轿车雨刮器结构设计与运动仿真

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 B07 01 班 学生姓名 裴立梅 指导教师 杨 兆 职 称 讲 师 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二 一一年六月 The Graduation Thesis for Bachelor s 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 2011 06 Harbin 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 II ABSTRACT Windscreen wiper is a small part of automotive but can not be ignored It can polish the windscreen so that the driver s 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 E 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 2 7本章小结 25 第 3 章 ADAMS 建模分析 26 3 1ADAMS 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 61 附 录 B 67 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用虚拟 2 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 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 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 1 耐久性能 5 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 高频刮拭频率为次 分 低频为次 分 频 7 14 65 10 12 45 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 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 把内雨刮片改成磁条 7 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 2 5 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 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 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 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 12 2 电刷调速 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 电枢采用60 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 13 见 两电刷间的导体数减少 就会使电动机的转速升高 这就是永磁三刷电动机原理 8 3 间歇刮水电路的分析 市场占有率低 尤其在 CAD 系统集成方面还是刚刚起步 随着我国市场化程度的加 深 市场竞争的加剧 迫使汽车企业必须改变传统的设计 制造 管理 销售模式 来提升企业竞争力和市场应变能力 可以说 实施 CAD 系统是最有效的方式之一 CAD 技术对于中国汽车企业的重要性是不言而喻的 尽管在 2002 年 中国汽车 行业发生 井喷 一时间汽车成为和手机 房子一样炙手可热的商品 中国汽车业就 此迎来了发展的大好时机 同时 国外汽车企业看到了中国广阔的汽车市场 纷纷在 华投资建厂 而国内的汽车公司趁机和国外公司合资 以为可以借助外国公司先进的 技术来提高自身的研发能力 可实际上事与愿违 外国公司并不愿意把先进的技术介 绍给中国的公司 中国公司始终充当着 OEM 的角色 仅仅是外国公司在中国的制造 14 基地 汽车研发水平仍难有所提高 在 2006 年 国家将按照对 WTO 的承诺取消汽车进口配额 步入 21 世纪的中 国汽车工业将受到来自跨国汽车公司的巨大生存压力 以及数字化和产品 技术不断 创新的严峻挑战 因此 全面应用 CAD 技术是中国汽车工业发展过程中的必由之路 应纳入到各个汽车企业的发展战略中 13 2 4 零件模型的建立 根据已知长度建立四连杆机构的曲柄 图 4 1 左摇杆 图 4 2 右摇杆 图 4 3 左连杆 图 4 4 右连杆 图 4 5 图 4 1 曲柄 图 4 2 左摇杆 15 图 4 3 右摇杆 图 4 4 左连杆 图 4 5 右连杆 根据已知建立雨刮臂下部 图 4 6 中部 图 4 7 上部 图 4 8 图 4 9 16 图 4 6 刮臂下部 图 4 7 刮臂中部 图 4 8 左刮臂上部 图 4 9 右刮臂上部 17 建立卡扣 图 4 10 刮片 图 4 11 图 4 12 弹簧 图 4 13 图 4 10 卡扣 图 4 11 左刮片 图 4 12 右刮片 18 图 4 13 弹簧 2 5 零件模型的装配 装配曲柄摇杆机构 如图 4 14 图 4 14 四连杆 装配雨刷刮臂下部装配 图 4 15 装配雨刮臂中部 图 4 16 完成上部装配 图 4 17 图 4 15 装配刮臂下部 图 4 16 装配刮臂中部 19 图 4 17 装配刮臂上部 雨刮臂卡扣装配 图 4 18 刮片的装配 图 4 19 弹簧的装配 图 4 20 完成装配 图 4 21 图 4 18 装配雨刮臂卡扣 图 4 19 装配刮片 图 4 20 弹簧装配 20 图 4 21 装配完成 2 6 本章小结 本章对三维 CAD 建模技术在汽车行业上的应用做了概述 并对 Pro E 的发展和 功能以及优点等做了介绍 运用 Pro E 对雨刮器各零件进行建模 并对雨刮器按照规 定要求进行装配 21 第 3 章 模拟仿真 3 1 将 Pro E 装配模型导入 ADAMS 中 在现代科技的发展和研发进程中 由美国 MDI 公司研发的动力学仿真软 ADAMS 能进行复杂机械系统的动力学仿真分析 在虚拟样机中起着强大的作用 然而其在建模方面也有极大的缺陷 与其它三维软件 例如 Pro E UG Solideworks 在建模方面有着较大的差异 消除在三维建模软件中的模型几何形状和质量特性的误 差 在 ADAMS 中较准确的进行动力学分析 本设计以在美国 PTC 公司推出的 Pro E 软件中建模 通过 ADAMS 软件公司 MDI 公司开发的 MECHANISH Pro Pro E 接口 接口模块 使二者采用无缝连接的方式 不需要退出 Pro E 应用环境 就可以 将装配完毕的总成根据其运动关系定义为机械系统模型 进行定义刚体和施加约束后 将模型导入到 ADAMS view 中 以便进行全面的动力学分析 将 Pro E 中的雨刮器模型导入 ADAMS 软件中 如图 5 1 和图 5 2 图 5 1 雨刮器模型 22 图 5 2 雨刮器实体模型 给零件设置材料如图 5 3 图 5 3 雨刮器设置材料后的模型 23 3 2 给 Pro E 装配模型施加约束 给雨刮器模型施加约束 如固定副 转动副 平面副 如图 5 4 和图 5 5 图 5 4 雨刮器加约束后的模型 图 5 5 雨刮器加约束后的实体模型 24 3 3 给 Pro E 装配模型施加力和驱动进行仿真 对于双速电动机高档位的工作转矩一般为标称转矩的 10 低档位的转矩一般为 标称转矩的 15 根据电机性能计算所求出的高速时的转矩应为 1 875N 低速时的转矩为 1 25N 高速时的摩擦系数取 0 28 低速时的摩擦系数取 0 8 在 ADAMS 中给模型加上转矩 并将改变模型颜色如图 5 6 图 5 6 加转矩后的实体模型 由仿真结果可知所加转矩可以带动雨刮器正常工作 如下图数据分析 对左雨刷 刮片质心在 x y z 轴上运动的速度曲线进行分析 所以由图可知 左刮片在 x 轴正 方向上运动的最大速度为 5 8m s 在 x 轴负方向上运动的最大速度为 3 8m s 在 y 轴 正方向上运动的最大速度为 2 5m s 在 y 轴负方向上运动的最大速度为 2 6m s 在 z 轴上的运动速度为 0 合速度最大值为 5 8m s 最小为 2 5m s 如图 5 7 所示 25 图 5 7 左雨刮的速度曲线图 对左雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角速度曲线进行分析 所以由图可知 左 刮片绕 x 轴和 y 轴的角速度都为 0 绕 z 轴正方向的角速度最大值为 780d s 绕 z 轴 负方向的最大角速度为 780d s 合角速度最大值为 780d s 最小为 0 如图 5 8 所示 图 5 8 左雨刮的角速度曲线图 对右雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的速度曲线进行分析 所以由图可知 右 刮片在 x 轴正方向上运动的最大速度为 5 0m s 在 x 轴负方向上运动的最大速度为 5 0m s 在 y 轴正方向上运动的最大速度为 5 15m s 在 y 轴负方向上运动的最大速 度为 3 8m s 在 z 轴上的运动速度为 0 合速度最大值为 6 8m s 最小为 0 如图 5 9 26 所示 图 5 9 右雨刮的速度曲线图 对右雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角速度曲线进行分析 所以由图可知 右 刮片绕 x 轴和 y 轴的角速度都为 0 绕 z 轴正方向的角速度最大值为 780d s 绕 z 轴 负方向的最大角速度为 780d s 合角速度最大值为 780d s 最小为 0 如图 5 10 所示 图 5 10 右雨刮的角速度曲线图 由此可知 所选电机足够带动雨刮器转动并且达到一定转速 所以所选电机符合要求 27 3 4 绘制出仿真数据分析图 此电机有两档速度 低档速度为 45r min 高档速度为 65r min 1 低挡仿真数据分析 对雨刮器进行仿真 并且对左雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的位移曲线进行 分析 所以由图可知 左刮片在 x 轴正方向上运动的最大位移为 0 3m 在 x 轴负方 向上运动的最大位移为 0 14m 在 y 轴正方向上运动的最大位移为 0 36m 在 y 轴正 方向上运动的最小位移为 0 14m 在 z 轴上的运动位移为 0 合位移最大值为 0 5m 最小为 0 1m 如图 5 11 所示 图 5 11 左雨刮片质心的位移曲线图 对左雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的速度曲线进行分析 所以由图可知 左 刮片在 x 轴正方向上运动的最大速度为 1 1m s 在 x 轴负方向上运动的最大速度为 1 1m s 在 y 轴正方向上运动的最大速度为 0 75m s 在 y 轴正方向上运动的最小速 度为 0 8m s 在 z 轴上的运动速度为 0 合速度最大值为 1 25m s 最小为 0 如图 5 12 所示 图 5 12 左雨刮片质心的速度曲线图 28 对左雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角速度曲线进行分析 所以由图可知 左 刮片绕 x 轴和 y 轴的角速度都为 0 绕 z 轴正方向的角速度最大值为 190d s 绕 z 轴 负方向的最大角速度为 180d s 合角速度最大值为 190d s 最小为 0 如图 5 13 所示 图 5 13 左雨刮片质心的角速度曲线图 对左雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的加速度曲线进行分析 所以由图可知 左刮片在 x 轴正方向上运动的最大加速度为 3 8m 在 x 轴负方向上运动的最大加 2 速度为 6 25m 在 y 轴正方向上运动的最大加速度为 10m 在 y 轴正方向上运 2 2 动的最小加速度为 0 3m 在 z 轴上的运动加速度为 0 合加速度最大值为 2 10m 最小为 0 3m 如图 5 14 所示 2 2 29 图 5 14 左雨刮片质心的加速度曲线图 对左雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角加速度曲线进行分析 所以由图可知 左刮片绕 x 轴和 y 轴的角加速度都为 0 绕 z 轴正方向的角加速度最大值为 870d 绕 z 轴负方向的最大角加速度为 1400 合角加速度最大值为 1400d 2 2 2 最小为 0 如图 5 15 所示 图 5 15 左雨刮片质心的角加速度曲线图 对右雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的位移曲线进行分析 所以由图可知 右 刮片在 x 轴负方向上运动的最小位移为 0 1m 在 x 轴负方向上运动的最大位移为 0 6m 在 y 轴正方向上运动的最大位移为 0 4m 在 y 轴正方向上运动的最小位移为 0 2m 在 z 轴上的运动位移为 0 合位移最大值为 0 625m 最小为 0 2m 如图 5 16 所示 图 5 16 右雨刮片质心的位移曲线图 30 对右雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的速度曲线进行分析 所以由图可知 右 刮片在 x 轴正方向上运动的最大速度为 1 5m s 在 x 轴负方向上运动的最大速度为 1 25m s 在 y 轴正方向运动的最大速度为 1 3m s 在 y 轴负方向上运动的最大速度 为 1 1m s 在 z 轴上的运动速度为 0 合速度最大值为 1 8m s 最小为 0 如图 5 17 所示 图 5 17 右雨刮片质心的速度曲线图 对右雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角速度曲线进行分析 所以由图可知 右 刮片绕 x 轴和 y 轴的角速度都为 0 绕 z 轴正方向的角速度最大值为 240d s 绕 z 轴 负方向的最大角速度为 240d s 合角速度最大值为 240d s 最小为 0 如图 5 18 所示 图 5 18 右雨刮片质心的角速度曲线图 对右雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的加速度曲线进行分析 所以由图可知 右刮片在 x 轴正方向上运动的最大加速度为 9m 在 x 轴负方向上运动的最大加速 2 31 度为 4 0m 在 y 轴正方向上运动的最大加速度为 24m 在 y 轴负方向上运动的 2 2 最大加速度为 0 75m 在 z 轴上的运动加速度为 0 合加速度最大值为 24 最小 2 2 为 0 4m 如图 5 19 所示 2 图 5 19 右雨刮片质心的加速度曲线图 对右雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角加速度曲线进行分析 所以由图可知 左刮片绕 x 轴和 y 轴的角加速度都为 0 绕 z 轴正方向的角加速度最大值为 3000d 绕 z 轴负方向的最大角加速度为 3000 合角加速度最大值为 3000d 2 2 2 最小为 0 如图 5 20 所示 图 5 20 右雨刮片质心的角加速度曲线图 2 高挡仿真数据分析 对雨刮器进行仿真 并且对左雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的位移曲线进行 分析 所以由图可知 左刮片在 x 轴正方向上运动的最大位移为 0 3m 在 x 轴负方 向上运动的最大位移为 0 14m 在 y 轴正方向上运动的最大位移为 0 36m 在 y 轴正 32 方向上运动的最小位移为 0 14m 在 z 轴上的运动位移为 0 合位移最大值为 0 5m 最小为 0 1m 如图 5 21 所示 图 5 21 左雨刮片质心的位移曲线图 对左雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的速度曲线进行分析 所以由图可知 左 刮片在 x 轴正方向上运动的最大速度为 1 5m s 在 x 轴负方向上运动的最大速度为 1 5m s 在 y 轴正方向上运动的最大速度为 1 1m s 在 y 轴负方向上运动的最大速度 为 1 3m s 在 z 轴上的运动速度为 0 合速度最大值为 1 7m s 最小为 0 如图 5 22 所示 图 5 22 左雨刮片质心的速度曲线图 对左雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角速度曲线进行分析 所以由图可知 左 刮片绕 x 轴和 y 轴的角速度都为 0 绕 z 轴正方向的角速度最大值为 260d s 绕 z 轴 负方向的最大角速度为 240d s 合角速度最大值为 260d s 最小为 0 如图 5 23 所示 33 图 5 23 左雨刮片质心的角速度曲线图 对左雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的加速度曲线进行分析 所以由图可知 左刮片在 x 轴正方向上运动的最大加速度为 5 8m 在 x 轴负方向上运动的最大加 2 速度为 14m 在 y 轴正方向上运动的最大加速度为 22m 在 y 轴负方向上运动 2 2 的最大加速度为 7 5m 在 z 轴上的运动加速度为 0 合加速度最大值为 22m 2 2 最小为 6 0m 如图 5 24 所示 2 图 5 24 左雨刮片质心的加速度曲线图 对左雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角加速度曲线进行分析 所以由图可知 左刮片绕 x 轴和 y 轴的角加速度都为 0 绕 z 轴正方向的角加速度最大值为 3000d 绕 z 轴负方向的最大角加速度为 3000 合角加速度最大值为 3000d 2 2 2 最小为 0 如图 5 25 所示 34 图 5 25 左雨刮片质心的角加速度曲线图 对右雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的位移曲线进行分析 所以由图可知 右 刮片在 x 轴负方向上运动的最小位移为 0 1m 在 x 轴负方向上运动的最大位移为 0 6m 在 y 轴正方向上运动的最大位移为 0 4m 在 y 轴正方向上运动的最小位移为 0 2m 在 z 轴上的运动位移为 0 合位移最大值为 0 625m 最小为 0 2m 如图 5 26 所示 图 5 26 右雨刮片质心的位移曲线图 对右雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的速度曲线进行分析 所以由图可知 右 刮片在 x 轴正方向上运动的最大速度为 2 2m s 在 x 轴负方向上运动的最大速度为 1 75m s 在 y 轴正方向运动的最大速度为 2 1m s 在 y 轴负方向上运动的最大速度 为 1 5m s 在 z 轴上的运动速度为 0 合速度最大值为 2 7m s 最小为 0 如图 5 27 所示 35 图 5 27 右雨刮片质心的速度曲线图 对右雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角速度曲线进行分析 所以由图可知 右 刮片绕 x 轴和 y 轴的角速度都为 0 绕 z 轴正方向的角速度最大值为 350d s 绕 z 轴 负方向的最大角速度为 350d s 合角速度最大值为 350d s 最小为 0 如图 5 28 所示 图 5 28 右雨刮片质心的角速度曲线图 对右雨刷刮片质心在 x y z 轴上运动的加速度曲线进行分析 所以由图可知 右刮片在 x 轴正方向上运动的最大加速度为 23m 在 x 轴负方向上运动的最大加 2 速度为 8 75m 在 y 轴正方向上运动的最大加速度为 42m 在 y 轴负方向上运 2 2 动的最大加速度为 12m 在 z 轴上的运动加速度为 0 合加速度最大值为 42 2 2 最小为 9m 如图 5 29 所示 2 36 图 5 29 右雨刮片质心的加速度曲线图 对右雨刷刮片质心绕 x y z 轴运动的角加速度曲线进行分析 所以由图可知 左刮片绕 x 轴和 y 轴的角加速度都为 0 绕 z 轴正方向的角加速度最大值为 6700d 绕 z 轴负方向的最大角加速度为 6700 合角加速度最大值为 6700d 2 2 2 最小为 0 如图 5 30 所示 图 5 30 右雨刮片质心的角加速度曲线图 3 5 利用函数控制雨刮器进行间歇刮水 STEP 函数格式 STEP x 0 1 0 1 参数说明 x 自变量 可以是时间或时间的任一函数 自变量的 STEP 函数开始值 可以是常数或函数表达式或设计变量 0 37 自变量的 STEP 函数结束值 可以是常数 函数表达式或设计变量 1 STEP 函数的初始值 可以是常数 设计变量或其它函数表达式 0 STEP 函数的最终值 可以是常数 设计变量或其它函数表达式 1 编辑函数使雨刷间歇刮水 每分钟刮水 15 次 其函数为 60 0d STEP time 0 0 2 6 60d STEP time 2 0 4 0 60d STEP time 4 0 6 6 60d STEP time 6 0 8 0 60d STEP time 8 0 10 6 60d STEP time 10 0 12 0 60d STEP time 12 0 14 6 60d STEP time 14 0 16 0 60d STEP time 16 0 18 6 60d STEP time 18 0 20 0 60d STEP time 20 0 22 6 60d STEP time 22 0 24 0 60d STEP time 24 0 26 6 60d STEP time 26 0 28 0 60d STEP time 28 0 30 6 3 6 雨刮器刮扫面积的分析计算 编辑函数 PI DM MARKER 89 MODEL 2 PART7 MARKER 13 DM MARKER 89 MODEL 2 PART7 MARKER 13 DM MARKER 90 MODEL 2 PART7 MARKER 13 DM MARKER 90 MODEL 2 PART7 MARKER 13 AZ PART15 cm MODEL 2 ground 360 求得左 刮片的刮刷面积为 0 2415 如图 5 31 2 38 图 5 31 左雨刮刮刷面积 编辑函数 PI DM MARKER 87 MODEL 2 PART2 MARKER 3 DM MARKER 87 MODEL 2 PART2 MARKER 3 DM MARKER 88 MODEL 2 PART2 MARKER 3 DM MARKER 88 MODEL 2 PART2 MARKER 3 AZ PART16 cm MODEL 2 ground 360 求得左刮片的刮刷面积为 0 2169 如图 5 32 2 图 5 32 右雨刮刮刷面积 刮净率如图 5 33 图 5 33 刮刷面积图 39 3 7 本章小结 本章首先将 Pro E 中的模型导入 ADAMS 中进行仿 然后在 ADAMS 中赋予模 型材料 给模型施加约束 并加驱动对模型进行仿真 在后处理模块中提取仿真数据 曲线 并且编剧函数求出雨刮器的刮扫面积 40 结 论 本设计首先对虚拟样机技术进行了概述 介绍虚拟样机技术在汽车行业的运用以 及发展现状 说明虚拟样机技术在汽车及其他行业的发展前景 对 ADAMS 和 Pro E 这两个虚拟样机技术软件发展进行概述 并阐述了 ADAMS 和 Pro E 在汽车方向的应 用和发展 详细的介绍了 ADAMS 和 Pro E 两个软件的各主要模块的功能 以及应用 方向 确定使用 ADAMS 和 Pro E 进行仿真和分析 本文主要对轿车的前风窗雨刮器进行设计 先运用机械原理的知识计算出初步