车辆工程毕业设计45轿车雨刮器结构设计与运动仿真
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车辆工程毕业设计论文
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车辆工程毕业设计45轿车雨刮器结构设计与运动仿真,车辆工程毕业设计论文
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本科学生毕业 设计 轿车雨刮器结构设计与运动仿真 系部名称： 汽车 与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 nts The Graduation Thesis for Bachelors Degree Design and Motion Simulation of Windscreen Wiper of Automobile Candidate： PEI LiMei Class： B07-01 Supervisor： Vehicle Engineering Supervisor： Lecturer. YANG Zhao Heilongjiang Institute of Technology nts I 摘 要 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 挡风 玻璃 ，使司机的视线更加清晰。 其功能是将玻璃上的雨水、尘埃、泥污刮净，以获得清晰的视野， 保证行车安全 。 有的国家已将雨刮器的技术状态列入车辆年检项目。 本设计要求进行轿车雨刮器部件尺寸的设计，求解 刮 扫面积，电机选型，电路分析， 利用 ADAMS软件进行运动分析，获得运动的轨迹和速度，并 用 Pro/E绘出三维模型。 运用 三维建模软件 Pro/E 与动力学仿 真软件 ADAMS 建立雨刮器模型，并进行运动仿真，分析雨刮器的运动曲线，对雨 刮器做进一步的设计，力求使刮刷区域 进一步增大， 为生产实际提供理论参考。 关键词： 雨刮器 ； 间歇电路控制； 虚拟设计 ； ADAMS； Pro/E nts II ABSTRACT Windscreen wiper is a small part of automotive but can not be ignored. It can polish the windscreen so that the drivers attention will be more clearly. Its function is to wash the glass to obtain a clear field of vision and ensure the traffic safety. Some countries have had the state of wiper technology projects included into the annual inspection of vehicles. My design requirements are to design the size of the wiper parts in the car, solving the linked scan area, motor selection, circuit analysis, motion analysis using ADAMS software, trajectory and speed of access to and using Pro / E draw three-dimensional model. The use of three-dimensional modeling software, Pro/E, and dynamic simulation software, ADAMS, to establish a model of the wiper, simulate the full motion, analyze the movement curves of wiper, make a further design to the wiper , increase the scratch brush area further , and provide a theoretical reference for the actual production. Key word: Wiper; Intermittent Control Circuit; Virtual Design; ADAMS; Pro/Ents 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 虚拟样机技术 1 1.2 虚拟样机技术的应用及发展 1 1.3 设计的目的意义 2 1.4 设计的基本内容与解决的主要问题 2 1.4.1 研究的 基本 内容 2 1.4.2 拟解决的主要问题 3 第 2 章 轿车雨刮器 . 4 2.1 引言 4 2.2 汽车雨刮器的研究现状 4 2.3 刮水电机 7 2.3.1 刮水电机型号的编制方法 7 2.3.2 减速器的 结构特点 9 2.3.3 刮水电机的控制电路分析 11 2.4 雨刮器 14 2.4.1 雨刮的组成和结构特点 14 2.4.2 雨刮品质的评价 14 2.4.3 刮水器传动机构 16 2.5 雨刮器相关参数的选择 17 2.5.1 雨刮器尺寸初定 17 2.5.2 曲柄摇杆结构设计 18 2.6 刮水电机的选择及蜗轮蜗杆设计分析 20 2.6.1 雨刮电机性能计算 20 2.6.2 雨刮电机蜗轮蜗杆设计分析 22 nts 2.7 本章小结 25 第 3 章 ADAMS 建模分析 . 26 3.1 ADAMS 功能简介 26 3.2 基于 ADAMS 虚拟样 机开发流程 27 3.3 曲柄摇杆机构改进 28 3.4 新模型建立 28 3.5 本章小结 30 第 4 章 Pro/E 模型的建立与装配 . 31 4.1 三维 CAD 建模技术在汽车行业的应用 31 4.2 零件模型的建立 32 4.3 零件模型的装配 36 4.4 本章小结 38 第 5 章 模拟仿真 . 39 5.1 将 Pro/E 装配模型导入 ADAMS 中 39 5.2 给 Pro/E 装配模型施加约束 41 5.3 给 Pro/E 装配模型施加力和驱动进行仿真 42 5.4 绘制出仿真数据分析图 45 5.5 利用函数控制雨刮器进 行间歇刮水 54 5.6 雨刮器刮扫面积的分析计算 55 5.7 本章小结 56 结 论 . 57 参考文献 . 58 致 谢 . 60 附 录 A . 错误 !未定义书签。 附 录 B . 错误 !未定义书签。 nts 1 第 1章 绪 论 1.1 虚拟样机技术 虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它足一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。这些数字模型即虚拟样机 (virtual prototype)，将不同工程领域的开发模型结台在一起，它从外观、功能和行为上模拟真实产品支持并行工程方法学。虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术 21。 虚拟样机技术是在 CAx(如 CAD、 CAM、 CAE 等 ) DFx(如 DFA、 DFM 等 )技术基础卜的发展，它进一步融合信息技术、先进 制造 技术和先进仿真技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期、全系统、并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持 “由上至下”的复杂系统开发模式。 虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的机械产品设计理念。一方面与传统的仿真分析相比，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，而虚拟样机技术则是强调整体的优化，它通过虚拟整机与虚拟环境的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能。另一方面，传统的产品设计方法是一个串行的过程，各子系统（如：整机结构、液压系统、控制系统等）的设计都是独立的，忽略了各子系统之间的动态交互与协同求解，因此设计的不足往往到产品开发的后期才 被发现，造成严重浪费。运用虚拟样机技术可以快速地建立包括控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机，实现产品的并行设计，可在产品设计初期及时发现问题、解决问题，把系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动。 1.2 虚拟样机技术 的应用 及发展 近年来，虚拟样机技术及其应用已经获得重大进展，已经具备处理 日 益复杂的工程问题的能力，被广泛地应用在汽车制造业、 工 程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等不同领域中。世界著名的制造公司在生产开发过程中广泛地应nts 2 用虚拟样机技术，波音飞机公司 777 飞机的设计就是采用虚拟 开 发技术的典型实例，开发周期从通常的 8 午减少到 5 年，设计、装机、测试均是在计算机中模拟完成初 步做到无纸设计，保证了一次试制成功。其它如在克莱斯勒公司，已常采 用 虚拟产品建模。在福特汽车公司，虚拟分析样机已很普遍。 Motorola 也正在研究和利用虚拟样机技术进行 2l 世纪商业和 DoD 的军 用 移动分布式无线全球通讯系统和网络技术的研制，以减低开发设计的风险和成本。虚拟样机技术改变 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 Internet 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。 1.3 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。 1.4 设计 的基本内容 与 解决的主要问题 1.4.1 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。 nts 3 1.4.2 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。 nts 4 第 2章 轿车雨刮器 2.1 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 ，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。 2.2 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 ： nts 5 1、 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。 2、 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 。 3、 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%。 4、 刮 动频率 （ 1） 美国文献介绍 刮动周期 1-20 秒 （ 2） 法国文献介绍 刮动频率 12-40 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 JB3033-81 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 5、 接触面压力 （ 1） 日 本文献介绍 刮片对风窗玻璃的压力 10-15 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 nts 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。 6、 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 7、 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 8、 联动机构效率与摆角 日本文献介绍 联动机构效率 80-85% 刮刷角度 110 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。 9、 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 。 10、 刮动电流 法国文献介绍 刮 动电流 0.1 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 , 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nts 7 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。 2.3 刮水电机 2.3.1 刮水电机型号的编制方法 根据 GB4831-1984 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 2.1。 规格代号见表 2.25。 nts 8 表 2.1 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 2.2 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 大型直流电机 电枢铁芯外径（ mm） -铁心长度（ mm） nts 9 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） 2.3.2 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 2.1 所示 。 图 2.1 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 2.2 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。 摆动输出也有圆柱 齿轮减速的，其基本特点相近。 nts 10 图 2.2 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 2.3 所示 6。 图 2.3 蜗杆圆柱齿轮减速旋转输出结构 nts 11 2.3.3 刮水电机的控制电路 分析 图 2.4 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 2.4 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3、 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 接触片 接线柱 搭铁，此时电动机以低速运转。 当刮水器开关拉到 “ ”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 接触片 接线柱 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 接触片 接线柱 触点臂 5 铜环 9 搭铁，形成回路，如图 2.4b 所示，电动机以低速运转直至蜗 轮旋转到图 2.4（ 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 3、 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 nts 12 图 2.5 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 2.5 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 2.5b 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 串联起来的之路，另一条是线圈 串联起来的支路，即在电刷B1、 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 2.5（ b） 可见，电枢绕组一条由四个线圈 串联，另一条有两个线圈 串联。其中线圈 的反电动势与线圈 的反电动势方向相反，互相抵消后，变为只有两个线圈的反电动势与电源电压平衡，因而只有转速升高使反电动势增大，才能得到新的平衡，故此时转速较高。可见，两电刷间的导体数减少，就会使电动机的转速升高，这就是永 磁三刷nts 13 电动机原理 8。 （ 3） 间歇刮水电路的分析 间隙式电动刮水 器的间歇功能主要靠间歇控制继电器来实现，其 控制电路如图2.6 所示 。 图 2.6 间歇控 制 继电器控制电路 刮水电机通电低速转动，刮水片低速摆动。点火开关接通（ ON）刮水器开关拨至 间歇（ INT）档位时，三极管将有基极电流通过而导通，集电极电流过继电器圈磁化铁心产生吸力吸闭触点，使刮水电机低速电路经过刮水器开关间歇（ INT）档位而接通，刮水电机低速转动，从而带动刮水片低速摆动。 电容器被充电，从而保证 刮 水 片摆动时间。刮水电机转动后，驱动内部凸轮开关迫使接点 “ S” 与 “ +B” 接点连通，电容被充电。由于电容器的充电电流通过三极管的基极，三极管将是始终保持导通，刮水电机也将保持低速转动。这一状态将一直保持到电容器被充电到两端的电压与电源电压相等为止。 刮水电机停转，刮水片停止摆动。当刮水片被电机驱动摆动一次回到自动停止位置时，电机驱动内部凸轮开关迫使接点 “ S” 与 “ +B” 接点断开，使 “ S” 与 “ E”接点连通，此时充足电后的电容器 “ +” 极直接搭铁，电容器 “ -” 极电位瞬变降低，从而导致三极管基极电位迅速降低而截止，继电器线 圈电路切断，铁心吸力消失，触点回到初始位置。与此同时，电机低速电路被切断，电机停止转动。 电容器被反向充电，刮水 片 恢复摆动。电容器 “ -” 极电位降低后，电源电压便nts 14 会经偏置电阻对电容器反向充电，随着电容器电压的逐渐升高，三极管基极电位相应升高至重 新导通，继电器触电又被吸闭，刮水电机低速转动，从而带动刮水片又重 新摆动。上述过程重复出现，实现间歇刮水功能。 三极管截止时间则为刮水片间歇时间，一般为 3s 5s9。 2.4 雨刮 器 雨刮 器 的作用是使刮水器系统达到其最终目的 有效地刮 净风挡玻璃上刮拭范围内的雨水和尘埃， 它是整个刮水系统效果好否的关键部件。 2.4.1 雨刮的组成和结构特点 雨刮分刮杆和刮片两个部分，如图 2.7 所示 。刮杆部分是有接头、刮杆 臂、刮杆等零件组成的一个刚性杆件。接头用以与传动轴输出端相连接，刮臂等零件铰接在接 头的转轴销上，在弹簧的作用下产生合适的压力 p 给刮片中心，是指与风挡玻璃吻合后进行工作。 刮片部分是有桥架、胶条、卡簧、簧片等零件组成。主桥与副桥、簧片所夹持的胶条与桥脚、主桥轴心与刮杆联接部分都合适地铰接着， 以保证与风挡玻璃间具有正确吻合后进行刮拭工作。刮片的桥架多少是 刮片长度和风档玻璃的曲率而定的，胶条 簧片组成的端部仅与桥架端部的一个桥脚固定，其余均可在桥脚间移动，藉此保证胶条的曲线随着风挡玻璃的曲率变化而变化。 图 2.7 雨刮结构 2.4.2 雨刮品质的评价 雨刮的品质是最终反映刮拭效果的关键，一般分下面几个方面进行评判。 （ 1） 外观质量 雨刮表面必须经防眩目处理，以防强光的反射造成对方驾驶员刺眼。一般在金nts 15 属件表面喷涂黑色无光或半光的环氧塑料，喷涂层应与基体有较强的结合，在零件的棱角处观察不应有剥落或漏喷，喷涂面应平整，光洁，不得有擦痕、起泡、挂料、堆积等疵病。 （ 2） 装配质量 雨刮的各铰接部位均应灵活但又不可过份松动 ，非铰接中心轴线处的两平面间不应有明显的转动存在，例如接头与主体 、刮片与铰接座等。 刮片的桥架之间铰接同上一样，桥架脚与胶条的保持部应移动灵活，对刮片进行曲率变化，其反应应灵敏，释放外力后能迅速还原。 刮杆对刮片的压力应合理。一般对曲刮来讲，刮片每米长应有（ 12 16）克的力，测力 的方法如图 2.8 所示 。 图 2.8 刮杆对刮片的压力测量 （ 3） 胶条的材料与质量 刮片的刮拭性能及耐用度最终是反映在胶条上的。 一般胶条是用合成胶及氯丁胶制成，它应能在（ +60 40） C 环境中耐一年以上的老化寿命，并保持一定的弹性恢复性能。硬度在邵尔氏（ 58 62）度 ，在自然状态下应平直，两侧无弯曲波。如图 2.9 所示 。工作时下压的姿态应合理（图 2.10），胶条工作部表面应光滑，棱角清晰，胶条刃 口应平直（图 2.11）。若表面进行氯化或石墨化处理则工作效果更好。 图 2.9 胶条自然状态图 nts 16 1-两侧不应有波纹形； 2-刃口部； 3-工作部； 4-颈部； 5-保持部 图 2.10 胶条工作状态图 刃口好 刃口差 图 2.11 胶条刃口图 2.4.3 刮水器传动机构 刮水器传动机构尺寸种类变化繁多，无统一的型号编制，因为它的专用性较强。其外形、安装尺寸、刮拭角等尺寸参数基本上是由汽车制造厂根据汽车前围的大小、高低及布置空间等要求而确定的。因此，习惯上对传动机构的称呼是根据车型而定的。 传动机构一般由一至三组曲柄摇杆机构及双摇杆机构组成，如图 2.12 所示 。 图 2.12 传动机构典型结构简图 nts 17 四连杆机构的杆件一般由管材或槽钢制成。杆件间的铰接点均是球形关节结构，以弥补杆件运动平面在制造和安装上的误差，球铰节的外套由高能工程塑料制成，因此具有吸收冲击和减少噪音、防止铰接点咬死等优点。在工作时运动灵活、平稳，装配维修时由于是靠零件的弹性过盈进行轴向定位的，故不用专用工具即可方便拆卸 10。 2.5 雨 刮器 相关参数的选择 2.5.1 雨 刮器尺寸初定 初定车窗面积 、刮片长度及刮扫角度如下： 图 2.13 车窗面积及雨刮初步设计图 图 2.14 车窗面积及雨刮初步设计尺寸图 nts 18 根据已知 轿车 实际条件，初选雨刮器的右刮片长度为 350mm， 左刮片长度为400mm。 曲柄与左摇杆之间的距离为 250mm，曲柄与右摇杆之间的距离为 200mm。初定左摇杆为 60mm。 初定刮片 刮 扫角度为 85 度 。 2.5.2 曲柄摇杆 结 构设计 图 2.15 左 雨 刮曲柄摇杆机构计算图 设 曲柄长度为 a， 左连杆长度为 b。 当左摇杆运动到 D 位置时 ， AD=b-a， 当左摇杆运动到 E 位置时 ， AE=a+b 所以 AE-AD=a+b-b+a=2a 由图可知 AD=AB,AE-AD=BE=2a 测量出图中 BE 的长度为 70mm， 则曲柄长度为 35mm， 左连杆长度为 230mm。 图 2.16 右 雨 刮曲柄摇杆机构计算图 nts 19 由三角形余弦定理 2 a b cbac o s222 得 4 0 A B 7)( B C20ABc o s 1 6 5222 4 0 A B BC20ABc o s 8 0222 解得 ： AB=70mm BC=200mm 所以 右 摇杆为 70mm， 右 连杆为 235mm。 根据曲柄 摇杆 各杆长度必须满足以下条件，如图 2.17 所示。 1ACD中 ()A D B C A B C D ()C D B C A B A D 2 B C + A B C D + A DA C D中所以有： A D A B B C C D C D A B B C A D （ 2.1） B C A B C D A D 将公式两两相加，化简可得： AB BC AB CD （ 2.2） AB AD 图 2.17 四连杆机构 nts 20 根据 以上计算 ，初选左右 曲柄摇杆 的尺寸， 如图 2.18 所示 。 图 2.18 曲柄摇 杆机构 由上图可知此铰链四杆机构中有整转副，曲柄为 CF。 2.6 刮水电机的选择及 蜗 轮蜗杆设计 分析 2.6.1 雨刮电机 性能计算 1、 刮水器电机 和刮片、刮杆组装后，刮水器电机负载时的转矩可以用下列公式进行计算： PlnkT （ kgcm） Nm 式中 T:刮水器电机负载时的转矩 （ kg cm） N m； n:刮片的片数 ； l:刮片的长度（ cm） ； P:刮片的压力 （ N）； k:传动杆传动系数 =作用在电机轴上的转矩 /作用在刮水器轴上的转矩 设计中， k 值一般取 1 或小于 1。 ： 挡风玻璃表面与刮片胶条 之间的摩擦系数 。 挡风玻璃表面 状态十分湿润时（ Wet） =0.10.3。 挡风玻璃表面 状态干燥时（ Dry） =0.40.6。 挡风玻璃表面 状态由湿润向干燥过渡中间的半干燥时（ Dump dr
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