同的曲面。而对于一些实体特征较多的部件，一般都采用 STEP 格式转换，这样保证模型特征能很好地被识别。 由于 各种辅助设计软件都各有特点，建模方式多种多样，通过采用各种软件的长处能够加快设计开发的速度，而不同的企业大多用的是不同的 CAD/CAM 系统，这些因素导致了模型数据交换频繁进行，数据可能在转换过程 中丢失。如何处理好模型转换的数据丢失问题将是各制造企业实现数字化过程中所面临的一个现实问题。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 6 页 第三章 虚拟样机技术及相关软件概述 3.1 虚拟样机技术概述 传统新产品的开发通常要经过产品设计、样机试制、试验检验、改进定型和批量生产几个阶段。以往由于技术的限制，在设计阶段获得的产品信息极为有限，设计人员对详细设计方案的评估很有限，很难保证设计中没有差错。为减少设计失误所带来的风险，对于像汽车之类的复杂产品， 一般需要建立一个等同于真实产品的物理样机，以最大程度地获得产品的信息，从而更好地避免或消除产 品设计阶段潜在的设计错误。但复杂产品的物理样机一般都造价高昂，而且耗时长久。在传统的串行开发流程上，一旦位于开发流程前端的步骤稍有改动，将导致物理样机的重建，随即使得设计成本的增加和开发周期的延长。面对越来越激烈的市场竞争，现代企业要保持竞争优势，就必须在最短的时间里设计并生产出新产品，从最大程度上满足顾客对产品的需求。因此，如何克服物理样机上述的缺点，成了现代企业保持竞争优势的耽误之急。在这种形式下，虚拟样机技术应运而生，其目的是取代物理样机，降低开发成本，缩短开发周期，提高设计质量。 虚拟样机是由分布 的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体，其主要包括：产品的 CAD 模型、产品的外观表示模型、产品的功能和性能仿真模型、产品的各种分析模型 (可制造性、可装配性等 )、产品的使用和维护模型以及环境模型等。借助虚拟样机，设计人员可以通过成熟的计算机图形学技术，模拟真实环境下产品的各种运动和动力特性，并能根据仿真结果优化产品的设计方案。目前虚拟样机系统的建立主要通过建立系统整体架构，以网络和数据库为基础，将当前的工程 CAD软件、仿真软件、虚拟现实技术和工具集成起来。多家工程软件供应商开发了支持虚拟样机的专 业软件，如有限元分析领域的 NASTRAN、 MARC、 ADINA、 ABAQUS及 ANSYS 等；多体动力学领域的 ADAMS、 DADS、 EULER 及 RecurDyn 等；控制分析领域的 MATLAB、 Matrix X、 EASY5 等；电子电路领域的 PROTEL、 ORCAD、PSPICE、 EWB 等，以及其他领域的大量商品化仿真软件。本次毕业设计主要是对机械系统的虚拟样机系统进行建模仿真，主要应用了机械系统动力学软件 ADAMS10。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 7 页 3.2 ADAMS 软件概述 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件是由美国 MDI 公司 (现以被 MSC.Software 公司收购 )开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。 ADAMS 软件的仿真还可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等 7。 ADAMS 软件由核心模块、功能扩展模块、接口模块、专业模块及工具箱模块组成。核心模块主要包括 ADAMS/View(界面模块 )、 ADAMS/Solver(求解器模块 )、ADAMS/PostProcessor(后处理模块 )。 功能扩展模块包括 ADAMS/Insight(实验设计与分析模块 )、 ADAMS/Vibration(振动分析模块 )、 ADAMS/Durability(耐用性分析模块 )、ADAMS/Hydraulics( 液 压 系 统 模 块 ) 、 ADAMS/Animation( 高 速 动 画 模 块 ) 、ADAMS/Linear(系统模态分 析模块 )、 ADAMS/AutoFlex(自动化弹性体模块 )等 。接口模块包括 ADAMS/Exchange(图形接口模块 )、 ADAMS/Controls(控制模块 )、ADAMS/Flex(弹性分析模块 )、 SimDesigner(CATIA V5 专业接口 )等，专业模块包括ADAMS/Car(汽车模块 )、 ADAMS/Rail(铁道模块 )等。工具箱模块主要供用户二次开发用，用户可以根据需要自行开发，增加更强的运动仿真功能 10。 本次毕业设计主要应用了 ADAMS/View 和 ADAMS/PostProcessor 两个 模块，下面简要介绍一下这两个模块。 ADAMS/View 是以用户为中心的交互式图形环境，它提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力 /力矩库，并且支持布尔运算，采用 Parasolid 作为实体建模的内核，支持 FORTRAN 77 和 FORTRAN 90 中的所有函数。在 ADAMS/View 中，用户利用 Table Editor，可像用 EXCEL 软件一样方便地编辑模型数据；同时提供了 Plot Browser 和Function Builder 工具包，用于曲线图的显示和方程式的建立；还具有设计研究、实验设计和优化功能，可使用 户方便地进行优化设计。 ADAMS/PostProcessor 模块用于输出高性能的动画和各种数据曲线，还可以进行曲线编辑和数字信号处理，使用户可以方便快捷地观察和研究 ADAMS 的仿真结果。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 8 页 3.3 基于 ADAMS 的虚拟样机开发流程 采用 ADAMS 软件进行虚拟样机开发的流程如图 1 所示 7。 图 1 样机建模 几何建模 施加运动副和运动约束 施加载荷 仿真 分析 设置测量和仿真输出 进行仿真分析 回放仿真结果 绘制仿真结果曲线 验证仿真 分析结果 输入实验数据 添加实验数据曲线 精制样机 模型 增加摩擦力 定义柔性物体和连接 改进载荷函数 定义控制 与实验结果一致 ? 迭代 设计 设置可变参数点 定义设计变量 否 是 优化设计 进行主要设计影响因素研究 进行实验 设计研究 进行最优化设计研究 自动化设计 创建用户自定义界面 创建用户自定义对话框 记录和重现仿真过程 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 9 页 3.4 本章 小结 本章 简要介绍了虚拟样机技术的产生及其内涵及各学科领域的仿真软件， 并 主要介绍了 机械系统动力学仿真软件 ADAMS，详细列举了基于 ADAMS 软件的虚拟样机开发流程。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 10 页 第四章 奇瑞 A21 轿车前风窗雨刮器改进设计 4.1 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的话，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。本次毕业设计是对原有雨刮系统的改进，通过运用虚拟样机技术对原有雨刮系统的设计方法作一次改进。 4.2 汽车风窗雨刮器概述 汽车风窗雨刮器主要由三部分组成：驱动装置、联动机构、雨刮装置。整个系统由电机、传动机构 、刮杆、刮片等所构成。 1. 驱动装置 风窗雨刮器的驱动方式有气动式、液动式和电动式三种形式。其中，电动风窗雨刮器适合各种环境条件，因此应用广泛。 轿车风窗雨刮器多为双速刮刷的雨刮器，刮刷有低速和高速两个运动方式。同时，雨刮器带有自动复位装置。当在任意位置切断雨刮器电动机电路使之停止工作时，刮臂和刮片均能自动停在挡风玻璃的下面，保障驾驶员最佳视线。 2. 联动机构 根据雨刮器联动机构的不同，刮片在风窗 玻璃上的刮刷方式可分为同向刮刷式 (图 1 中 c、 d)和反向刮刷式 (图 1 中 a、 b)，同向刮刷式是刮片刮臂工作时同时向同一方 向摆动，反向刮刷式是刮片刮臂工作时同时做反方向的摆动。从视野、风向阻力和结构等方面来说，同向刮刷式较好，因而采用较多。 雨刮器联动机构有钢索式 (图 1 中 d)和连杆式 (图 1 中 a、 b、 c)两种型式。连杆机构具有效率高、结构简单、工作可靠、成本低等优点。联动机构各连杆之间的连接多采用球形接头。 图 2 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 11 页 3. 雨刮装置 刮臂和刮片为雨刮器外露部分，刮臂带动刮片除去风窗玻璃上的雨雪灰尘。 刮片可分为平面刮片 (图 2)和曲面刮片。轿车挡风玻璃基本上都为曲面，所以普遍采用曲面刮片。 刮臂的结构如图 3 所示，雨刮臂顶端与雨刮轴固定 ，止动杆通过销轴与顶端铰接，摆杆弹簧将摆杆拉紧，由此产生雨刮压力。雨刮臂顶端与雨刮轴的连接方式有两种，一种是用细齿花键连接，此种方法装配简便，但不能微调；另一种是用锥形头连接，使用较广泛 3。 4.3 相关车身部件 概述 整个 雨刮 系统是安装在水槽总成 (如图 4 所示 )中， 水槽总成位于前围板 (图中未显示 )的上方 ， 是一个 呈凹槽形 的半封闭空间，其主要功能是收集 前挡风玻璃下泻 的 雨水，通过两侧的排水孔排出车外；作为轿车空调系统的进风口；用于放置各种电气线束；凹槽形结构增强车身横向刚度 ，有助于避免或减少车辆在遭到侧面撞击 时的碰撞损伤，提高轿车的安全性。 图 3 图 4 图 5 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 12 页 整个 水槽总成由五部分组成：前风挡下横梁、内加强板本体、水槽本体、发盖铰链安装板本体及 各种 支架。 各部分通过焊接固定在一起。 水槽总成上方 装有带有方形格栅的 塑料装饰板 (图中未显示 )。 下面简要介绍一下各部分的功能： 1. 前风挡下横梁 主要作为前风挡玻璃的下安装面 。 2. 内加强板本体 对前风挡下横梁和前风挡玻璃起支撑作用。 同时，其上焊有仪表板、制动踏板 、离合器踏板 等 部件 的安装 和支撑 支架；如图 4 所示在其右侧有空调系统的进风口 ，为避免水流进入空调系统，进风 口位置要高出内加强板本体底部15 20mm。整个内加强板底部 一般 被设计成中间高两边低的结构，这样有利于排水。 3. 水槽本体 与内加强板焊接在一起，组成 凹形 水槽。 同时，其 又 与前围板 以及前地板 焊接在 一起形成一道隔板 ,将发动机舱与驾驶室隔开，防止 气味进入驾驶室，起隔音、隔热、隔振动的作用。 4. 发盖铰链安装板本体 作为发动机盖铰链的安装板 。 5. 各种支架 内加强板本体中间的一些支架用于加强其强度；内加强板本体与水槽本体之间还有一些支撑支架用于提高两者的连接强度。 还包括其它焊接固定在内加强板本体、前风挡下横梁上的安装支架。 在整个 水槽 总成 的设计中应注意以下几点： a. 水槽本体与内加强板本体之间的配合关系，应保证 对发动机舱的密封； b注意雨刮器的安装位置，减少噪音传入车内； c结构强度设计应采取对撞车有安全保护作用的强化措施； d合理设计流水槽，使得流入或吸入的雨水能沿流水槽排出； e. 设计内加强板 本体 时，应考虑左置方向盘与右置方向盘的通用性 ； f 各部件之间的 焊点 应合理 布置， 便 于焊接； g 各冲压件应注意保持一定的冲压方向。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 13 页 4.4 雨刮器原有设计的分析 奇瑞 A21 轿车前风窗雨刮器原有设计 (如图 5 所示 )，雨刮电机处于整个机构的 右侧，其所处的位置正好位于空调进风口附近，这对轿车的通风是不利的。雨刮电机通过中间一根很长的连杆来传递运动，整个结构显得很不紧凑，占用空间也较多，同时这也带来了拆装上的不便。从图中可以发现，整个雨刮系统是通过很多安装点与车身相连，这不仅增加了车身焊装的工作量，对整个车身的降噪也是不利的。 图 6 故根据现有的空间，可将雨刮电机改为中置式的，这样能使整个机构更为紧凑。 4.5 雨刮器及相关车身部件的改进设计 4.5.1 雨刮器的改 型 设计 及 位置 布置 整个 设计流程图如图 6 所示 。 图 7 视野校核 电机选择 电机位置布置 连杆机构设计 车身部件设计 动态干涉分析 静态干涉分析 刮刷频率选择 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 14 页 一、 视野校核 雨刮器设计的第一步是确定雨刮器转轴的位置，雨刮转轴 位置的布置决定了雨刮器刮刷面积的大小。雨刮器的刮刷面积直接影响行车安全。刮刷面积的确定一般有两种方法： SAE 眼椭圆法和 EEC 视点法。根据改型设计的要求，可 选 用 原有设计的雨刮转轴位置，但必须 校核 其刮刷面积是否符合相关国家标准 (即根据 EEC 视点法 )。 1、 根据 GB/T11563-1995(汽车 H 点确定程序 )确定汽车的 R 点 。 R 点 (即乘坐 基准点 ),是指制造厂规定的设计 H 点。 H 点是指三维 H 点装置 (图 7)的躯干和大腿的铰接中心，它位于此装置的两侧 H 点标记钮 (图 7 中 13 所指 )间的装置的中心线上。根据原有 设计 数据 ， 奇瑞 A21 轿车的 R 点三维直角 坐标为 (1365,-357.5,305.3)(单位： mm，下同 )。 2、 根据 GB11562-1994(汽车驾驶员前方视野要求及测量方法 )确定 V 点。 V 点是表征驾驶员眼睛位置的点，它与通过驾驶员乘坐位置中心线的纵向平面、 R 点及设计图 8 图 9 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 15 页 座椅靠背角有关。此点用于检查汽车视野是否 符合要求。通常用 V1、 V2 两点来表示V 点的 不同位置 (如图 8 所示座椅靠背角为 25时 V 点的确定 )。 根据 V 点确定方法，分别计算出 当设计座椅靠背角为 25时 V1 点坐标为 (68,-5,665)， V2 点坐标为(68,-5,589)。 3、根据 GB11556-1994(汽车风窗玻璃除霜系统的性能要求及试验方法 )确定 A、B 和 A/区域。 A 区域 (图 9)是 指 从 V 点 (即 V1 和 V2 点 )按一定方向和角度向前延伸的四个平面与风窗玻璃外表面相交的交线所封闭的面积。 A/区域是以汽车纵向中间平面为基准面，与 A 区域相对称的区域。 B 区域 (图 10)类同上述确定方法 6。 图 10 注： (1) 汽车纵向对称平面的迹线 (2) 经过 R 点的纵向铅锤平面迹线 (3) 经过 V1、 V2 点的纵向铅锤平面迹线 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 16 页 图 11 按照 GB11556-1994 和 GB/T11565-1989(轿车风窗玻璃刮水器刮刷面积 )规定的技术要求，雨刮器的刮刷面积不得小于 A 区域的 98%， B 区域的 80%。图 11 所示是在CATIA 软件中将 以上各点及各区域 建模出的情况。 应用 CATIA 中测量工具，可以准 图 12 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 17 页 确地测出 A、 B 区域的面积 分别为 0.117m2、 0.602 m2。 4、 根据原有设计雨刮转轴的位置，确定刮 刷区域的大小。 应用 CATIA 软件线架构与曲面模块构建出 左右两个 扇形 刮刷 区域 (如图 12 所示 )。 图 13 通过 CATIA 软件内的测量工具可以获得 A 区和 B 区实际刮到的面积分别为0.117mm2、 0.532 mm2，分别占 A、 B 区域面积的 100%和 88%，已经符合国标要求。 故可以采用原有设计的雨刮转轴位置。 二、 雨刮器刮刷频率选择 雨刮刮刷频率过高或者过低，都会影响刮水效果。根据 JB3033-81 选择高速刮刷 频率为 65 次 /分，低速刮刷频率为 45 次 /分。 三、 雨刮电机选择 轿车风窗刮水器电机基本上都采用双速直流铁氧 体永磁电机 4。 根据已有数据，刮臂对风窗玻璃的 每米 压力为 15N，而刮臂长度为 0.5m, 故雨刮对玻璃的压力 F 为 7.5N5。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 18 页 电动机负荷按如下公式计算： )mN( LFnT 0 式中： n 刮片数； 刮片胶条与玻璃的摩擦系数 (取 1.0 1.2)； F 雨刮对玻璃的压力； L 雨刮臂长度。 故电动机负荷 为 m)(N 625.85.05.715.12T0 电动机制动 转 矩 为 )m(N 64.2435.0 625.835.0 TT 02 电动机的公称力矩的经验公式为： L210 TKK TT 式中： K1 连杆的传递系数 (取 0.8 1.0)； K2 电压下降时转矩减小比 (取 0.7)； LT 传动机构内摩擦等因素造成的力矩损失 (双刮片时为 1 mN ，三刮片时为 1.5 mN )。 故电动机的公称力矩为 m)(N 29.517.09.0 6 2 5.8T 以计算所得的公称力矩和制动转矩作为电动机的设计依据，选择合适的电动机。根据已有雨刮电机的参数，选择型号为 ZD1530 的雨刮电机，其基本参数为： 空载电流：低速 2.0A，高速 2.5A； 负载电流：低速 6.5A， 高速 7.5A； 额 定转矩： 5.780 N m 制动转矩： 28.42 N m nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 19 页 四 、 连杆机构设计 及电机位置的布置 整个连杆机构 (如图 13 所示 )，是由 曲柄、左连杆、右连杆、左摇臂、右摇臂等 图 14 杆件组成。曲柄一端与蜗轮蜗杆减速器的 输出轴固连，曲柄另一端有两个直径相同 的球头， 球头与连杆的端部的球窝组成球铰。由于雨刮左右转轴存在一定的角度，采用球铰运动副可以 使机构被过约束。设计连杆机构时，已知的参数有左右转轴的 位置，左右摇臂也可以采用原有设计，左右摇臂的两个极限状态亦可知，曲柄也采用原有设计，主要需要确定电机的位置 ， 连杆的 参数、形状及固定杆的参数、形状。 1、 布置 电机 的 位置 。电机的位置由原有设计的偏置式改为中置式，电机位置的移动必须考虑对现有水槽空间的利用 ； 同时在切入深度较小的情况下，可以考虑向内加强板本体后 面 (或 水槽本体前面 )切入 一定 的 深度 。经试移动发现，水槽本体前 面所剩空间不多 (如图 14 所示 ),图中电机前方有一鼓包 ，鼓包所围出的空间是为真空助力器所留，因真空助力器占空间较大，移动一下会导致整个发动机舱内的部件重新布置，故电机偏向内加强板 本体一侧布置。 根据移动电图 15 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 20 页 机的情况发现，电机不可避免地切入内加强板 本体。 考虑冲压件的设计要求，在 改进内加强板 本体 时 ，尽可能减少电机的切入深度；同时，设计鼓包结构时须注意与内加强板本体原有的冲模方向保持一致。 电机的位置布置还必须考虑连杆的连接。 2、 连杆的确定。左右连杆的长度一般近似相等，连杆两端的连接均采用球铰。根据电机的大致位置及 单侧摇臂的一个极限位置先大致确定一根连杆的状态 。 在使用CATIA 软件设计时，可以采用自上而下关联设计的方式 (在设计一个部件的时候，其某些特征是引用所在装配体内的其他部件的某个特征为参照，两者发生几何关联，当被引用部件的 相关特征发生改变时，引用部件的关联特征也发生改变 )。 连杆的球窝与摇臂上固结的球头发生关联，而连杆的杆体部分又根据球头而设计 。 当连杆任意一端的球头位置发生改变时 ，连杆的长度也发生相应变化。 两根连杆与曲柄接触的地方为关联点，当拖动电机或曲柄的位置时，两根连杆可始终保持与曲柄的球铰结构，而相应 的 杆长 发生变化。在设计连杆的同时，可随时进行运动分析以确认连杆结构满足刮刷要求 (本文将下一节论述运动分析的具体做法 )，同时还需注意连杆结构不与车身部件发生干涉。 下 面对连杆机构 所得数据 进行校核 ， 整个连杆机构可以作为两个 曲柄连杆机构分别校核。主要 需要 校核的参数有： (1)、各杆长度是否符合曲柄最短，且曲柄与最长杆长度之和小于另二杆长度之和 的原则； (2)、保证机构无急回现象，即摇臂行程速度变化系数 K1.05； (3)、最小传动角 min 35。 对 右曲柄连杆机构， 根据 CATIA 软件的测量， 各 设计参数 分别是 曲柄 工作长度L1=40mm，右连杆工作长度 L2=256mm， 右摇臂工作长度 L3=53mm， 减速器输出轴中心到雨刮 右 转轴的距离在 右曲柄连杆机构工作平面投影长度 L4=255mm。 由此可知 ，曲柄为最短杆，曲柄与最长杆 长度之和 (296mm)小于另二杆长度之和 (308mm)。 极位角 )LL(2LL)LL(La r c c o s)LL(2LL)LL(La r c c o s124232122 4124232122 41 )40256(255253)40256(255a r c c os)40256(255253)40256(255a r c c os 222222 77.1 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 21 页 则摇臂行程速度变化系数 05.102.177.118077.1180180180K111 故右曲柄连杆机构无急回现象。 最小传动角 322142322m i n L2L)LL(LLa r c c o s 右532562 )40255(53256a r c c o s222 354.35 满足要求 。 对左曲柄连杆机构， 根据 CATIA 软件的测量，各 设计参数分别是左连杆工作长度 L5=274mm， 左 摇臂工作长度 L6=61mm，减速器输出轴中心到雨刮 左 转轴的距离在 左曲柄连杆机构工作平面 投影长度 L7=281mm。由此可知，曲柄为最短杆，曲柄与最长杆 长度之和 (321mm)小于另二杆长度之和 (335mm)。 极位角 )LL(2LL)LL(La r c c o s)LL(2LL)LL(La r c c o s167252162 7167252162 72 )40274(281261)40274(281a r c c os)40274(281261)40274(281a r c c os 222222 21.1 则摇臂行程速度变化系数 05.101.121.118021.1180180180K222 故 左 曲柄连杆机构无急回现象。 最小传动角 562172526m i n L2L)LL(LLa r c c o s 左612742 )40281(61274a r c c o s222 357.51 满足要求。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 22 页 此处左右两根连杆杆长并不完全相等， 如图 16 所示电机最终所处的位置接近整个水槽总成的最窄处 ，电机现在偏离两雨刮转轴正中间大约 10mm，但这样布置的好处是： 电机 所在 位置 尽量减少 了其 切入内加强板本体的深度， 鼓包结构 也 注意避让 了制动踏板的安装点 ；电机没有切入水槽本体 ，仅影响内加强板本体， 尽量 缩小 影响面 。根据以上各项校核，按此设计的连杆机构符合使用要求。 图 16 3、固定杆的确定。 固定杆两端 各有一个与雨刮转轴相配合的长圆柱孔，这样根据雨刮转轴 就可以首先确定固定杆两端的 结构 。固定杆一般是由管料根据雨刮系统的布置 弯 制 成的。在 CATIA 软件里，通过 线架构与曲面设计模块可以先确定固定杆的脊线，再用扫掠 (一定形状的截面按照一定的轨迹运动获得 的特征 )的方法获得杆的形状 。如图 16 所示，固定杆中间折了两下，主要是 为了 避让水槽本体的鼓包结构。 在设计过程中，通过采用 CATIA 软件，可以将固定杆设计成只在一个平面内发生弯折，这样既简化了结构又减少了生产中的工作量。固定杆左右各有一个 安装点 ，固定板上左右各有一个耳板结 构与之配合。 为简化设计直接采用原有安装点 ，耳板结构也根据安装点设计。 至此，雨刮器的连杆机构设计基本完成。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 23 页 4.5.2 相关车身部件的设计 此次雨刮器改进设计主要涉及 下面几个车身零件的设计：前风挡下横梁、内加强 板本体、水槽本体的改进设计，电机 安装 板的重新设计。 1、 车身部件的特点 轿车车身一般由大约 400 件冲压件焊接而成，其中大型冲压件有 20 余种，包括 前围后围骨架等结构件以及发动机罩、翼子板、顶盖等大型覆盖件。轿车车身的 冲压件，特别是车身的大型覆盖件，基本上都是空间曲面，而且形状复杂，结构尺寸大，故在 用 CATIA 设计车身时，所有车身部件均处于同一直角坐标系下，所有部件建模均在空间中进行，这与一般机械产品建模有很大区别 ，建模难度较大 。在设计车身 冲压件 时，必须确定一个冲 模 方向，所有结构设计都必须考虑是否符合冲 模 方向。 2、 前风挡下横梁、内加强板本体、水槽本体的改进设计 下图所示为 前风挡下横梁、内加强板本体、水槽本体的原有设计。 图 17 根据电机的布置和连杆机构的设计，对上述各件作了改进。主要有以下几点： (1)、 考虑 左摇臂的旋转空间，去掉图 17 中 6 处前风挡下横梁的耳板，又基于对称性原则，将与 6 处关于 汽车纵向中间平面对称的另一 处耳板 (1 处 )也去掉； (2)、考虑右摇臂的旋转空间，去掉图 17 中 3 处前风挡下横梁的耳板； (3)、考虑曲柄的旋转空间，去掉图 17 中 4 处前风挡下横梁的耳板，又基于对称性原则，将与 4 处关于汽车纵向中间平面对称的另一处耳板 (2 处 )也去掉 ； (4)、由于雨刮电机中置，原先电机控制线路从图 17 中 8 处的孔进，现改为从图17 中 7 处的孔进。故水槽本体在冲压时， 8 处不再冲孔，改在 7 处 冲孔 ； nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 24 页 (5)、图 17 中 5 处由于电机 切入内加强板本体，需设计一鼓包结构 。 如 图 18 所示 为 改进后的设计 ，以上改 进设计主要应用 CATIA 软件的 自由风格曲面造 型 、优化及截面线设计模块及创成式曲面外形设计与优化模块。 图 18 3、电机 安装 板的重新设计 电机 安装 板是本次设计中比较难建模的一个件，总计 195 个特征。下面就 建模时比较关键 的几点作一说明。 (1)、 确定冲模方向。如图 19 所示 ，由于 电机依靠三个安装点固定在电机 安装 板上，且电机输出轴垂直于安装平面，故选择电机输出轴轴线方向为冲模方向； (2)、 电机安装板一般都固定在连杆机构的固定杆上。固定方法有两种：径向凸点焊和边缘烧焊。 对于这种跨越固定杆的冲压件，一般采用凸 点焊，故设计时应尽可能增大接触面积，同时接触部分的形状应尽可能与杆的外表面保持一致，这样便于施焊。 (3)、 电机安装板 应当有一定的截面形状变化，以提高其抗弯和抗扭刚度； (4)、为减少雨刮电机的噪声传入车内 ，在电机固定板与车身件连接的地方都应使用橡胶垫； (5)、 电机安装板设计中应保证工件弯曲半径大于板材料的最小弯曲半径，若工件弯曲半径小于板材料的最小弯曲半径，则应进行两次弯曲 ； (6)、 适当地在电机安装板弯曲的地方布置加强筋以增加弯曲变形区的刚度和塑性变形程度； (7)、电机安装板不应与其它件存在干涉。 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 25 页 图 19 4.6 雨刮器的干涉分析 干涉分析 主要 是检验 组成装配体的 零 部 件 几何体 之间是否 发生 重叠 现象。 雨刮器 的 干涉分析主要包括两部分，一是在 CATIA 软件中的静态 干涉 分析 ，主要是雨刮机构本身的干涉分析 ； 二是在 ADAMS 软件中的动态干涉分析，主要是雨刮系统与车身其它件的干涉分析。 CATIA 软件 装配体设计模块中的静态干涉检查 功能 可以完成 重合情况分析、干涉情况分析、间隙分析及自定义干涉分析等四种类型的干涉分析，图 10 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 26 页 并 可以针对两个部件之间、单件与多个部件之间、所有部件之间等三种 不同接触 情况 。此处主要是针对 雨刮机构处于静止状态时，各部件间的干涉情况做出分析。由图 20可以看到 在 CATIA 软件 中对雨刮系统所有部件 的 重合和干涉 分析情况 。 通过建模过程中随时进行的静态干涉分析，可以使模型更接近实际情况。 以上静态干涉分析最终必须检查出没有干涉，才能保证下面的动态干涉分析的有效性。 下面重点论述一下在 ADAMS 软件 对雨刮系统与车身部件间的动态干涉分析。 主要由以下几个步骤：建立运动学模型；模型数据传递； 施加约束副和驱动； 运动仿真及 动态干涉分析 。 一、 建立雨刮系统 与前风挡下横梁 的运动学模型 在 CATIA 中完成 雨刮系统 与前风挡下横 梁 建模 (如图 21)， 并检查所有部件 没有静态干涉。 图 21 二、模型数据传递 通过 CATIA 与 ADAMS 的接口软件 MSC.SimDesigner for CATIA V5 中的 Gateway模块， 可以 将 CATIA 的模型导入 ADAMS 中。 三、施加约束副和驱动 模型导入 ADAMS 后， 先设置大地坐标系 Z 轴的负向 (-Global Z)为重力方向 (与nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 27 页 CATIA 中的重力方向一致 )，重力大小为 9806.65mm/s2。然后 给各部件 加上 相应的 约束副 (表 1)。 刮片 刮臂 转轴 固定杆 摇臂 连杆 曲柄 电机 大地刮片 固定副刮臂 固定副 固定副转轴 固定副圆柱副平面副固定副固定杆圆柱副平面副固定副摇臂 固定副 球铰副连杆 球铰副 球铰副曲柄 球铰副圆柱副平面副电机圆柱副平面副固定副大地 固定副 固定副 表 1 考虑零件相同，上表 并未区分连杆、刮臂、转轴、摇臂等的左右件。根据 ADAMS 的假设，所有在仿真过程中相对静止的部件均设置为与大地固 定连 结。 刮片 设置为与刮臂固 定连 结，刮臂和 摇臂均设置为与转轴固 定连 结 ，以保证符合原有的刮刷区域。这次动态干涉分析主要是对雨刮系统与前风挡下横梁的 动态干涉情况进行分析，若没有干涉则检查间隙情况。前风挡下横梁主要作为分析参考部件 ，故也被设置为与大地固定连结。 约束副施加完以后，对曲柄与电机之间的 圆柱 副添加驱动，设置其转速为 每秒转动 360 度 ，相 当于雨刮器处于高频工作状态 (刮刷频率为 60 次 /分 )。 图 22 nts江苏大学毕业 (设计 )论文 第 28 页 四、 模型的运动仿真 及动态干涉分析 完成雨刮系统的运动学模型建立后，执行仿真。设置仿真中止时间 (End Time)为 2 秒，仿真工作步 (Step)为 240 步。 图 22、 23 分别为起始位置和