雨刮-风窗接触系统摩擦振动分析

杨雪，袁涛，郭辉，傅伟，黄双，张岩

（1.201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院；2.255000 山东省 淄博市 淄博市技师学院；3.250000 山东省 济南市 中国人民解放军32128 部队）

0 引言

随着新能源汽车的快速发展，发动机、传动系统等主要噪声源得到大幅改善，原来被忽视的次要噪声逐渐受到研究学者的关注。雨刮-风窗系统作为汽车振动和噪声源之一，合理设计使其具有良好特性成为改善车辆NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能的重点之一[1]。但是在众多的研究中，理论模型忽略了雨刮片现实工况等影响因素[2-3]，基于试验台进行的实验，由于其结构简单，结果往往不能有效验证雨刮-风窗系统所建立的理论模型[4-6]；基于真实车辆的实验研究由于设备安装空间有限，所获结果亦不足以解释振动和噪声产生的机理[7-9]。

本文基于雨刮片在不同工况下的振动噪声差异，首先建立考虑反转过程的雨刮片理论模型，计算求解出雨刮片的摩擦振动特性曲线，然后利用完善的雨刮-风窗实验系统对理论模型进行验证。

1 雨刮-风窗接触系统摩擦振动理论模型

雨刮-风窗接触系统主要由雨刮片、风窗和雨刮臂组成，如图1 所示；雨刮片细节横截面如图2 所示。

图1 雨刮-风窗系统整体结构Fig.1 Overall structure of wiper-windscreen system

图2 雨刮片截面图Fig.2 Cross-sectional view of wiper blades

雨刮片在反转前后振动并产生不利的噪音。本文在Unno 等[10]和Yang 等[11]所构建模型的基础上，进一步将刮片尖部细分为l1和l2两部分，并考虑阻尼材料对结果影响，以更好揭示接触系统的摩擦振动机理。理论模型如图3 所示，雨刮片的头部由雨刮臂沿水平方向前后移动，颈部和尖部通过连杆连接。

图3 雨刮片物理模型Fig.3 A link model of wiper blades

图3（a）和图3（b）分别显示了雨刮片连杆模型的静态和动态。坐标系的原点位于平行于雨刮片头部的位置，X轴和Y轴表示垂直和水平方向。图3 中：N、Ff——作用在风窗表面的法向力和摩擦力；Fe——雨刮臂对刮片施加的法向力；θ、φ——连杆与垂直轴之间的夹角，雨刮片刚接触扫掠面时，雨刮片直立，θ和φ为0；ls、hd——头部和支撑侧与X轴的位移。

在链接模型中，（x，y），（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）分别表示头部的位移，颈部、尖部以及尖部顶部的重心。假设雨刮片是沿Y轴方向的往复运动，头部的水平位移可以定义为

式中：a——振幅；ω——角频率；Y——位移，已知量。

其余不同部位的水平位移可以表示为

各部分沿X轴的位移可以表示为

雨刷片约束可以表示为

根据D Alembert's 原理，∑MC=0，

无量纲参数定义如表1 所示，则颈部和尖部的角加速度方程可改写为

表1 某些无量纲参数及其表达式Tab.1 Some dimensionless parameters and their corresponding expressions

式（12）、式（13）中A、B、C根据现实运行工况确定。

2 数值仿真

利用龙格-库塔法（Runge-Kutta methods）求解式（12）和式（13）[12]。其中雨刮片转速设置为1 m/s，雨刮片的初始条件（t=0）设置如表2 所示（其余模型参数值借鉴文献[10-11]）。为了便于实验验证，角加速度在求解之后直接转化为振动加速度aφ和aθ。

表2 数值仿真中初始参数值设置Tab.2 Setting of initial parameter values in the simulations

图4 为数值仿真的雨刮片不同部位2 个周期的运动，每个周期约为2.5 s。加速度的正、负值表示刮刷方向（假设向上刮刷为正）。从图4 可见，刮片在反转后（如2.5 s时）产生强烈的冲击振动，振动加速度的最大值约为63 m/s2。由3.4～4.2 s 的局部放大图可知，当雨刮片在3.8 s 处反转时，反转前的低频颤振在反转后迅速转变为强烈的高频振动。此外，雨刮片的尖端和颈部产生的是同频振动，且尖端的角加速度大于颈部的角加速度。

图4 雨刮片在1 m/s 速度下振动加速度aφ 和aθ Fig.4 Simulated results of vibration accelerations aφ and aθ of wiper blade angle at a speed of 1 m/s

3 实验验证

应用雨刮-风窗摩擦振动实验系统验证理论模型的有效性，如图5 所示，测试系统主要包括驱动控制系统、数据采集系统和电脑等。雨刮片的振动加速度采用32 通道LMS 数据采集系统进行测量，采样频率为6 400 Hz，频率分辨率为1 Hz。与真实车辆的实验不同，本实验系统在雨刮片上安装振动传感器，且刮刷速度、反转速度及反转时间可在实验系统伺服电机的控制下改变。

图5 雨刮-风窗摩擦振动实验测试系统Fig.5 Experimental system for measuring wiperwindscreen frictional vibration

雨刮片以1 m/s 的速度刮刷时，数据采集系统采集到的振动加速度信号如图6 所示。为便于验证理论模型的有效性，实验与数值仿真速度设置为相同的值。图6 为11 s 内雨刮片的刮刷运动，其中每个刮刷周期的持续时间约为2.5 s，振动加速度正负值与数值仿真中的含义相同。由图6 可见，反转后的振动最明显，每次反转后（例如7.3 s）会产生强烈的冲击振动，最大振动加速度约为65 m/s2，与第2 节获得的数值仿真结果较好地吻合。由局部放大图可见，在反转之前振动衰减，当雨刮片在11 s 反转时，反转前的低频颤振迅速转变为反转后的高频振动，该结果与图4 的仿真结果相同。

图6 以1 m/s 速度运动的雨刮叶片振动加速度实验结果Fig.6 Experimental results of vibration acceleration of wiper blade moving at a speed of 1 m/s

通过以上比较可以得出，反转冲击振动和反转前后加速度变化模式等实验和仿真结果具有较好的一致性。因此，本文提出的雨刮片理论模型在计算振动特性上是准确的。

4 结论

本文建立了用于研究雨刮-风窗接触系统摩擦振动的理论模型。通过考察接触系统工作反转过程中产生的振动及异响，综合考虑雨刮片截面细节建立并推导了动力学解析式。采用龙格-库塔法对解析式进行求解，模拟了雨刮片产生的振动及反转情况。仿真结果表明，叶片的颈部和尖部在工作中的振动为同频振动。利用雨刮-风窗实验系统进行了摩擦振动实验，再现了雨刮片的振动行为，同时证明在1 m/s 的常用工况下实验结果和仿真结果具有较好的一致性，验证了所建理论模型的有效性。本文所建立的理论模型和实验所得结果可为雨刮片结构优化提供一定参考。