【文章內(nèi)容簡介】 機技術(shù)改變 了 傳統(tǒng)的設(shè)計思想，對制造業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。 虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展，使產(chǎn)品設(shè)計可擺脫對物理樣機的依賴，體現(xiàn)了一種全新的研發(fā)模式，它在工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，必將給企業(yè)帶來重大的影響。 虛擬產(chǎn)品的銷售。虛擬樣機技術(shù)和柔性制造技術(shù)已經(jīng)使 虛擬產(chǎn)品銷售成為可能，即企業(yè)先通過虛擬樣機找到客戶，再組織生產(chǎn)。因此企業(yè)在產(chǎn)品制造和市場競爭方面更具靈活性。 企業(yè)間的動態(tài)聯(lián)盟。產(chǎn)品的數(shù)字化使企業(yè)能夠通過 Inter 進行產(chǎn)品信息的快速交流，克服單個企業(yè)資源的局限性，將具有開發(fā)某種新產(chǎn)品所需的知識和技術(shù)的不同組織或企業(yè)組成一個臨時的企業(yè)聯(lián)盟，即企業(yè)間的動態(tài)聯(lián)盟，以適應(yīng)瞬息萬變的市場需求和激烈競爭。 設(shè)計 的目的意義 本設(shè)計的目的，是根據(jù)當(dāng)前的先進設(shè)計理論， 通過所學(xué) 知識，并利用 Pro/E 軟件平臺，對雨刮器做進一步的設(shè)計，力求使刮刷面積進一步增大，使得司機在任 何時候都有一個清晰的視野，提高汽車行駛安全性。 設(shè)計 的基本內(nèi)容 與 解決的主要問題 研究的 基本 內(nèi)容 雨刮器總成含有電動機、減速器、四連桿機構(gòu)、刮水臂心軸、刮水片總成等 。本設(shè)計要求進行捷達轎車雨刮器部件尺寸的設(shè)計，求解 刮 掃面積等； 要選擇電機的型號 ，分析 雨刮器的控制 電路 及間歇電路，分析電機的自動回位裝置，確定雨刮器的硬件的尺寸等，求解雨刮器的刮掃面積， 利用 ADAMS 軟件進行運動分析，獲得運動的軌跡和速度，并 運用 Pro/E 繪出三維模型。 3 擬解決的主要問題 解決問題： （ 1） 分析雨刮器 電子間歇控制電路； （ 2）分析雨 刮器的自動回位裝置； （ 3）確定雨刮器的控制方式； （ 4）優(yōu)化雨刮器傳動機構(gòu)； （ 5） 確定刮刷區(qū)域，并計算 最大刮刷面積 ； （ 6）實現(xiàn)雨刮器的運動仿真； （ 7）最終實現(xiàn)三維模型建立 (Pro/E)。 解決方法： （ 1）分析比較不同車型的控制電路及間歇控制電路，選擇其中一種 ； （ 2）分析其他車型的自動回位裝置，選擇合適的 ； （ 3）比較分析不同雨刮器的控制方式 ， 選擇一種 ； （ 4）分析比較其他車型的傳動機構(gòu)，選擇合適的優(yōu)化傳動機構(gòu) ； （ 5）查閱參考資料中求解雨刮器的算法 ； （ 6）學(xué)習(xí) ADAMS 軟件，實現(xiàn)雨刮器的運動仿 真 ； （ 7）學(xué)習(xí) Pro/E 軟件，建立雨刮器的三維模型。 4 第 2章 轎車雨刮器 引言 汽車風(fēng)窗玻璃上時常會附著雨雪和塵土，如果不及時擦拭干凈 ，將會影響駕駛員的視線，對行車安全帶來很大不利。為了確保擋風(fēng)玻璃清潔明亮，汽車上都裝有風(fēng)窗雨刮器。其功能是將玻璃上的雨水、塵埃、污垢刮凈，以獲得清晰的視野，保證行車安全。 汽車雨刮器，是一個很小卻又不容忽視的汽車部件，它能擦亮汽車的“ 雙眼 ” ，使司機的視線更加清晰。 汽車雨刮器是用來清掃汽車風(fēng)窗玻璃上的雨雪和塵埃的裝置， 一旦 它 失去作用，將直接影響到司機雨天駕駛視野的清晰度 。雨刮器看似結(jié) 構(gòu)簡單，但是從驅(qū)動電機到最終的刮刀的結(jié)構(gòu)尺寸和運動方式都決定雨刮器的性能。 雨刮器雖然是汽車的附件，但 很多汽車制造企業(yè)將雨刮器列為汽車的安全部件 , 并將雨刮器的一些功能特性 (如刮刷頻率 )列為安全特性 ,由此可見，雨刮器與汽車的安全性能有著緊密的關(guān)系，是我們不容忽視的汽車部件。 目前國內(nèi)外的雨刮器都不能消除刮掃死角，本次設(shè)計也不能完全消除刮掃死角，但力求 刮 掃面積增大，使司機可以盡量有最寬闊的視野。 汽車雨 刮 器的 研究現(xiàn)狀 雨刮器 總成含有電動機 、減速機、四連桿機構(gòu)、刮水臂心軸、掛水片總成等。當(dāng)司機按下雨刮器的開關(guān)時，電動機啟動，電動機的轉(zhuǎn)速經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速增扭作用驅(qū)動擺臂，擺臂帶動四連桿機構(gòu) 、 四連桿機構(gòu)帶動安裝在前圍板上的轉(zhuǎn)軸左右擺動，最后由轉(zhuǎn)軸帶動雨刮片刮掃擋風(fēng)玻璃。 雨刮器的種類很多 , 按安裝位置分 , 有頂置、底置、側(cè)置、前后置和內(nèi)外置等 。按雨刮范圍分 , 有局部雨刮、整體雨刮、單面雨刮和雙面雨刮 。按運動方式分 , 有四桿機構(gòu)左右擺動式、導(dǎo)軌式直線和弧線運動式 。按制作材料分 ,有普通黑膠體雨刮器、透明塑料體雨刮器和磁性體雨刮 器 。 目前 ,車輛上廣泛使 用 的是曲柄 連桿機構(gòu) 黑膠體雨刮器。 國外對汽車電動雨刮器的性能要求 ： 5 耐久性能 美國標(biāo)準(zhǔn) 1975 年 SAEJ903b 推薦 （ 1） 總成耐久試驗 （ 2） 刮片耐久試驗 （ 3） 橡膠片耐久試驗 日 本標(biāo)準(zhǔn) 1976 年 JISD5710 推薦 （ 1） 橡膠片耐久試驗 （ 2） 總成耐久試驗 試驗后搖臂的壓力變化和試驗前相比應(yīng)在 15%以內(nèi) , 搖臂和刮片的各部分不應(yīng)有明顯的松弛、松動（配合、間隙等）或其他有害缺陷的產(chǎn)生。 強度性能 美國標(biāo)準(zhǔn) 1975 年 SAEJ903b 推薦 在刮動過 程中阻擋搖臂 15 秒 ， 試驗后應(yīng)仍能正常工作 。 刮刷性能 美國標(biāo)準(zhǔn) 1975 年 SAEJ903b 推薦 耐久試驗 試驗后刷凈性能仍應(yīng)達到 75%。 刮 動頻率 （ 1） 美國文獻介紹 刮動周期 120 秒 （ 2） 法國文獻介紹 刮動頻率 1240 次 /分 （ 3） 美國文獻介紹 間隔 3 秒較普遍 （ 4） 英國文獻介紹 適應(yīng)極細雨時用 , 頻率和間歇均能獨立控制。 （ 5） 美國文獻介紹 傾盆大雨時 的 刮刷頻率可高達 80 次 /分 ,高于上述頻率則雨刮將在風(fēng)窗玻璃水而 上 浮掠而過 , 破壞刮水性能 。 （ 6） 根據(jù) JB303381 規(guī)定，高頻刮拭頻率為 71465?? 次 /分，低頻為 101245?? 次 /分。頻率之差 10 次 /分 接觸面壓力 （ 1） 日 本文獻介紹 刮片對風(fēng)窗玻璃的壓力 1015 克 /公分 。 （ 2） 日本文獻介紹 接觸面壓力 低速 10 克 /公分 高速車 15 克 /公分 （ 3） 美國文獻介紹 汽車速度大于 60 哩 /時 , 則刮片將受到空氣的浮力而降低刮刷性能 6 （ 4） 日本文獻介紹 在汽車速度為 100 公里 /時 , 400 毫米長的刮片受到 200 克的空氣浮力 , 使刮刷效果惡化 , 此時為了改善其刮刷性 能 , 最低需要 400 克的壓力。 橡膠片與摩擦系數(shù) 美國標(biāo)準(zhǔn) 1975 年 SAEJ903b 推薦 （ 1） 耐久試驗 （ 2） 化學(xué)試驗 日 本標(biāo)準(zhǔn) 1976 年 JISD5710 推 薦 耐久試驗 工作溫度范圍 美國標(biāo)準(zhǔn) 1975 年 SAEJ903b 推薦 （ 1） 工作溫度范圍 55 士 3℃一 （ 2） 高溫試驗 溫度 55 士 3℃ 最高速連續(xù)工作 1/2 小時 （ 3） 低溫試驗 溫度 30 士 5℃ 最高速連續(xù)工作 1/2 小時 法國文獻介紹 工作溫度范圍 30℃ 80℃ 聯(lián)動機構(gòu)效率與擺角 日本文獻介 紹 聯(lián)動機構(gòu)效率 8085% 刮刷角度 ≯ 110186。 如超過此限度 , 則尺寸誤差變得敏感、且易越過死點 , 致使效率下降。 刮 動扭矩 日本文獻的介紹 刮動扭矩大于 50 公斤 厘米隨著風(fēng)窗玻璃的大型化 , 刮片長度大于 280 毫米的越來越多 , 刮動扭矩也隨著增大 , 超過了 50 公 斤 厘來 。 刮動電流 法國文獻介紹 刮 動電流 安培 國外對雨刮器的設(shè)計要求都有了明確并且高標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 [4]。 而 我國現(xiàn)階段的雨刮器發(fā)展現(xiàn)狀是新產(chǎn)品喜憂參半 , 老產(chǎn)品一統(tǒng)天下。 （ 1） 新產(chǎn)品喜憂參半。由于冬季車輛內(nèi)外溫差大 ,常常在車內(nèi)擋風(fēng)玻璃上結(jié)有很厚的一層冰霜 , 必須使用熱水布反復(fù)擦除才能保證正常的視覺效果 , 于是發(fā)明了雙面雨刮器。雙面雨刮器的不足是 , 外雨刮片是車外物體 , 內(nèi)雨刮片與其一起聯(lián)動 , 7 容易分散駕駛員注意力而引起視覺疲勞 , 危害行車安全。通過改進 , 把內(nèi)雨刮片改成磁條式的 , 無機械聯(lián)動 , 需要時貼上 , 用完后取下 , 很方便。但是實際使用中發(fā)現(xiàn)磁性大小很難控制 , 更麻煩的是加大磁場作用效果時 , 干擾車內(nèi)電子設(shè)備 , 用手機做測試 , 通話質(zhì)量差 , 甚至車內(nèi)收放音設(shè)備無法正常工 作。 局部雨刮一直是現(xiàn)用雨刮器的缺陷 , 小范圍雨刮后視覺效果差 , 影響駕駛員對前方全景的正確判斷。經(jīng)過不斷改進 , 把雨刮片的曲線 (圓周 )往復(fù)運動改成直線往復(fù)運動 , 雨刮面積加大。但是設(shè)計者把被雨刮的玻璃假想成直面矩形平板式 , 而目前擋風(fēng)玻璃更多的是流線圓弧形等形狀 , 直線整體雨刮在弧形玻璃上無法安裝。 傳統(tǒng)雨刮片的材料是黑膠體 , 技術(shù)人員把它改成透明狀 , 增強了視覺感光效果。在具體測試時 , 遇到雨天夜晚行車 , 打開雨刮設(shè)備 , 各類光源被透明雨刮片折射后與透明棒形成新的“ 發(fā)光棒” , 司機原本可遠距離觀察 , 這時卻被發(fā)光棒來回運動構(gòu)成的發(fā)光“ 墻面”遮掩而眩目。 （ 2） 老產(chǎn)品一統(tǒng)天下。我國車輛工業(yè)近年來快速發(fā)展 , 但是雨刮器作為一種附件 , 其開發(fā)一直得不到應(yīng)有的重視。一方面是用戶的使用和思維習(xí)慣 , 另一方面是新產(chǎn)品的完備性和推廣價值不高。接受和認可新型雨刮器要有一個過程 , 真正的強適應(yīng)性雨刮器開發(fā)出來 , 一定會是中國制造的一大特色。 普通雨刮器經(jīng)久不衰 , 除了沒有可靠的替代品之外 , 另一個很重要的原因就是其質(zhì)量穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、故障率低和易于維修。而前幾種新型雨刮器要么處于試驗階段 ,要么質(zhì)量不穩(wěn)定 , 制造商不敢 投入太多的資金搞推廣 [4]。 由于以上種種原因，我國廣泛應(yīng)用的雨刮器一直沒有新的改進與進展。因此我國現(xiàn)階段的目標(biāo)因該是在一定的技術(shù)要求下，改進老產(chǎn)品的不足，結(jié)合其他新產(chǎn)品的優(yōu)點，設(shè)計出新型的，刮掃面積大的，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定的，經(jīng)濟實用的雨刮器。 刮水電機 刮水電機型號的編制方法 根據(jù) 《 GB48311984 電機產(chǎn)品型號編制方法》中 規(guī)定， 電機 產(chǎn)品 型號 由產(chǎn)品代號、規(guī)格代號、特殊環(huán)境代號和補充代號等四部分按以上順序組成 。 電機產(chǎn)品代號 見表 。 規(guī)格代號見表 [5]。 8 表 電機 產(chǎn)品 代號 序號 電機類型 代號 1 異步電動機 （籠型及繞線轉(zhuǎn)子型） Y 2 同步電動機 T 3 同步發(fā)電機（除汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機外） TF 4 直流電動機 Z ZD 5 直流發(fā)電機 ZF 6 汽輪發(fā)電機 QF 7 水輪發(fā)電機 SF 8 測功機 C 9 交流換向器電動機 H 10 潛水電泵 Q 11 紡織用電機 F 表 主要系列產(chǎn)品的規(guī)格代號 序號 系列產(chǎn)品 規(guī) 格 代 號 1 小型異步電動機 中心高（ mm） 機座長度（字母代號） 鐵心長度（數(shù)字代號） 極數(shù) 2 大型異步電動機 中心高（ mm） 鐵心長度（數(shù)字代號） 極數(shù) 3 小型同步電機 中心高（ mm） 機座長度（字母代號） 鐵心長度（數(shù)字代號） 極數(shù) 4 中大型同步電機 中心高（ mm） 鐵心長度（數(shù)字代號） 極數(shù) 5 小型直流電機 中心高（ mm） 機座長度（字母代號） 6 中型直流電機 中心高（ mm） 或機座號（數(shù)字代號） 鐵心長度（數(shù)字代號） 電流等級（數(shù)字代號） 7 大型直流電 電樞鐵芯外徑（ mm） 鐵心長度（ mm） 9 機 8 汽輪發(fā)電機 功率（ MW） 極數(shù) 9 中小型水輪發(fā)電機 功率（ kw） 極數(shù) /定子鐵芯外徑（ mm） 10 大型水輪發(fā)電機 功率（ kw） 極數(shù) /定子鐵芯外徑（ mm） 11 測功機 功率（ kw） 轉(zhuǎn)速（僅對直流測功機） 減速器的 結(jié)構(gòu)特點 刮水電機的主要輸出形式有兩種：旋轉(zhuǎn)輸出與擺動輸出。減速主要是一級或多級圓柱齒輪減速，蝸桿螺旋齒輪減速。 （ 1） 圓柱齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出 的特點 這種電機 傳動效率高，二級減速為 80%以上，但噪音較難控制，它的大小取決于齒輪的加工精度及裝配體的尺寸精度，一般用于 20W 以 下的電機減速，以增大力矩，如圖 所示 。 圖 二級圓柱齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出結(jié)構(gòu) （ 2） 蝸桿螺旋齒輪擺動輸出 的特點 這種電機 減速傳動的特性與上述相同，但它還將旋轉(zhuǎn)運動改變?yōu)閿[動運動的一套曲柄搖桿機構(gòu)同時置于減速箱內(nèi)，使刮水電機輸出形式直接為擺動，如圖 所示 。在 20W以內(nèi)的刮 水電機中，這種型式較常見，其特點是在車身前圍安裝方便，適應(yīng)性很強，結(jié)構(gòu)緊湊。 10 擺動輸出也有圓柱 齒輪減速的，其基本特點相近。 圖 蝸桿螺旋齒輪減速擺動輸出結(jié)構(gòu) （ 3） 蝸桿 螺旋齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出 的特點 這種減速有時會被稱之為蝸輪蝸桿減速，但實際上刮水電機減速器是一個斜齒輪與蝸桿吻合，所以嚴(yán)格講應(yīng)該稱為螺旋齒輪減速。這類齒輪減速方式的優(yōu) 點是加工成本低、噪音小、沖擊小、結(jié)構(gòu)緊湊、但傳動效率低，約為 50%。一般在 15W 以上的刮水電機中大多用此方式達到減速增大力矩，如圖 所示 [6]。 圖 蝸桿圓柱齒輪減速旋轉(zhuǎn)輸出結(jié)構(gòu) 11 刮水電機的控制電路 分析 圖 自動復(fù)位裝置 （ a）電樞短路制動 （ b）雨刮電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動 （ 1） 電動刮水器的復(fù)位 如圖 刮水器自動復(fù)位裝置示意圖。 在減速渦輪上，嵌 有銅環(huán)，其中較大的一片與電機外殼相連接而搭鐵，觸點臂 5 用磷銅片制成（有彈性），其一端 鉚有觸點，與蝸輪端 面或銅片接觸。 當(dāng)電源開關(guān)接通， 把刮水器開關(guān)拉到： “ I”擋 （低速擋）時，電路為電池正極 →開關(guān) 1→ 熔斷絲 2→ 電刷 B3→ 電樞繞組 → 電刷 B1→ 接線柱 ② → 接觸片 → 接線柱 ③ →搭鐵，此時電動機以低速運轉(zhuǎn)。 當(dāng)刮水器開關(guān)拉到 “ Ⅱ ”檔時，電路為蓄電池正極 → 開關(guān) 1→ 熔斷絲 2→ 電刷 B3→ 電樞繞組 → 電刷 B2→ 接線柱 ④ → 接觸片 → 接線柱 ③ → 搭鐵，電動機以高速 運轉(zhuǎn)。 當(dāng)刮水器開關(guān)推到 0 擋（停止位置）是，如果刮水器刮 水片沒有回到原始位置（停放位置），由于觸點與銅環(huán) 9 接觸，則電流繼續(xù)流入電樞，其電路為蓄電池正極→ 開關(guān) 1→ 熔斷絲 2→ 電刷 B3→ 電樞繞組 → 電刷 B1→ 接線柱 ② → 接觸片 → 接線柱 ①觸點臂 5→ 銅環(huán) 9→ 搭鐵，形成回路，如圖 所示，電動機以低速運轉(zhuǎn)直至蝸 輪旋轉(zhuǎn)到圖 （ a）所示的特定位置，電路中斷 。由于電樞的慣性，電機不可能立即停止轉(zhuǎn)動，電動機以發(fā)動機方式運行，此時電樞繞組通過觸點臂 5 與銅環(huán) 7 接通而短路，電樞繞組產(chǎn)生很大的反電動勢，產(chǎn)生制動力矩，電機停 止轉(zhuǎn)動，使刮水片復(fù)位到風(fēng)窗玻璃的下部 [7]。 （ 2） 電刷調(diào)速 12 圖 雙速刮水電動機的變速原理 (a)結(jié)構(gòu)原理 （ b）電路原理 刮水電動機通常 采用改變 兩 電刷間串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)的方法進行調(diào)速， 如圖 所示。 電刷 B3 為高低速公用電刷， B1 用于低速， B2 用于 高速 ， B1 與 B2 相差 60? 。 電樞采用對稱疊繞式。 永磁式三刷電動機，是利用三個電刷來改變正負電刷之間串聯(lián)的線圈數(shù)來實現(xiàn)變速的。當(dāng)直流電動機工作時，在電樞內(nèi)同時產(chǎn)生反電動勢，其方向與電樞電流的方向相反。如果使 電樞旋轉(zhuǎn)，外加電壓必須克服反電動的作用，即 U＞ e，當(dāng)電樞轉(zhuǎn)速上升時，反電動勢也相應(yīng)上升，只有當(dāng)外加電壓 U 幾乎等于反電動勢 e 時，電樞的轉(zhuǎn)速才趨于穩(wěn)定。 三刷式電動機旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組所產(chǎn)生的反電動勢如圖 所示 ，當(dāng)開關(guān)撥向L 時，電源電壓 U 加在 B1 和 B3 之間。在電刷 B1 和 B3 之間有兩條并聯(lián)支路，一條是有線圈 ① ⑥ ⑤ 串聯(lián)起來的之路，另一條是線圈 ② ③ ④ 串聯(lián)起來的支路，即在電刷B B3 間有兩條支路，各三個線圈。這些線圈產(chǎn)生的全部反電動勢與電源電壓平衡后，電動機便穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。由于有三個線圈串聯(lián)的反電動勢與 U 平衡，故轉(zhuǎn)速較低。當(dāng)開關(guān)撥向 H 時，電源電壓加在 B2 和 B3 之間。從圖