基于Pro/E的汽车雨刮器仿真分析

柏艳雪

（南京航空航天大学金城学院，南京 211156）

基于Pro/E的汽车雨刮器仿真分析

柏艳雪

（南京航空航天大学金城学院，南京 211156）

本文通过Pro/E软件对汽车雨刮器的零部件进行设计，完成汽车雨刮器的虚拟装配；利用Pro/E的仿真模块，获得雨刮臂的运动轨迹，得出通过改变电动机曲柄长度，可以改变雨刮臂的摆动角度大小，从而获得设计的雨刮器的雨刮臂摆最大摆动角度，为研究雨刮臂的摆动角度提供相关参考。

仿真 运动轨迹 雨刮器 摆动角度

引言

从1927年电动雨刷器发明以来，不管是高档豪华轿车，还是普通民用代步车，或是笨重的货车，雨刷器都已经成为机动车辆不可或缺的部件。它保持挡风玻璃外表面清洁，确保驾驶者雨雪天气视野清晰和行车安全。

雨刮器的种类很多，按安装位置可分为顶置、底置、侧置、前后置和内外置等；按雨刮范围可分为局部雨刮、整体雨刮、单面雨刮和双面雨刮；按运动方式可分为四杆机构左右摆动式、导轨式直线和弧线运动式；按制作材料可分为普通黑胶体雨刮器、透明塑料体雨刮器和磁性体雨刮器。目前，车辆上广泛使用的是曲柄连杆机构黑胶体雨刮器。雨刮总成一般由雨刮电机、雨刮联动杆、刮臂组件组成。现在汽车的雨刮臂有两个，电机一般是一个，称为“单机双臂”；还有每个雨刮臂带一只电机，称为“单机单臂”。一般轿车的雨刮轻且行程短，通常为单机双臂。

1　雨刮器结构原理分析及建模

雨刮器是由电机带动，通过连杆机构将电机的旋转运动转变为刮臂的往复运动，从而实现刮雨动作。其中，连杆机构是主要运动单元。仿真运动则主要是模拟连杆机构的运动。

其实，雨刮器的模型介绍，主要就是介绍连杆机构模型。应用最多的、较为简单的连杆机构就是四连杆机构，如图1所示。该机构中，固定不动的构件4称为机架，与机架相连接的构件1和3称为连架杆，不与机架相连的构件2称为连杆。在两个连架杆中，能作整周回转的构件称为曲柄，若只能绕其回转轴线作往复摆动的构件称为摇杆。四连杆机构根据两连架杆运动形式不同可分为三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

图1　四连杆机构

然而，这种普通的四连杆机构并不是真正的雨刮器的连杆机构模型。该雨刮器机构是“单机双臂”，即两个雨刮臂只由一个电动机带动运行。

该机构可简化为图2所示。电动机的旋转由曲柄1的圆周运动代替，连架杆3和4分别带动雨刮臂运动；曲柄1、摇杆3、连杆2和机架6组成一个简单的四连杆机构（曲柄摇杆机构）；曲柄1做圆周运动，从而带动摇杆3做往复运动；摇杆3、4，连杆5和机架7也组成一个简单的四连杆机构（双摇杆机构），同时摇杆3带动摇杆4做往复运动。

图2　机构简化图

根据已知实物的模型，最终生成的简易雨刮器整体组装模型如图3所示。

图3　雨刮器模型

2　雨刮器的仿真分析

图4　某点轨迹曲线

将装配好的雨刮器模型导入Pro/E的“应用程序”中“机构”模块进行仿真，得出两个雨刮臂的往复摆动轨迹和摆动角度，如图4所示。往复摆动角度的测量：得到运动轨迹后，可以利用“测量”工具，测量空间运动弧长和半径。利用公式弧长、半径和角度关系：角度=弧长/半径，可以算出运动弧长的角度。此处取其中一个为例。如图5和6所示，从图5可以看出，弧长C是119.71mm，从图6可以看出，弧长的半径是56.66mm，由此得出，弧长的空间角度约为121°。

图5　轨迹弧长

图6　轨迹半径

通过改变伺服电动机曲柄的长度，观察运动轨迹和运动角度的改变情况。在以上设计中，伺服电动机曲柄长度是4.8mm。若将其曲柄长度进行调整，按照之前的操作流程，可得到相应的运动轨迹、弧长和半径。摆动角度随着曲柄长度的改变如表1所示。

通过以上的比较，我们发现：通过改变电动机曲柄长度，可以改变雨刮臂的摆动角度大小。当将曲柄长度改至5.0mm时，雨刮器的运动情况脱离了实际运动情形。因此，设计的雨刮器的雨刮臂所能运动达到的最大摆动角度为124°。

3　结论

通过Pro/E软件对雨刮器进行设计和仿真，对雨刮臂的摆动角度大小与电动机曲柄长度变化关系进行简单的研究。研究数据表明：电动机曲柄长度在一定范围内，曲柄越长，雨刮臂摆动角度越大；在符合正常运动的情况下，设计的雨刮臂存在最大摆动角度。事实证明，该方法直观、方便，对实际设计有一定的指导意义，为研究雨刮臂的摆动角度提供了相关参考。

表1　摆动角度随曲柄长度的变化数据

[1]范大伟，柏艳雪，等.Creo Elements/Pro5.0产品设计与KeyShot渲染表现[M].北京：化学工业出版社，2013.

[2]二代龙震工作室.Pro/Mechanism Wildfire 5.0机构/运动分析[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3]李德强，刘深厚.汽车雨刷史话[J].汽车运用，2003，（7）：19-20.

[4]汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册：设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]邰茜，吴笑伟.汽车机械基础[M].北京：北京大学出版社，2008.

Simulation Analysis of Automobile Wiper Based on Pro/E

BAI Yanxue
(Nanhang Jincheng College, Nanjing 211156)

With the rapid development of computer aided design and manufacturing technology, it can shorten the design cycle and improve the design level by using the computer to simulate and analyze the motion and change process of the mechanical mechanism. Design of parts and complete the virtual assembly of auto wiper by using Pro/E; also obtain the trajectory of wiper arm through simulation module. Concluded: by changing the motor crank length, you can change the wiper arm swing angle, so as to obtain the maximum swinging angle, to provide a reference for the study of the swing angle of the wiper arm.

Simulation,Trajectory,Wiper,Swing angle