眼鏡夾片雨刮器的設計和研究

楊均超　周詩韻　劉楚輝　賓曉林　馮鑫

【摘 要】根據眼鏡夾片雨刮器的運動要求，結合對三種基本類型的平面四桿機構的對比分析，選擇曲柄搖桿機構作為眼鏡夾片雨刮器的工作機構，通過連桿機構設計確定了眼鏡夾片雨刮器的各組成部分的材料和尺寸，并通過運動分析和傳動性能的分析，驗證了眼鏡夾片雨刮器功能和結構的可行性。

【關鍵詞】雨刮器；夾片；連桿機構；傳動性能

0 引言

日前，我國現有近視患者已超過四億人，占世界近視總人數的33%，尤其是青少年的患病率極高。全國學生體質健康調研最新數據表明，我國小學生近視眼發病率為22.8%，中學生為55.2%，高中生為70.3%。而這些青少年基本的代步工具往往又是自行車和電動車，下雨天上學回家或者外出，雨點灑落在眼鏡上時，視線受到阻礙，車輛、行人和景物都變得模糊不清，這對出行十分不利，極有可能因無法看清道路交通情況，導致制動不及、躲閃不及等而發生事故?，F在市面上普遍使用的防雨工具，比如雨衣，遮雨帽雖然可以遮雨，但是眼鏡上仍會被雨點掃到，并且依然會起霧，并不能很好的解決雨天視線受阻這一問題。本文參考汽車雨刮器的結構與工作原理，研究設計了一種眼鏡夾片雨刮器，其一方面改善戴眼鏡雨天出行的麻煩，為近視患者提供一個相對清楚的視線，方便出行；另一方面降低外界不可控因素給我們生活帶來的不便以及安全隱患，從而減少各種因雨點覆蓋鏡片而導致的事故發生，提高人們生活質量。

1.電動機；2.連接桿；3.眼鏡夾片；4.雨刮器；5.眼鏡；6.電池座

1 眼鏡夾片雨刮器的結構與工作原理

如圖1所示，眼鏡夾片雨刮器主要由驅動部分和連桿機構組成。電機驅動四桿機構的原動件作勻速轉動，然后帶動連架桿使搖桿做變速往復擺動，使得固定于搖桿上的雨刮器在眼鏡鏡面上做往復擺動，從而達到清除雨霧的目的。

眼鏡夾片雨刮器的連桿機構的自由度為1，只需一個電動機驅動，實現單機帶兩轉的機械結構，從根本上減輕重量，使其使用方便。連桿機構的設計保證雨刮器反端可在0～90°范圍內擺動，搖桿末端設計成90°彎曲結構，以使其刮雨范圍能更好地滿足清除鏡面雨霧的要求。

雨刮器的微彎設計可以使刮雨效率略增，同時能使得刮雨范圍盡可能大。此外，微彎設計也能使其處于起始位置時不妨礙人的視線。連桿機構的連桿要求輕便堅固，能夠防水并耐腐蝕，以延長眼鏡夾片雨刮器的使用壽命，ABS（丙烯晴）塑料具有高剛度、低吸水性、耐熱、不易劃傷與變形、在低溫條件下具有高抗沖擊韌性等特征，用于制作連桿能起到很好的支撐和保護作用。

2 連桿機構設計

2.1 連桿機構類型選擇

平面四桿機構主要有曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構三種，其中曲柄搖桿機構的運動特性符合眼鏡夾片雨刮器的動作要求，因此，選擇曲柄搖桿機構作為眼鏡夾片雨刮器的執行機構。以曲柄為原動件，將曲柄的連續運動轉變為搖桿的往復擺動，實現刮雨所需的運動。

2.2 連桿機構結構設計

根據眼鏡鏡片的大小和眼鏡雨刮器的工作要求，可確定眼鏡夾片雨刮器結構中的曲柄搖桿機構的搖桿長度L3，擺角ψ和行程速度變化系數K。由給定的行程速度變化系數K可以求出曲柄搖桿機構的極位夾角θ。

如圖3所示，當眼鏡夾片雨刮器刮雨搖桿的長度L3=19.0mm，行程速度變化系數K=1.4，搖桿擺角ψ=60°時，按上述設計過程計算可得：極位夾角θ=30°，曲柄長度L1=10mm，連桿長度L2=15mm，機架長度L4=23mm。經驗算，該四桿機構滿足曲柄存在的桿長條件，且最短桿為連架桿，屬于曲柄搖桿機構，能滿足眼鏡夾片雨刮器的要求。

2.3 連桿機構運動分析

眼鏡夾片雨刮器的曲柄由減速電動機帶動作順時針勻速轉動。如圖2所示，當曲柄從B1勻速轉動到B2時，搖桿從C1位置擺動到C2位置，曲柄繼續從B2順時針勻速轉動到B1時，搖桿從C2位置回到C1位置。

當機構處于如圖4所示位置時，∠BAD=80°，若曲柄AB的角速度為ω2為0.25rad/s，由上式可求得ω4=0.196 rad/s，即雨刮器的旋轉角速度為11.24°/s，滿足工作要求。

2.4 連桿機構傳力性能分析

為保證機構有較好的傳力性能，通常要求最小傳動角γmin≥40°。由圖5所示的幾何關系可知：最小傳動角為γ′和γ″中的較小者。根據圖5所示的幾何關系，用余玄定理即可求得γ′和γ″的余弦函數值，利用反余弦函數即可求得γ′和γ″的角度值。

已知設計的四桿機構各桿尺寸為a=10 mm，b=15 mm，c=19 mm，d=23 mm；采用上述方法求得γmin=42.98°>40°，說明該機構傳力性能較好，運轉輕便，傳動效率較高。

2.5 連桿機構的驅動

眼鏡夾片雨刮器采用直流永磁減速電動機驅動，其輸出軸通過聯軸器與四連桿機構的曲柄軸相連。眼鏡夾片雨刮器的驅動部件要求輕便小巧，盡可能減輕對鼻梁的壓力，且減速電機的輸出轉速要在運行的范圍之內。經分析與制作檢驗，電動機選擇了GA12-N20微型減速電機，為減速電機供電的電池選用小巧輕便的CR1220紐扣電池。GA12-N20微型減速電機的額定電壓為3V-6V，空載轉速為15r/min，額定負載轉速為10r/min，減速比為500：1。

2.6 支撐與固定

眼鏡夾片雨刮器的固定架如圖1所示。支撐物為眼鏡夾片，夾片中有彈簧，可以使夾片開閉方便，并可靠固定在眼鏡框上。減速電動機使用電機固定架固定在眼鏡夾片手按開合處的左側，其長度和體積不會影響到人的視野。同時為CR1220紐扣電池配置電池座，以將其固定于電機固定架下方，方便接線的同時也進一步增加其的防雨性能。

3 結束語

眼鏡夾片雨刮器可以為近視患者雨天出行提供一個相對清楚的視線，減少因雨點覆蓋近視鏡片而導致的事故發生。本文根據眼鏡夾片雨刮器工作所要求的運動規律和軌跡，在對比三種基本類型的平面四桿機構的基礎上，選擇了曲柄搖桿機構作為眼鏡夾片雨刮器的運動機構，按照給定的行程速度變化系數等條件設計確定了其各桿的尺寸。通過對眼鏡夾片雨刮器的運動分析和傳力性能分析，驗證了設計的可行性。

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[責任編輯：侯天宇]