基于CATIA的運動分析在汽車刮水器設計中的應用

葛 鋒，任丙成，馮麗芳

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

汽車在雨雪天氣行駛時，前擋風玻璃上容易形成雨水或者被雪花覆蓋，妨礙駕駛員視野，影響行車安全。因此，汽車上都配置刮水器清除前擋風玻璃上的雨水、雪或者灰塵等，以提升行車安全性。在刮水器設計中電機的選型主要是采用傳統的簡化載荷計算公式，然后再通過乘以安全系數的手段實現。計算公式如下。

主刮臂刮片勻速刮刷所需轉矩為

副刮臂刮片勻速刮刷所需轉矩為

電機轉矩T=（Tz+Tf）×α

式中：Rz——主刮臂長，m；Rf——副刮臂長，m；Fz——主刮臂壓力，N；Ff——副刮臂壓力，N；Mz——主刮臂刮片總成質量，kg；Mf——副刮臂刮片總成質量，kg；g——重力加速度，9.8 N／kg；θ——玻璃傾角，（°）；μ——摩擦系數，0.8～1.65；α——安全系數，1.2～1.5。

摩擦系數μ范圍大，是因為刮片在擋風玻璃上的濕刮狀態和半干刮狀態所受的摩擦力差別大。安全系數α是為了補償刮水器加速運動、各個關節運動副摩擦、機構變形、刮臂刮片風阻、環境溫度等因素帶來的影響，是依據設計經驗來定義其值的范圍。

上述這種方法只是理論計算刮水器勻速刮刷時帶動主、副刮臂刮片所需要的轉矩之和，再乘以一個以設計經驗得來的安全系數α，然后就得到所需電機的理論轉矩范圍。但是，刮水器刮刷不可能一直勻速刮刷，加上摩擦系數μ和安全系數α都是范圍值，故這個公式得來的電機轉矩值范圍通常很大，難以準確把握真正需要電機輸出的轉矩，并且為保證刮水器工作性能而保守選擇的電機多數會造成電機功率的浪費，以及太大的電機轉矩在遇到刮水器意外受阻堵轉的情況下也會破壞刮水器內部機構。

本文主要介紹一種刮水器 （江淮和悅RS刮水器）運動模型的建立及分析過程，通過對刮水器相關部件關節運動副建立運動模型，模型建立后通過運動規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準確地定義電機選型的指導計算公式。

1 刮水器組成及運動原理

江淮和悅RS刮水器組成如圖1所示。電機及減速機構整體封裝在電機及支架中，減速器輸出軸轉動帶動電機曲柄做圓周運動，通過主刮連桿將運動傳遞到主刮擺桿往復擺動，主刮擺桿與主刮輸出軸鉚接在一起，從而帶動安裝在主刮輸出軸上的主刮臂做往復擺動；同時主刮擺桿帶動副刮連桿將運動傳遞到副刮擺桿做往復擺動，副刮擺桿與副刮輸出軸鉚接在一起，從而帶動安裝在副刮輸出軸上的副刮臂做往復擺動。最后，刮臂帶動刮片做往復擺動，刮刷去前擋風玻璃上的雨水、雪或灰塵等。

2 運動模型建立與分析［1］

2.1 各關節運動副的分析

圖1刮水器中共有7個運動關節，其對應的運動部件、結構以及對應CATIA中各運動副和相應自由度關系見表1。

表1 各運動關節分析表

2.2 運動模型的建立

電機及其減速機構和轉軸軸套可以整體作為一個固定的部件，電機輸出軸及其曲柄作為一個整體部件，每個擺桿和相對應的輸出軸因為是鉚接固連關系分別作為一個整體部件，各個連桿分別作為一個整體部件。按照上述將各整體部件裝配好后，把CATIA轉到數字化裝配的DMU運動機構模塊中，單擊 ， 彈出 “Joint Creation：Revolute” 對話框，單擊對話框中 “New Mechanism”建立新運動機構。選取電機和電機輸出軸兩個部件的運動轉軸及貼合平面，建立運動關節1。

限于篇幅，其他關節的建立就不一一贅述。最終模型建立后的效果見圖2。

2.3 建立刮水器運動

2.3.1 刮水器運動規律

GB 15085—2013《汽車風窗玻璃刮水器和洗滌器性能要求和試驗方法》中第4章性能要求對刮水器的刮刷頻率有如下規定：①刮水器至少應有2種刮刷頻率；②一種刮刷頻率不低于45次／min；③一種刮刷頻率不低于15次／min，且不高于55次／min；④最高的刮刷頻率和其中一種低的刮刷頻率之間的差不低于15次／min。

現在設定刮水器高速刮刷時的頻率是60次／min，即1次／s。對應刮水器電機軸轉速應為1轉／s，即360°／s。

2.3.2 刮水器運動規律的建立

使用CATIA中的關系公式建立刮水器的運動公式，步驟如下。

選中 “Mechanism.1”， 單擊 “知識” 工具欄中的 “Formula（公式）” 按鈕 f（x）， 彈出 “公式：Mechanism.1”對話框，如圖3所示。在對話框 “參數 ” 文 本 框 中 選 中 “Mechanism.1＼Commandscommand角度”，單擊 “添加公式”按鈕，彈出“公式編輯”對話框，如圖4，定義長度與時間的關系。

其 中 “1s／360deg” 的 意 義 是 運 動 速 度 為360deg／1s，即每秒鐘轉動一轉。至此，運動規律建立完成。

2.4 測量刮水器的刮角、角速度和角加速度

1） 單擊 “DMU Kinematics（數字模型運動）”工具欄中的 “Speed and Acceleration（速度和加速度”按鈕 ，激活對話 框 中 “reference Product（參考產品）”文本框，選擇電機及支架作為參考， “Point Select（點選擇）”選擇主刮擺桿上的一點作為測量點，見圖5。同理，建立副刮測量點。

2）單擊 “DMU Kinematics（數字模型運動）”工具欄中的 “Simulation with Laws（用規則模擬）”按鈕 ，彈出 “Kinematics Simulation Mechanism.1（運動模擬）”對話框，如圖6所示。單擊對話框 中的 “Analysis（分析）”按鈕，彈出“Simulation Duration（模擬時間）”對話框，將模擬時間修改為2 s。單 擊 “Activate sensor（激活傳感器）”對話框，如圖7所示。激活“Mechanism.1連接點旋轉.4角度”、 “Mechanism.1連接點旋轉.7角度”、 “Mechanism.1連接點旋轉.10角度”、 “Speed-Acceleration.1角速度”、 “Speed-Acceleration.1角加速度”、 “Speed-Acceleration.2角速度”、“Speed-Acceleration.2角加速度”。

單擊 “選擇” 按鈕， 彈出 “Graphical Reproduction Option（代表圖形曲線選項）”對話框，見圖8。編制客制化曲線：主刮刮角（“Mechanism.1連接點旋轉.4角度” 為橫坐標，“Mechanism.1連接點旋轉.7角度” 為縱坐標）、 副刮刮角 （“Mechanism.1連接點旋轉.4角度” 為橫坐標，“Mechanism.1連接點旋轉.10角度”為縱坐標）、主刮角速度 （“Mechanism.1連接點旋轉.4角度”為橫坐標 ， “Speed-Acceleration.1角速度”為縱坐標）、主刮角加速度 （“Mechanism.1連接點旋轉.4角度”為橫坐標，“Speed-Acceleration.1角加速度”為縱坐標）、副刮角速度（“Mechanism.1連接點旋轉.4角度”為橫坐標，“Speed-Acceleration.2角速度”為縱坐標）、副刮角加速度 （“Mechanism.1連接點旋轉.4角度”為橫坐標，“Speed-Acceleration.2角加速度”為縱坐標）。

然后對模型進行模擬，可得所需要的參數，以圖形形式顯示，見圖9。單擊 “File（文件）”按鈕，可以將曲線參數保存在Excel表格中。

2.5 數據分析

根據章節2.4得到的曲線參數見表2。

通過對表2的分析，可得出如下結論：①刮水器主刮刮角約為85.8°，滿足設計刮角≤100°的要求；②刮水器副刮刮角約為86.5°，滿足設計刮角≤100°的要求； ③主刮最大角速度約為41.3rad／s， 最 圖9 “Sensor Graphical Representation”對話框大角加速度約為40.5 rad／s2（此時刮速為0）；④副刮最大角速度約為42.2rad／s，最大角加速度約為44 rad／s2（此時刮速為0）；⑤主、副刮臂刮片同時到達其最大加速度位置。

上述主、副刮角速度、角加速度數值可以用來指導電機選型。由于選擇的角加速度測量點在主、副刮擺桿上，所以CATIA分析得來的角加速度值可以用來計算主、副刮臂刮片因加速度帶來的轉矩，故本文引言部分列出的刮水器電機轉矩計算公式可以改為：T≈Tz+Tf+Taz+Taf+Tc。此時限定主、副刮臂刮片的刮速不為0，以判定刮片上有摩擦力存在，但主、副刮片位置都很接近其最大角加速度位置。由CATIA分析的結果可知，在最大刮刷角加速度時，角速度為0，但是由于角速度和角加速度曲線都是平滑過渡曲線，故可以再在公式中限定最大角加速度附近角速度不為0，以保證刮片上存在摩擦力，使公式成立。

其中，最大刮刷加速度時帶動主刮臂刮片所需轉矩為Taz=Mz×Raz2×Az（不考慮摩擦力影響）［2］； 最大刮刷加速度時帶動副刮臂刮片所需轉矩為Taf=Mf×Raf2×Af（不考慮摩擦力影響）。

式中：Az——主刮最大角加速度，rad／s2；Af——副刮最大角加速度，rad／s2；Raz——主刮臂刮片質心和主刮轉軸連線在刮臂刮片運動平面內的投影距離，m；Raf——副刮臂刮片質心和副刮轉軸連線在刮臂刮片運動平面內的投影距離，m。

電機輸出軸僅勻速驅動連桿機構所需的最大轉矩為Tc（可以通過工裝測量得出，一般也可以根據經驗估測一個值）。

勻速帶動主刮臂刮片所需轉矩為Tz=（Mz×g×cosθ＋Fz）×μ×Rz； 勻速帶動副刮臂刮片所需轉矩為Tf=（Mf×g× cosθ+Ff）× μ×Rf。

以江淮和悅RS刮水器為例。和悅RS刮水器使用電機的轉矩為30 Nm，以下數據為理論值不考慮制造公差，摩擦系數μ選擇其最大值。

代入變更前公式

根據上面計算的電機轉矩范圍值，為滿足刮水器工作要求需要選擇的轉矩為38 Nm或以上規格的電機。

代入變更后公式

根據上面計算的電機轉矩值，加上摩擦系數μ已選擇其最大值，故可以考慮選擇轉矩為30 Nm或以上規格的電機，符合和悅RS車實際在用的30Nm刮水器電機轉矩。

由于更改后的電機轉矩計算公式（Tz＋Tf＋Taz＋Taf＋Tc）計算出的值已考慮到了刮水器刮刷中的主要因素，其計算出的值已很接近刮水器工作所需的電機轉矩，故相比傳統公式（Tz＋Tf）×α計算的范圍值會更加接近刮水器刮刷所需要的最大電機轉矩。

3 結論

本文首先通過分析得出了以往刮水器設計中電機選型采用的傳統簡化載荷計算公式的不足，然后利用CATIA軟件工具對和悅RS刮水器進行運動分析，得出了主、副刮角數值，確認刮水器刮角符合設計要求，并得出了刮水器主、副刮的角速度、角加速度數值及其對應的關系，最終利用角加速度和相關參數對應的關系重新定義了電機選型的計算公式，為刮水器產品設計開發提供了一個更加可靠的設計依據。

［1］盛選禹，盛選軍.CATIA V5運動和力學分析實例教程［M］.北京：化學工業出版社，2008：35-45，74-91，203-213.

［2］鄧星鐘.機電傳動控制（第3版）［M］.武漢：華中科技大學出版社，2001：5-6.