基于SolidWorks的电动汽车雨刷器设计及运动仿真

于晓丽 李仰欢 李玉娟

摘要：汽车雨刷器是雨天安全行驶的首要保障，鉴于此，针对某一汽车前窗尺寸，结合雨刷器的基本构造及运行原理，对汽车雨刷器各部分构件进行尺寸设计计算，并在SolidWorks建模环境中得到虚拟样机，借助SolidWorks中的Motion模块完成运动仿真，经运行模拟，两个雨刷器之間无运动干涉，证实结构具备合理性，能够满足雨天行车要求，且雨刮片质心速度运动曲线、质心加速度运动曲线、质心角速度运动曲线、质心角加速度运动曲线呈现周期变化。

关键词：汽车雨刷器；三维模型；运动仿真；周期变化

中图分类号：TH122  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0032-04

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

0    引言

Mary Anderson于1903年发明了手动雨刷器，并不断改进完善，注册了专利；1962年，Robert Kearns根据人的生理特征发明了电动间歇雨刷器，即眨眼雨刷，并与福特汽车展开了历时33年的维权之争，最终胜诉。如今，沈阳工业大学的金映丽等人[1]利用Matlab中的SimMechanics模块对雨刷器进行了运动仿真，为结构优化和改善提供参考；王昕灿等人[2]优化了雨刷器结构，扩大了雨刮面积，并利用ADAMS完成了运动仿真。雨刷器自始至终服务于广大驾驶者，而雨刷器的结构及性能能从根本上影响行车安全，所以，致力于雨刷器结构的设计与完善具有现实意义。

SolidWorks作为一款三维建模软件，因具备操作简易、功能强大的优势在工业设计中得到广泛应用[3]，其内置模块Motion能够对机构运动进行仿真[4-6]。雨刷器总成由雨刷电机、减速器、铰链四杆机构、雨刮臂及雨刮片等组成[7]，本文基于SolidWorks对汽车雨刷器进行结构设计与运动仿真，为工程实践与应用提供相应的理论参考。

1    雨刷器结构设计及三维建模

1.1    设计要求

对某型号汽车的车窗尺寸进行测量，为140 cm×75 cm，该尺寸在汽车领域较为普遍，具有一定的设计研究意义。雨刷器运动应平稳、不卡顿，具有一定周期性，且为保证驾驶员清晰的视野范围，国家发布了相应的标准。标准规定是从驾驶员位置和视角考虑的，前车窗玻璃上擦净的区域A、B分别为98%、80%[8]，具体如图1所示。

雨刮片目前已标准化，考虑到互换性与更换便捷性的因素，雨刷器尺寸结构设计时应尽量采用标准雨刮片。

在雨刷器挂刷的一个周期内，起刮前，雨量较大，应保证较高的雨刷速度，保持驾驶员前方视野明朗；回刮时，雨量较小，可适当降低雨刷器速度，进一步刮净雨水，需设置急回运动满足要求，且急回运动能保证较高的工作效率[9]。

1.2    尺寸综合及三维建模

为便于控制雨刷器转速，雨刷器采用雨刷电机驱动，其结构原理为雨刷电机经蜗轮蜗杆减速器，利用连杆将运动传递给刮臂，故选用曲柄摇杆机构，需满足杆长条件，即最短杆与最长杆之和小于等于其余两杆，且最短杆为连架杆[10]。根据玻璃尺寸，设定曲柄摇杆机构机架的长度为210 mm，为保证较大的挂刷角，且使其具备急回特性，得到曲柄摇杆机构的两极限位置，其中曲柄长68 mm，连杆280 mm，摇杆150 mm，如图2所示。

如图2所示，极位夹角为机构处于两个极限位置时曲柄之间的夹角，根据余弦定理求极位夹角θ为：

行程速比系数为：

根据正弦定理可知，摆角Ψ=85°＞80°。根据上述计算，该尺寸下的雨刷器具备急回特性，且摆角达到85°，挂刷面积较大，尺寸的设计与选定具备合理性。

对于雨刮臂尺寸的确定，为满足互换性要求，尽量采用标准雨刮臂，雨刮臂标准尺寸有250、280、330、350、380、400、425、450、475、500、530、550、560、600、630、650、670、700 mm。前车窗宽度750 cm，预留雨刮片的尺寸，选定两雨刮臂的尺寸为400 mm与500 mm。最终根据雨刮臂及车窗的尺寸，参照相应的国标，选定雨刮片为14 in（35 cm）与26 in（65 cm），分别对应副驾与主驾驶员的视野。

雨刷器分为对刮与顺刮，鉴于人机工程考虑，且为保证两雨刷器能协调运动，充分保障主驾驶员的视线，本文采用顺刮方式，通过平行四边形机构控制两雨刷器同步运动。前车窗长为140 cm，为避免机构与车体发生冲撞，平行四边形右铰链与玻璃右侧留有50 mm余量，并设定两机架之间的长度为650 mm。雨刷电机选用永磁直流电机，便于实现转速调节。综合上述尺寸及结构，基于三维建模软件在SolidWorks中得到雨刷器结构简图，如图3所示。

2    运动仿真及结果分析

2.1    模型的导入及计算过程

Motion作为SolidWorks的一个高性能内部插件，具有简化约束过程的优势，能够对复杂机械系统进行运动学及动力学仿真，从而得知其结构系统是否会发生干涉，并可得到相应的速度曲线、加速度曲线、角速度曲线等输出，以便进行更深入的记录与分析，为研究人员进行结构改善与优化提供有力参考[6]。本文借助SolidWorks Motion完成运动仿真及数据输出的整体过程，如图4所示。

2.2    曲线生成与分析

在SolidWorks Motion运动仿真插件中，减速器减速比设定58，设置三组（低、中、高）不同转速进行运动仿真，得到对应的动画展示，运动过程中无卡涩、振动现象，两雨刷器未发生运动干涉，满足基本的运动要求。选择其中一组转速（雨刷电机转速为1 450 r/min）为研究工况，得到对应的质心速度曲线、质心加速度曲线、质心角速度曲线、质心角加速度曲线进行分析。

如图5所示，选择左右雨刷器质心速度曲线进行比较分析发现，整体上两者曲线趋势相同，步调一致，协调性较好，挂刷一周的周期T=2.5 s，能够对较大的雨量进行挂刷，保證视野清晰。但是，由于结构设计过程中刮臂和刮片的尺寸差异，质心处于雨刷器的不同位置，故质心线性速度并不相同。

在以上结论的基础上，针对左雨刷器的质心速度、加速度、角速度、角加速度进行分析，如图6所示。图6（a）为左雨刷器线性速度曲线，起刮最大线性速度达1.5 m/s，回刮最大线性速度0.76 m/s，起刮阶段速度整体高于回刮阶段，具备急回特性；图6（b）为左雨刷器线性加速度曲线，最大加速度约达到10 m/s2，且存在加速度尖点，对雨刷器结构提出了更高的强度要求；图6（c）为左雨刷器角速度曲线，其曲线轮廓与线速度曲线相似，起刮最大角速度达175（°）/s，回刮最大角速度90（°）/s，同样具有急回特性；图6（d）为左雨刷器角加速度曲线，加速度变化较大，存在加速度尖点，受力情况较差，在设计优化中应将其考虑在内。

3    结语

目前，汽车雨刷器是保障驾驶员视野较为有效的手段与方法，而汽车雨刷器的结构关乎其性能及交通安全。

本文针对某种较为普遍的汽车前车窗尺寸，提出一种设计思路与方法，基于SolidWorks软件环境，结合曲柄摇杆机构与平行四边行结构完成结构的设计、建模，并借助SolidWorks内高性能插件Motion完成相应的运动仿真，得到各速度曲线，证实雨刷器同步运动，呈现周期性，无相互干涉，但存在线性加速度与角加速度尖点，为结构优化提供了方向与参考。

[参考文献]

[1] 金映丽，马礼鹏.基于Matlab&Solid Works的雨刷器运动仿真研究[J].机械工程师，2017（10）：52-53.

[2] 王昕灿，吴子健，杨闯，等.基于ADAMS和Pro/E的汽车雨刮器结构设计[J].南通航运职业技术学院学报，2021，20（1）：37-41.

[3] 贾宝贤，赵万生.SolidWorks在工业造型设计中的应用[J].机械设计与制造，2003（4）：116-117.

[4] 李大磊，丁天涛，程建民，等.基于SolidWorks Motion的空间摆动机构的运动分析[J].制造业自动化，2011，33（22）：70-71.

[5] 鲁士军.SolidWorks/Motion在机械产品设计中的应用技巧[J].CAD/CAM与制造业信息化，2006（4）：58-60.

[6] DS SOLIDWORKS公司.SOLIDWORKS Motion运动仿真教程（2016版）[M].杭州新迪数字工程系统有限公司，译.北京：机械工业出版社，2016.

[7] 杨保成，苏秋，焦洪宇.汽车雨刮器设计及运动仿真[J].农业装备与车辆工程，2018，56（9）：56-58.

[8] 汽车驾驶员前方视野要求及测量方法：GB 11562—2014[S].

[9] 冯立艳，梁会硕，蔡玉强，等.曲柄摇杆机构的急回程度分析与探讨[J].南方农机，2021，52（3）：7-9.

[10] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

收稿日期：2023-02-28

作者简介：于晓丽（1991—），女，山东齐河人，助教，研究方向：机械结构设计。