基于Simmechanics的汽車雨刷器運動仿真研究

金映麗，馬禮鵬

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

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基于Simmechanics的汽車雨刷器運動仿真研究

金映麗，馬禮鵬

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

為了提高汽車雨刷器運動規律的設計水平和效率，利用MATLAB的動態仿真模塊集Simmechanics建立了汽車雨刷器運動分析的仿真模型，闡述了這種建模方法與仿真的實現過程。仿真結果表明該方法能高效、準確地得到雨刷器的運動參數，能為雨刷器的尺寸選型、結構優化設計提供數據支持。

MATLAB；Simmechanics；雨刷器；運動仿真

0 引言

隨著世界汽車工業的迅速發展，雨刷器的用途也越來越廣泛，但是刮除擋風玻璃上的水漬與灰塵依然是雨刷器最基本的結構功能，為了保證雨刷器刮除污漬的效果，雨刷器運動規律的研究依然是設計雨刷器的主要依據。

運動規律的分析方法有很多，比較傳統的方法包括圖解法、解析法和實驗法[1]，這些傳統的方法都有著計算復雜、耗時長的缺點。如今，隨著計算機技術的不斷更新發展，應用計算機軟件對機構的運動規律進行仿真、分析、計算變得越來越多。

MATLAB軟件運算功能強大，包含了很多用來解決實際工程問題的工具箱。其中Simmechanics是MATLAB/Simulink模塊庫中的機構系統模塊集，它為多體動力機械系統及其控制系統提供了直觀有效的建模分析手段，通過對各種運動副連接的剛體進行建模與仿真，可以實現對機構系統進行分析與設計的目的[2]。本文利用Simmechanics實現了對雨刷器運動機構系統的實時仿真分析和機構運動狀態的實時顯示，為檢驗機構結構功能優劣提供了高效的平臺，為后續的優化設計提供了有效的分析數據。

1 雨刷器機構運動仿真分析模型

1.1 雨刷器機構模型

某汽車雨刷器機構如圖1所示，原動件1繞固定軸心A轉動，齒條2與構件1在B點處鉸接，并與繞固定軸心D轉動的齒輪3嚙合(滾子5用來保證兩者始終嚙合)，固聯于輪3的雨刷3′作往復擺動。其中各個結構的設計參數為：Lab=18 mm，齒輪3的分度圓半徑R=Lcd=12 mm，原動件1以等角速度ω=1 rad/s逆時針回轉。

圖1 雨刷器機構

由于不規則剛體的形狀、慣量矩陣的計算比較復雜，而且對研究運動規律的結果影響不大，因此為了便于計算與仿真，簡化構件為規則的圓柱桿。該雨刷機構的結構簡化圖如圖2所示，其中AB桿為原動件1，BC桿為與原動件1在B點處鉸接的齒條2，CD為與齒條2嚙合的齒輪3和滾子5的簡化模型。為了減少參數的設置計算量，假設雨刷機構的仿真初始位置從原動件AB桿與水平方向成90°的位置開始，如圖2所示，并將各桿件視為半徑為5 mm 的均質圓柱桿。初始位置參數及桿件質量和慣量矩陣的計算，編制的m文件代碼如下：

r=0.5;

%圓桿半徑

gg=7.81*pi*r^2;

%圓桿單位長度質量

%各個桿件的長度

L1=18;

L2=80;

L3=0.5;

L4=12;

%機構各點的位置

A=[0 0 0];

B=[0 18 0];

C=[56.12 11.93 0];

D=[54.83 0 0];

E=[79.54 9.4 0];

%各個桿件的質量和慣量矩陣

M1=L1*gg*1e-9;

T1=diag([r^2/2,L1^2/12,L1^2/12])*M1;

M2=L2*gg*1e-9;

T2=diag([r^2/2,L2^2/12,L2^2/12])*M2;

M3=L3*gg*1e-9;

T3=diag([r^2/2,L3^2/12,L3^2/12])*M3;

M4=L4*gg*1e-9;

T4=diag([r^2/2,L4^2/12,L4^2/12])*M4;

圖3 雨刷器Simmechanics仿真模型

其中，均質圓桿的轉動慣量矩陣為：

式中，m為桿的質量，r為桿的截面半徑，L為桿長。

圖2 雨刷器的結構簡圖

1.2 Simmechanics仿真模型建立

Simmechanics主要應用于機械系統的剛體運動仿真，在Simmechanics模塊集中具有模擬旋轉運動、平移運動、固定焊接等運動模塊，可以方便地定義剛體的質量屬性和運動屬性[3]。

仿真模型的建立與Simulink建模相似，可以采用直接拖拽模塊到新建的模型中。建立雨刷機構仿真模型時，分析雨刷機構的運動簡圖，該機構包括機架、3個桿件、1個滑塊、4個轉動副和1個移動副。因此在剛體子模塊組(Bodies)中找出Ground、Machine Environment和Body 3個模塊，加入到新建模型中；在運動副模塊組(Joints)中找出Revolute和Prismatic兩個模塊，加入到新建模型中；最后通過雨刷機構簡圖構件之間的關系，連接各個模塊。

曲柄AB桿為原動件，在模型的轉動副A處添加驅動。因為原動件以等角速度勻速轉動，所以選擇檢測與促動模塊組(Sensors&Actuators)中的Joint Actuator模塊。雙擊該模塊，設置輸入信號為運動信號Motion，包括角度、角速度、角加速度，并選擇角度、角速度、角加速度的單位分別為rad、rad/s、rad/s2。驅動信號可以用Simulink模塊庫中的信號源(Sources)模塊組的Constant模塊代表角速度，此處設置為1，它的積分表示角位移，原動件為勻角速度運動，加速度可用Constant模塊設置為0來表示。把3個信號一并輸入到Joint Actuator中。

雨刷器的Simmechanics仿真模型如圖3所示，根據桿件的質量、轉動慣量、尺寸等設置模塊參數。其中各桿件的兩端坐標、質心位置、質量和慣量設置，通過運行m文件獲得相應數值。圖4為齒條桿BC的參數設置對話框。其中，桿的質量為M2、轉動慣量矩陣為T2，質心坐標(E+B)/2，選擇世界坐標系；主動端在translated from original of列選擇adjoining，并將origin position vector設為(0 0 0)；從動端選擇世界坐標系，并將坐標E填寫到對應欄目中(其他模塊參數設置略)。

圖4 桿件BC的參數設置

雨刷器的運動規律主要通過分析雨刷器轉軸D的轉動規律獲得，在仿真模型中通過檢測與促動模塊組(Sensors&Actuators)中的Joint Sensor模塊輸出，因此選擇角位移(deg)、角速度(deg/s)和角加速度(deg/s2)3項，并將雨刷器轉軸D的運動參數輸出到MATLAB工作空間中，然后利用“plot(simout)”命令繪制出運動規律曲線[4-5]。

1.3 仿真的運行與結果

在Simmechanics仿真模型中設置仿真時間以實時動畫形式顯示參數即可以進行仿真。該雨刷機構的運動周期為6～7 s，所以設置仿真時間為14 s(2個周期)，并在Model configuration parameters選項中設置實時動畫形式顯示(showing animation during simulation)，運行仿真[6]。機構的實時仿真動畫如圖5所示。

圖5 實時仿真動畫

轉動副D的角位移、角速度、角加速度等數據，通過模塊simout輸出到MATLAB工作空間中，在工作空間中用“plot(simout)”命令繪制出表示雨刷器轉軸D的運動規律曲線，如圖6(角位移)、圖7(角速度)、圖8(角加速度)所示。

從雨刷器轉軸D角位移等曲線可以看出：雨刷器以6.28 s為一個周期往復擺動；根據雨刷器轉軸D的角位移曲線，可以計算出該雨刷器的擺程角為39.5 deg；根據雨刷器轉軸D的角速度，可以得出在勻速輸入條件下，在0～3.7 s時間段，雨刷器的角速度值在0～15 deg/s之間變化，在3.7～6.28 s時間段，雨刷器的角速度值在0～30 deg/s之間變化，可見雨刷器具有急回的特性。

圖6 雨刷器轉軸D角位移曲線

圖7 雨刷器轉軸D角速度曲線

圖8 雨刷器轉軸D角加速度曲線

2 結論

通過該雨刷器的運動仿真可以看出，在機械結構的設計過程中，Simmechanics 軟件相比傳統的解析計算方法有較多的優勢。利用該軟件建立的模型不僅可以直觀地觀察雨刷器實時的運動狀態，而且根據雨刷器轉軸的運動參數，可以快速地獲得雨刷器的轉動規律。不僅如此，通過修改模塊的參數，可以對不同的設計方案進行仿真分析，從而對不同的設計方案進行對比，實現雨刷器結構的優化設計，為后續的設計提供依據。可見，基于MATLAB的Simmechanics機構系統仿真，無論從功能還是效率上都有較大的優勢。

[1] 魏兵,熊禾根.機械原理[M].武漢:華中科技大學出版社,2007.

[2] 楊樹川,邵金龍,楊術明,等.基于Solidworks & SimMechanics的機構運動分析與仿真[J].河北工業科技,2011,28(4):221-225.

[3] 江樂果,朱華炳.基于SimMechanics的仿人機器人運動學仿真[J].機床與液壓,2014(21):75-80.

[4] 向小健,許爾威,劉浩宇.基于Matlab的四桿/六桿顎式破碎機動態仿真[J].機械工程與自動化,2014(3):40-45.

[5] 王增勝,孔令云,郭曉君.基于 Simmechanics 的偏置曲柄滑塊機構運動學建模及仿真研究[J].現代機械,2013(5):19-22.

[6] 薛定宇,陳陽泉.基于MATLAB/SIMULINK的系統仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社,2011.

Research for kinematic simulation of motor vehicle wiper based on Simmechanics

Jin Yingli, Ma Lipeng

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

For increasing the design level and efficiency of motor vehicle wiper,the article uses the Simmechanics which is the dynamic simulation module of MATLAB to build the simulation model of motor vehicle wiper, and describes the modeling method and the simulation process. The results show that the simulation method can efficiently and accurately obtain the motion parameters of the wipe. It can provide data support for the size selection and structure optimization design of wipe.

MATLAB; Simmechanics; wipe; kinematic simulation

TP391.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.026

金映麗，馬禮鵬.基于Simmechanics的汽車雨刷器運動仿真研究[J].微型機與應用，2017,36(13)：85-87.

2017-01-09)

金映麗(1972-)，女，博士，副教授，主要研究方向： CAD/CAM、機械強度。

馬禮鵬(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：機械設計。E-mail：marleap_mlp@163.com。