基于SolidWorks的電動汽車雨刷器設計及運動仿真

于曉麗 李仰歡 李玉娟

摘要：汽車雨刷器是雨天安全行駛的首要保障，鑒于此，針對某一汽車前窗尺寸，結合雨刷器的基本構造及運行原理，對汽車雨刷器各部分構件進行尺寸設計計算，并在SolidWorks建模環境中得到虛擬樣機，借助SolidWorks中的Motion模塊完成運動仿真，經運行模擬，兩個雨刷器之間無運動干涉，證實結構具備合理性，能夠滿足雨天行車要求，且雨刮片質心速度運動曲線、質心加速度運動曲線、質心角速度運動曲線、質心角加速度運動曲線呈現周期變化。

關鍵詞：汽車雨刷器；三維模型；運動仿真；周期變化

中圖分類號：TH122? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.008

0? ? 引言

Mary Anderson于1903年發明了手動雨刷器，并不斷改進完善，注冊了專利；1962年，Robert Kearns根據人的生理特征發明了電動間歇雨刷器，即眨眼雨刷，并與福特汽車展開了歷時33年的維權之爭，最終勝訴。如今，沈陽工業大學的金映麗等人[1]利用Matlab中的SimMechanics模塊對雨刷器進行了運動仿真，為結構優化和改善提供參考；王昕燦等人[2]優化了雨刷器結構，擴大了雨刮面積，并利用ADAMS完成了運動仿真。雨刷器自始至終服務于廣大駕駛者，而雨刷器的結構及性能能從根本上影響行車安全，所以，致力于雨刷器結構的設計與完善具有現實意義。

SolidWorks作為一款三維建模軟件，因具備操作簡易、功能強大的優勢在工業設計中得到廣泛應用[3]，其內置模塊Motion能夠對機構運動進行仿真[4-6]。雨刷器總成由雨刷電機、減速器、鉸鏈四桿機構、雨刮臂及雨刮片等組成[7]，本文基于SolidWorks對汽車雨刷器進行結構設計與運動仿真，為工程實踐與應用提供相應的理論參考。

1? ? 雨刷器結構設計及三維建模

1.1? ? 設計要求

對某型號汽車的車窗尺寸進行測量，為140 cm×75 cm，該尺寸在汽車領域較為普遍，具有一定的設計研究意義。雨刷器運動應平穩、不卡頓，具有一定周期性，且為保證駕駛員清晰的視野范圍，國家發布了相應的標準。標準規定是從駕駛員位置和視角考慮的，前車窗玻璃上擦凈的區域A、B分別為98%、80%[8]，具體如圖1所示。

雨刮片目前已標準化，考慮到互換性與更換便捷性的因素，雨刷器尺寸結構設計時應盡量采用標準雨刮片。

在雨刷器掛刷的一個周期內，起刮前，雨量較大，應保證較高的雨刷速度，保持駕駛員前方視野明朗；回刮時，雨量較小，可適當降低雨刷器速度，進一步刮凈雨水，需設置急回運動滿足要求，且急回運動能保證較高的工作效率[9]。

1.2? ? 尺寸綜合及三維建模

為便于控制雨刷器轉速，雨刷器采用雨刷電機驅動，其結構原理為雨刷電機經蝸輪蝸桿減速器，利用連桿將運動傳遞給刮臂，故選用曲柄搖桿機構，需滿足桿長條件，即最短桿與最長桿之和小于等于其余兩桿，且最短桿為連架桿[10]。根據玻璃尺寸，設定曲柄搖桿機構機架的長度為210 mm，為保證較大的掛刷角，且使其具備急回特性，得到曲柄搖桿機構的兩極限位置，其中曲柄長68 mm，連桿280 mm，搖桿150 mm，如圖2所示。

如圖2所示，極位夾角為機構處于兩個極限位置時曲柄之間的夾角，根據余弦定理求極位夾角θ為：

行程速比系數為：

根據正弦定理可知，擺角Ψ=85°＞80°。根據上述計算，該尺寸下的雨刷器具備急回特性，且擺角達到85°，掛刷面積較大，尺寸的設計與選定具備合理性。

對于雨刮臂尺寸的確定，為滿足互換性要求，盡量采用標準雨刮臂，雨刮臂標準尺寸有250、280、330、350、380、400、425、450、475、500、530、550、560、600、630、650、670、700 mm。前車窗寬度750 cm，預留雨刮片的尺寸，選定兩雨刮臂的尺寸為400 mm與500 mm。最終根據雨刮臂及車窗的尺寸，參照相應的國標，選定雨刮片為14 in（35 cm）與26 in（65 cm），分別對應副駕與主駕駛員的視野。

雨刷器分為對刮與順刮，鑒于人機工程考慮，且為保證兩雨刷器能協調運動，充分保障主駕駛員的視線，本文采用順刮方式，通過平行四邊形機構控制兩雨刷器同步運動。前車窗長為140 cm，為避免機構與車體發生沖撞，平行四邊形右鉸鏈與玻璃右側留有50 mm余量，并設定兩機架之間的長度為650 mm。雨刷電機選用永磁直流電機，便于實現轉速調節。綜合上述尺寸及結構，基于三維建模軟件在SolidWorks中得到雨刷器結構簡圖，如圖3所示。

2? ? 運動仿真及結果分析

2.1? ? 模型的導入及計算過程

Motion作為SolidWorks的一個高性能內部插件，具有簡化約束過程的優勢，能夠對復雜機械系統進行運動學及動力學仿真，從而得知其結構系統是否會發生干涉，并可得到相應的速度曲線、加速度曲線、角速度曲線等輸出，以便進行更深入的記錄與分析，為研究人員進行結構改善與優化提供有力參考[6]。本文借助SolidWorks Motion完成運動仿真及數據輸出的整體過程，如圖4所示。

2.2? ? 曲線生成與分析

在SolidWorks Motion運動仿真插件中，減速器減速比設定58，設置三組（低、中、高）不同轉速進行運動仿真，得到對應的動畫展示，運動過程中無卡澀、振動現象，兩雨刷器未發生運動干涉，滿足基本的運動要求。選擇其中一組轉速（雨刷電機轉速為1 450 r/min）為研究工況，得到對應的質心速度曲線、質心加速度曲線、質心角速度曲線、質心角加速度曲線進行分析。

如圖5所示，選擇左右雨刷器質心速度曲線進行比較分析發現，整體上兩者曲線趨勢相同，步調一致，協調性較好，掛刷一周的周期T=2.5 s，能夠對較大的雨量進行掛刷，保證視野清晰。但是，由于結構設計過程中刮臂和刮片的尺寸差異，質心處于雨刷器的不同位置，故質心線性速度并不相同。

在以上結論的基礎上，針對左雨刷器的質心速度、加速度、角速度、角加速度進行分析，如圖6所示。圖6（a）為左雨刷器線性速度曲線，起刮最大線性速度達1.5 m/s，回刮最大線性速度0.76 m/s，起刮階段速度整體高于回刮階段，具備急回特性；圖6（b）為左雨刷器線性加速度曲線，最大加速度約達到10 m/s2，且存在加速度尖點，對雨刷器結構提出了更高的強度要求；圖6（c）為左雨刷器角速度曲線，其曲線輪廓與線速度曲線相似，起刮最大角速度達175（°）/s，回刮最大角速度90（°）/s，同樣具有急回特性；圖6（d）為左雨刷器角加速度曲線，加速度變化較大，存在加速度尖點，受力情況較差，在設計優化中應將其考慮在內。

3? ? 結語

目前，汽車雨刷器是保障駕駛員視野較為有效的手段與方法，而汽車雨刷器的結構關乎其性能及交通安全。

本文針對某種較為普遍的汽車前車窗尺寸，提出一種設計思路與方法，基于SolidWorks軟件環境，結合曲柄搖桿機構與平行四邊行結構完成結構的設計、建模，并借助SolidWorks內高性能插件Motion完成相應的運動仿真，得到各速度曲線，證實雨刷器同步運動，呈現周期性，無相互干涉，但存在線性加速度與角加速度尖點，為結構優化提供了方向與參考。

[參考文獻]

[1] 金映麗，馬禮鵬.基于Matlab&Solid Works的雨刷器運動仿真研究[J].機械工程師，2017（10）：52-53.

[2] 王昕燦，吳子健，楊闖，等.基于ADAMS和Pro/E的汽車雨刮器結構設計[J].南通航運職業技術學院學報，2021，20（1）：37-41.

[3] 賈寶賢，趙萬生.SolidWorks在工業造型設計中的應用[J].機械設計與制造，2003（4）：116-117.

[4] 李大磊，丁天濤，程建民，等.基于SolidWorks Motion的空間擺動機構的運動分析[J].制造業自動化，2011，33（22）：70-71.

[5] 魯士軍.SolidWorks/Motion在機械產品設計中的應用技巧[J].CAD/CAM與制造業信息化，2006（4）：58-60.

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[7] 楊保成，蘇秋，焦洪宇.汽車雨刮器設計及運動仿真[J].農業裝備與車輛工程，2018，56（9）：56-58.

[8] 汽車駕駛員前方視野要求及測量方法：GB 11562—2014[S].

[9] 馮立艷，梁會碩，蔡玉強，等.曲柄搖桿機構的急回程度分析與探討[J].南方農機，2021，52（3）：7-9.

[10] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

收稿日期：2023-02-28

作者簡介：于曉麗（1991—），女，山東齊河人，助教，研究方向：機械結構設計。