汽车雨刮器的设计与动力学分析.doc

全套设计（图纸）加扣扣 194535455汽车雨刮器的设计与动力学分析摘要汽车在人们的日常生活中已经十分重要，作为汽车重要的安全件之一的雨刮器的地位日益提高，人们对雨刮器越来越重视。人们在日常生活中经常使用雨刮器，只要是适应雨天行驶的交通工具，几乎都配备了雨刮器，因此对雨刮器习以为常。本次设计将对长城哈弗H6所配备的雨刮器连动杆总成进行具体的结构设计，并使用SolidWorks对雨刮器进行整体建模和运动仿真，设计出具体的连动杆，并画出连动杆图纸和雨刮器的连动杆总成的装配图。并对主要的传动机构进行Adams运动学分析。作为一种需要循环动作的机构，雨刮器的使用寿命也是十分重要的，各个零件的受力情况是设计时的重要考虑因素，因此我们必须对重要的零件进行受力分析并进行优化，改善应力分布或优化零件设计，以便延长使用寿命。在循环的动作中必须改善部分零件的装配关系避免摩擦的因素造成使用寿命的变短。在汽车上面每一处空间都必须合理的利用因此在雨刮器的设计过程中必须考虑整体的体积，减小雨刮器的体积也是需要考虑的重要因素。关键词：雨刮器、建模、运动仿真、AdamsThe design and dynamicanalysis of automotivewiperABSTRACT: Cars in peoples daily lives has been very important position wiper important safety car parts as one increasing, more and more people pay attention to wiper. Wiper linkage rods mainly by four organizations, the implementation will rotate into about swinging. There are four-bar mechanism and power elements reducer connection speed to achieve what we want, people often use the wiper in everyday life, as long as the vehicle to adapt to driving rain, almost all equipped with a wiper, wiper and therefore granted. The design will be the Pentium b70 is equipped with wiper linkage rod assembly specific structural design, and use of the wiper SolidWorks overall modeling and motion simulation, design specific linkage rod and draw linkage lever drawings and wiper linkage rod assembly assembe drawings. The main transmission mechanism and kinematic analysis were adams, in wiper blade during use, there are many problems, this design study for wiper noise problems and to seek to solve or alleviate the problem.As a need to cycle the action mechanism, wiper blade service life is also very important, the forces of the various parts is an important consideration when designing, so we have an important part to stress analysis and optimization, improved stress distribution or optimize part design, in order to prolong life. Factor in the action of the loop must improve relations with parts of the assembly to avoid friction caused life becomes short. In the car on top of every rational use of space must therefore wiper design process must consider the overall volume, an important factor in reducing the volume of the wiper is to be considered.Key words：wiper,modeling,motion simulation,Adams35目录第1章 前言11.1课题背景11.2雨刮器的产生、现状及发展趋势11.2.1雨刮器的现状11.2.2雨刮器的产生21.2.3雨刮器的发展趋势21.3研究的目的和内容31.3.1 研究目的31.3.2 研究内容31.4设计方法3第2章 总体方案的设计与确定52.1 设计对象及总体参数52.1.1研究目的52.1.2总体参数52.2 雨刮器结构简析62.3 具体方案设计62.3.1减速器的设计：72.3.2四杆机构的设计82.4 方案对比及选择92.4.1减速器对比92.4.2四杆机构对比92.5 总体设计方案9第3章 结构设计103.1 连动杆总成设计103.1.1参数设计103.1.2结构设计133.2电机总成设计143.2.1参数设计143.3 摇臂总成设计173.3.1参数设计173.3.2参数设计183.4电路连接18第4章 优化设计194.1连接杆的应力分析和优化设计194.1.1夹具的添加204.1.2负载的添加204.1.3网格与材料214.1.4应力分析结果234.1.5优化设计234.2电机摇臂的应力分析和优化设计234.2.1夹具的添加244.2.2负载的添加244.2.3网格与材料254.2.4模拟的结果264.2.5 优化设计27第5章 运动学分析275.1运动学分析的重要性275.2分析过程285.2.1分析工具285.2.2分析过程285.3运动分析结果295.3.1连接杆的运动状态305.3.2左摇杆的运动分析315.4运动分析结论33总结34致谢35参考文献36第1章 前言1.1课题背景我国的汽车工业发展至今已成为我国GDP的重要支柱，在过去的六十年里面我国汽车工业一点点壮大，随着我国经济一起飞速发展。经过六十年的发展我国已经成为了世界第一汽车制造大国，我国的汽车制造工业所取得的巨大成就，令整个汽车业界乃至整个国际社会刮目相看。我国的汽车工业大概分为了三个阶段：第一个阶段是1978年以前，是汽车配给时期，我国这时候的汽车行业缺重少轻，几乎没有轿车，用户多半都是公有制事业单位，年销量只有17万辆；第二阶段是1979年到2001年主要是汽车市场培养和借着改革开放的东风开始慢慢的发展；第三个阶段是2002年以后，这段时间汽车行业蓬勃发展，汽车平均年销量接近100万辆。汽车也是十分的平民化了，家家户户都可以拥有汽车。汽车在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，已经成为人们生活出行必不可少的交通工具，汽车运输的安全性也越来越重要。行车安全不仅仅包括行驶中的遵守规则，对机动车本身的调养、维护也是十分重要的一方面。如果驾驶的汽车本身有问题，那么随时都有事故的可能。汽车在行驶过程中，透过挡风玻璃的视野是驾驶员获取信息的重要渠道，驾驶所需要的信息百分之八十以上都是靠视觉获取的，因此对党风玻璃的要求很高。不仅仅是透明性、大小、厚度，清洁程度也有很高的要求。因此雨刮器是汽车上面必不可少的零件。1.2雨刮器的产生、现状及发展趋势1.2.1雨刮器的现状雨刮器又称汽车风窗刮水器、挡风玻璃雨刷、水拨等。1893年福特发明世界上的第一辆汽车，为了清洁挡风玻璃上的水滴和灰尘，雨刮器随之而问世2。经过一百多年的发展，从而有了现在的雨刮器。现在我们汽车上面的雨刮器除了清洁灰尘、刮净雨水外还具备了自洁、防污等功能。而且类别也越来越多样化，每种雨刮器对应着相应的雨刮对象。圆弧形的玻璃有与其对应的弧形运动雨刮设备，刮刷车内玻璃的雨刮器则安装了吸水性更强、更加易除尘除霜的刮片，在农用机械上面又有强适应性的雨刮器，轿车上面则用了美观、实用精巧的雨刮设备。下雨的时候驾驶员会打开雨刮器，挡风玻璃上的雨刮器刮臂就会绕转轴中兴摆动，刮掉挡风玻璃上的水滴，保证驾驶员的视野，保证行车安全。我们说看到的雨刮器十分简单也就是两根摇臂。其实，看似简单的雨刮器并不简单，整个雨刮器的总成结构包括：电动机、减速器、四杆机构、刮臂轴、标准化摇臂等。还包括比较复杂的电路结构，保证雨刮器可以在不同的雨量条件下以不同的速度工作，还有电刷回位开关用来保证关闭雨刮器的时候，刮臂都会停在玻璃的底部，不会停在挡风玻璃中间阻挡驾驶员的视野。1.2.2雨刮器的产生雨刮器最早出现在1910年，经过一百多年的发展，雨刮器一成为了汽车上面重要的安全件之一。出于对安全的考虑，我国有法律明文规定：没有雨刮器的汽车严禁在道路上行驶。雨刮器的构想产生于美国特瑞科公司的董事长，他在雨天开车的时候，因为看不清道路而撞上了一个男孩。最初的雨刮器是塑料片在挡风玻璃上手动旋转，其缺点十分明显，容易造成人体疲劳，后来经历了真空驱动泵作为动力的第二代雨刮器，因为汽车速度的大幅提高而放弃，后面有了现在的第三代雨刮器电动雨刮器。1.2.3雨刮器的发展趋势观察这些年雨刮器的发展可以知道，在雨刮器的发展上面跟趋向于智能化、柔性化、人性化、一部分零件标准化。从以前的福特眨眼雨刷到现在的雨刮器，不难看出：现在的雨刮器不仅仅是电机驱动的简单循环运动，整个雨刮器的设计加入了不少电器结构。速度开关可以让使用者选择不同的刮刷速度，回位开关保证了每次雨刮器的刮臂都停在挡风玻璃下部，不会遮挡驾驶员的视野。零件的标准化让更换容易故障的零件更加方便快捷。这些方面的发展是一百多年来人们的经验总结，在雨刮器以后的发展中想必在这些方面做得更好。1.3研究的目的和内容1.3.1 研究目的针对雨刮器现存容易出现的故障，运用机械创新技术设计出简单合理，性价比高的汽车雨刮器，特别是改善汽车雨刮器使用时噪声的问题。1.3.2 研究内容良好的视野是车辆能否正常行驶的重要保障，雨刮器的责任也显得十分的重大，然而雨刮器在汽车的零件中也是属于比较容易损坏的，受损的雨刮器在刮刷风窗的时候不能将风窗完全刮干净容易形成一些阻碍视野的条纹，如：带状条纹，是因为没有找到雨刮臂的最佳支点，导致刮臂不是每个部位都与玻璃充分接触；雾状条纹，一层油状的薄膜随着雨刮器的使用而分布在玻璃上面，通常是因为脏、污huo9zhe车蜡附着在玻璃上面导致的。细水现象，雨刮器刮刷玻璃后，仍然有小水滴贴在玻璃的表面，这种问题多半也是因为车蜡或者油污硅化物粘附在挡风玻璃上面导致的。雨刮器使用时发出“咔哒”声响或者刺耳的噪音，大多是因为胶条的磨损及摇臂杆、摇臂轴老化变形导致的3。挡风玻璃的干净与否与行车安全息息相关，雨刮器的问题就是行车安全的大问题，上面所提到的就是亟待解决的问题。1.4设计方法现在汽车雨刮器的结构相对比较成熟，市场上面很容易找到雨刮器的成品。因此，此次对雨刮器的研究可以参考现在市场上面的雨刮器，并查阅相关的资料，找出现有雨刮器的结构，同时加以改进。将雨刮器的整体结构进行CAD建模，关键零件的受力分析和整体动力学分析。SolidWorks的主要用途是机械设计，还可以进行电气、电子设计，CAM自动编程等。此次设计采用SolidWorks整体建模并且可以使用SolidWorks的受力分析模块对关键零件进行静力学分析。同时可以进行运动仿真，验证设计的合理性。关于运动仿真可以采用ADAMS进行动力学分析。本次设计所用到的专业软件就是ADAMS和SolidWorks两个，但是由于在大学的学习可从中并没有接触过这两个软件，因此要对两个专业软件进行比较系统的学习，在时间的计划安排上面就显得比较紧凑了。整个设计过程首先需要确定各个零件的结构，计算各个零件的尺寸；然后针对各个零件用SolidWorks建模；再后面需要将各个零件的三维模型进行装配，对整体运动仿真，关键零件受力分析；最后对整体的三维模型进行Adams运动学分析；最后撰写论文。第2章 总体方案的设计与确定2.1 设计对象及总体参数2.1.1研究目的本次设计对象为长城哈弗H6前风窗玻璃刮水器，长城哈弗H6是我国自主品牌推出的一款中高端轿车，采用三厢的车体结构，前置驱动，由一汽（中国第一汽车集团公司）生产，与2006年上市第一款奔腾。作为一款中高端的轿车，对各个部分的要求都很好，雨刮器作为轿车上面重要的安全件，尤其受到重视。结合我国汽车标准汇编和哈弗H6具体的各方面要求，雨刮器的至少满足以下条件：（1） 高效的除水、除雪能力；（2） 高效的出尘、除垢能力；（3） 八十摄氏度以上的高温工作环境；（4） 零下三十摄氏度的低温工作环境；（5） 通过扫雪载荷测试能力；（6） 循环寿命在150万次以上；（7） 耐酸碱、氧化腐蚀；（8） 刮刷次数大于等于20次每分钟；（9） 高速档和低速档刮刷次数差值大于等于15次每分钟；（10）刮刷方式为同向刮刷，切偏向驾驶员方向；2.1.2总体参数长城哈弗H6的车身总长为4640mm，宽度达到了1825mm整车高度为1690mm。相对市场上面的SUV来说显得稍微要大一些。本次的设计对象为长城哈弗H 6的前风窗雨刮器。通过搜集资料我们可以知道前风窗大致尺寸为上底为1300mm，1700mm，高为1200mm的等边梯形。设计采用的刮条为卡卡买长城哈弗H6专用无骨雨刷刮条总成，此刮条尺如图所示寸为主驾24寸（80cm），副驾16寸(约为53.33cm)。此刮条将于设计的雨刮器各部分相互配合组成完整的汽车前风窗雨刮器。2.2 雨刮器结构简析经过一百多年的发展，雨刮器经过了三个大阶段的改进，现阶段的雨刮器的结构已经非常成熟。雨刮器总成如图2-1所示，含有电动机、变速箱、四杆机构。刮水臂心轴、刮水片总成等。市场上面现存的雨刮器也都是由以上几个部分构成，只是各个机构的具体设计有些不同，但是机械原理也都是相同的。电机的告诉转动通过减速器减速增矩驱动摆臂，摆臂带动四杆机构，四杆机构带动安装在底座上的转轴左右摆动，轴与雨刮片摇臂通过花键连接，最后带动雨刮片刮扫挡风玻璃。其中雨刮器动力由电机提供，因为雨刮器是汽车重要的安全件之一，所以对电机的要求也是很高的，现阶段的雨刮器一般选择永磁直流电动机。电动机与四杆机构之间还连接有减速器，减速器的作用是减速增矩。减速器减慢轴的转速，同时增加轴的扭矩，以达到四杆机构对力矩的要求。减速器连接四杆机构，四杆机构主要是将轴的转动转化为短摇臂的左右摆动，最后左右摆动通过摇臂心轴转化为刮水臂绕摇臂心轴的摆动。图2-1雨刮器大致结构2.3 具体方案设计雨刮器发展至今技术已经十分成熟，各个部分的设计都有很多种选择，在本次设计中，应该各个方面综合考虑，设计出结构简单，便宜实用的雨刮器，在降低成本的同时也要考虑到雨刮器的总体使用寿命。在各个方面中大致有以下的结构需要重点的考虑。2.3.1减速器的设计：方案一：采用二级减速机减速增矩如图2-2所示。在这里作为电动机和四杆机构之间的传动机构能够很好的匹配转速和传递转矩。图2-2 二级减速器方案二：采用蜗轮蜗杆机构减速如图2-3所示，两根交错的轴之间常常用到蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构可以十分容易的传递两根交错轴之间的动力和转矩，在中间的平面内涡轮蜗杆机构相当于齿轮和此条机构，蜗杆的外形和螺杆的外形十分相似。蜗轮蜗杆机构在实际应用中有很多的优点，在动力的传动中可以达到很大的传动比，减速增矩效果十分显著；体积相比齿轮机构和带轮机构更小，因此应用范围更广；啮合面是线接触，能够承受的压力更大；有自锁性，当蜗杆转速减小的时候，蜗杆能够很好的减小蜗轮的转速。在需要较大减速比例、传动功率不是非常的大、或者需要间歇工作和紧急停止的场合通常优先考虑蜗轮蜗杆机构。图2-3 蜗轮蜗杆机构2.3.2四杆机构的设计方案一：雨刮器的刮臂轴心在蜗轮轴的一侧如图2-4所示，这样的话设计安装都比较方便，并且对刮臂的挂刷角度的控制比较容易，排布方式简单，故障的维修维护比较方便。图2-4 四杆机构方案二：雨刮器的刮臂轴心在蜗轮轴的两侧，这样的设计让体积更小，但是在运动的时候上下连动杆的间隙比较小，但是结构更加紧凑，更加节省空间，有利于汽车的其他部分设计排布。2.4 方案对比及选择2.4.1减速器对比二级减速箱的减速作用十分显著可靠，但是结构更加复杂、体积更大、成本更高，并且不是很适合雨刮器这种需要间歇性运动的机构。涡轮蜗杆机构的减速器是比较传统的机构，有自锁特性恰好合适最后雨刮器的停留位置确定和雨刮器回位开关的设置，蜗轮蜗杆机构使用的寿命长，减速传动比很大但是工作效率比较低，零件的磨损很大。针对本次设计的设计目的:设计出简单实用，价廉质优的雨刮器和改进雨刮器体积的设计任务，综合考虑选择蜗轮蜗杆减速机。2.4.2四杆机构对比上面方案比较所提出的两种雨刮器连动杆排布各有优缺点，综合设计的要求选择体积更小但是机构稍显复杂的设计方案，让蜗轮轴在两个刮臂轴心的中间以便减小雨刮器最终的体积。2.5 总体设计方案雨刮器大体上是由电机总成、连动杆总成、摇臂总成三部分组成。在电机总成中包括作为动力源的直流电机和蜗轮蜗杆减速器，主要零件有电机套、蜗轮轴、蜗杆、蜗轮、蜗轮箱、蜗轮箱盖以及一些固定件和紧固件组成；在四杆机构总成中，主要的零件有电机摇臂、连接杆、长连杆、左连杆、右连杆、底座电机摇臂以及固定件和紧固件组成。在四杆机构中连杆之间添加垫片，用以减小摩擦和隔开连接杆防止机械撞击。连接杆用铆钉连接，在铆钉与连接杆之间同样也要添加垫片目的相同用来减小摩擦。摇臂轴与左右连杆之间添加花键让连杆将左右的摆动顺利的传到摇臂轴上；摇臂总成主要是由两根摇臂组成每根摇臂有短摇臂和摇杆组成，他们之间也是由铆钉连接因为这里连接的摇臂和摇杆之间并没有多大的相对运动所以并不需要添加垫片来减小摩擦，直接用铆钉连接。第3章 结构设计3.1 连动杆总成设计四杆机构是雨刮器的主要的传动机构，其中雨刮器的刮刷角度主要由四杆机构确定，因此四杆机构显在雨刮器中显得尤为重要。3.1.1参数设计1.四杆机构基本结构图3-1 连动杆总成的结构雨刮器四杆机构的大致结构如图3-1所示，主要由底座、左摇杆、右摇杆、长连杆、连接杆、电机摇臂、摇臂轴七部分组成。其中底座主要是连接各部分和便于安装的作用，并不参与传动，但是在四杆机构运动的过程中底座将起到支撑各个部分的作用；电机摇臂主要是绕电机轴旋转，将电机轴的旋转传递给连接杆；连接杆是连接长连杆和电机摇臂的零件，同时由于左右摇杆和连接杆的长度比例关系，连接杆将电机摇臂的旋转运动转化为左摇杆和右摇杆的摆动运动；长连杆的作用是将左右连杆连接起来，使左右连杆的摆动实现同步。左摇杆和右摇杆与摇臂轴配合将摆动转化为摇臂轴呈一定角度的来回旋转；摇臂轴是连动杆总成与摇臂总成连接的组件，可以将运动传递给摇臂总成。2.四杆机构总体参数 图3-2 连动杆参数结合现在市场上面的雨刮器大致结构和设计对象具体尺寸得出的实际所需的刮刷面积，以及所选择的无骨雨刷的尺寸，设计的挂刷角度为主驾部分风窗玻璃刮刷101副驾驶部分风窗玻璃刮刷90，所以左摇杆摆动角度为90，右摇杆摆动角度为101。参考设计对象安装部分的尺寸得出四杆机构的总体参数，四杆机构的底座长度与长连杆的长度如图3-2所示，都选择为400mm即L=L=400；左摇杆长度L1=84.84。3.右摇杆的长度确定因为主驾驶部分风窗玻璃与副驾驶部分风窗玻璃的挂刷角度的不同所以左右摇杆的长度也必定不一样。根据左摇杆的长度、底座长度、长连杆的长度、以及左摇杆和右摇杆的摆动角度可以确定右摇杆长度。图3-3 右摇杆的长度分析方法：首先如图3-3总1所示 以做摇杆的左右极限位置为圆心，长连杆长度为半径做圆。然后如图3-3中2所示 以底座右端为圆心长连杆L2的长度为半径做圆O2。最后如图3-3中3所示 O2与第一步中两个圆有两个交点分别连接两个交点与底座右端点。所得直线L2与L2即为右摇杆的极限位置。L2与L2的夹角即为右摇杆的摆动角度。结论：通过实验发现，当L2=L2=77.77的时候两直线的夹角为左右摇杆的摆动角度101，故右摇杆的长度L2=77.77。4.电机摇臂与连接杆的长度确定在左右摇臂长度固定的时候电机摇臂与连接杆的长度直接关系到四杆机构运动的状态。长度不对可能造成摆动角度过大甚至翻过底座的情况。只有确定正确的长度才能保证四杆机构的运动状态和我们所需要的一致。由于连接杆连接的节点是左摇杆与长连杆的几点处。所以，我们拿左摇杆的摆动极限位置来分析，左摇杆的摆动极限如图所示。图3-4 电机摇臂及连接杆长度分析为保证雨刮器连动杆的整体体积方便安装于是取电机摇臂的转动圆心离摇臂轴的中心连线垂直距离如图3-4所示d4=20mm，取电机摇臂的转动圆心离左摇杆与长连杆的节点的运动极限位置的连线垂直距离d3=20mm。设电机摇臂长度为L3，连接杆长度为L4。分析得： (3-1) (3-2)DE=DF-d4 (3-3)L4-L3=d1 (3-4)L4+L3=d2 (3-5)联解以上方程得L3=56.56mm L4=84.84mm5.参数总结综上所述四杆机构的具体参数为：底座长度L=400mm，长连杆长度L=400mm，左摇杆长度L1=84.84mm，右摇杆长度L2=77.77mm，电机摇臂长度L3=56.56mm，连接杆长度L4=84.84mm。以上长度均为节点间的距离。3.1.2结构设计详细的结构设计如图3-5所示，为了保证强度连杆宽度取为14mm，两端倒半圆，左右摇杆连接摇臂轴的一端开键槽缺口，连杆之间用6mm沉头铆钉连接铆钉连接，在连杆与连杆之间和连杆与铆钉之间用垫片隔开减小摩擦。同时在将连杆中部压凹加强强度，节点处表面淬火，增加耐磨性能。在长连杆处，将节点处向下降低11mm，连接杆处将节点处降低20mm防止变形是发生的额机械撞击。但是需要考虑在降低后的力学性能，必须进行力学分析。图3-5 连动杆总成3.2电机总成设计电机总成在雨刮器中显得十分重要，电机总成控制着雨刮器的刮刷频率和雨刮器关机时的自动回位。在使用者使用雨刮器的时候，主要也是通过控制电机总成，继而控制雨刮器的工作状态。3.2.1参数设计1.电机总成的基本结构图3-6 电机总成组成结构电机总成的组成结构如图3-6所示，主要由电机、电机套、蜗轮箱、蜗轮箱盖、蜗轮蜗杆机构、电机轴组成。这里的电机轴并不是指电机的转轴，而是电机总成与连动杆总成之间的传动轴。电机轴可将经过减速增矩后的转矩传递给电机摇臂。直流电机与蜗轮蜗杆机构分别放置于电机套与蜗轮箱里面。，蜗轮箱中蜗轮蜗杆机构需要润滑，这里为了降低技术难度和保护蜗轮箱的强度，选择不用开油槽的脂润滑。蜗轮箱盖在电机总成中主要起到密封蜗轮箱的作用，放置蜗轮中的润滑脂泄露。2：电机总成总体参数根据雨刮器的各项技术要求确定雨刮器的刮刷频率，雨刮器的刮刷频率为低速档30次每分钟，高速档45每分钟。雨刮器的使用时通过控制电机供电达到控制电机转速的目的，因此高速档对应着电机的较高的转速即额定转速。电机额定转速与蜗轮传动的商即为刮器的刮刷频率。因此在刮刷频率确定的时候电机的额定转速与蜗轮的传动比需要综合考虑，让电机额定转速与传动比相对刮刷频率符合上述关系。3.电机及蜗轮蜗杆的选择：在电机的选择上面，因为雨刮器对汽车的重要性，因此我们选用转速较为稳定的直流无刷电机，在直流电机十分强大的启动性能，在启动后极短的时间里就能达到我们所需要的转速，同时良好的调速性能也刚刚好适合雨刮器所需要的两档转速，使调速更加方便。由直流电机的转速公式： (3-6)Ia:电枢电流 Ra：电枢电阻本次设计的雨刮器为双摇臂雨刮器，所以电机的额定转矩为 ：T=2klf (3-7) K：传动杆传动系数=电机轴的转矩/摇臂轴上转矩l：雨刮器刮片的长度f：刮片上在垂直于玻璃平面方向上面的压力通过参阅资料和结合自身的具体数据，得知设计对象的最大的摩擦系为的挡风玻璃表面湿润时的摩擦系数此时：=0.40.6（取值0.5）；k=1；l=80cm；f=4.3n；蜗轮蜗杆传动效率=0.99，四杆机构传动效率=0.98经过计算得，电机的转矩为T=0.510.64.32=2.58nm故电机的额定功率为p=T2n3.14/（60*） (3-8)T：电机输出转矩N：电机转速通过查阅直流电机数据得出在输出转矩为2.58 nm时，转速n=59故电机额功率为p=15.93w根据上面的结果和成本和体积综合考虑后，选用通宝zd1335雨刮专用电机，泵本电机体积较小，便于安装和其他部分的设计。运行可靠，故障率低。zd1335电机的主要参数如表3-1所示：表3-1 zd1335电机主要参数额定电压（v）额定功率（w）额定转速（r/m）12304565：蜗轮蜗杆减速机减速后的转速数值上面和雨刮器的额刮刷频率相等因此在，电机选择后蜗轮蜗杆减速机的传动比成为定值，经过计算后得出电机转速符合要求。蜗轮蜗杆机构减速机相对其他的减速机有很多优点，相对其他减速机更大的传动比、传动平稳、噪声污染小、有自锁特性等等。用到雨刮器中的时候，自锁特性刚刚好适合雨刮器的回位开关，让摇臂停在风窗玻璃的底部更加方便；同时也用到了蜗轮蜗杆机构的大传动比的特点，在电机直接带动蜗杆的时候，较大的传动比是我们刚好所需要的。通过查阅蜗轮蜗杆的啮合条件和蜗轮蜗杆的传动特点：蜗杆转动一圈，蜗轮转动一齿。模数和压力角的选择：在正确啮合的条件中蜗杆蜗轮的模数额压力角必须分别相等。压力标准值为20。蜗轮齿数与蜗杆头数的推荐值如表3-2， 故结合本次的设计数值取：z1=2，z2=30表3-1 蜗杆头数及蜗轮齿数推荐值传动比7131427284040z1422、11z2285228542880403.3 摇臂总成设计摇臂总成是雨刮器中连接连动杆总成与雨刮刮条的机构，摇臂总成能够控制刮条的压力，也就能够影响刮条的摩擦力，便能够控制电机的负载，对电机的选择也有一定的影响。3.3.1参数设计1.摇臂总成的基本结构雨刮器的摇臂总成组成结构如图3-7所示，摇臂总成主要是由短摇臂和摇臂组成，短摇臂与摇臂之间由铆钉连接，因为短摇臂与摇臂并没有太大 的运动关系，因此并不需要考虑减小摩擦，也就并没有用垫圈隔开，这样也可以降低成本。短摇臂与摇臂连接的节点略微高于短摇臂的上平面。短摇臂也摇臂之间有弹簧连接，可以为摇臂提供压力，以便雨刮器刮条能够紧密的与风窗玻璃贴合，让雨刮器刮刷更加干净。短摇臂与连动杆总成相配合，短摇臂的下端有键槽使连动杆的摇臂轴能够顺利的将转动传递给短摇臂，进而带动摇臂左右摆动。摇臂上端向右偏移一段距离，以便在雨刮器的左极限位置的时候雨刮器的刮条不会超出风窗玻璃的下部。图3-7 摇臂总成组成结构2摇臂总成的总体参数通过考察市场上面的雨刮器的摇臂总成并结合设计对象的具体参数得出本次设计的摇臂总成所需的实际长度。摇臂总成在短摇臂方向的总长为551mm，为了保证刮刷的干净程度，在短摇臂上面添加弹簧挂钩，因此取得实际的短摇臂长度为120mm，所以在短摇臂方向上面的长摇臂长度为331mm。3.3.2参数设计为了保证结构强度短摇臂的截面选择为24mm*8mm，下端与摇臂轴配合的地方开键槽键槽尺寸2mm*2mm*6mm。通过螺母与摇臂轴上的螺纹相配合，紧固短摇臂防止短摇臂脱落。在摇臂的上部分，将摇臂弯折成标准的u型接口，以便和适用于设计对象的无骨雨刷器配合。在摇臂顶端向右偏移50mm的接头处为了改善受力情况，倒5mm圆角。3.4电路连接整个雨刮器的电路连接相对简单如图3-8，在直流电机上面有两个供电接头一个，分别对应电机的高速档和低速档；还有一个接头盒电源的负极连接。在蜗轮机构中有电刷式回位开设置，在雨刮器摇臂没有回到风窗的底部的时候，回位开关将电源开关短路。这时候即使断开电源开关，电机仍然会继续供电，直到摇臂回到风窗底部，回位开关断开，电机停止运转。由于蜗轮蜗杆机构的自锁特性，摇臂将停在风窗底部。图3-8 雨刮器电路原理图第4章 优化设计机械设计是在熟练掌握机械设计相关学科并且对设计对象有充分了解情况下进行的有目的的创造机械产品的一项有较高要求的技术，整个设计的过程必须进行有目的的进行，一切行为以目的和结果为导向，整个过程包括对对象的分析、基础的设计构思、具体行为安排、相关的计算、试验、绘图。也可以说机械设计是将一套设备或者生产系统参考实际的生产技术和科学进行制定的过程。设计过程具有多解性，设计者需要通过仔细的分析和有依据的选择得出最优解，而这个得出最优解的过程统称为优化设计。在工程实践中，追求结果的最优化一直是设计者和工程师们的目标，在此次的优化设计中主要参考了应力分析的结果对已经设计好的零件进行优化和改进。4.1连接杆的应力分析和优化设计连接杆属于雨刮器的连动杆总成，也是连动杆总成中的重要部件，连接杆两端连接着长连杆节点和电机摇臂节点，属于重要的传动部件。连接杆的工作状态直接影响到整个雨刮器的运行正常与否。4.1.1夹具的添加如图所示,此次的应力分析是处于电机启动后，电机摇臂将转矩和力传递给连接杆瞬间。连接杆上面的电机摇臂节点开始受力运动而长连杆节点还是处于静止的状态。所以在夹具的确定中，选择了孔定位如图4-1。夹具的确定就是确定了静止的部分，在分析的运动状态时此处的夹具和运动状态相符合，因此夹具装入状态无误。图4-1 连接杆夹具设定4.1.2负载的添加在说分析的运动状态处，电机摇臂节点处于开始运动的状态而长连杆的节点处于静止的状态。此时的连接杆就是要将电机摇臂的运动传递给长连杆，因此受力主要来自于电机摇臂。电机摇臂与连接杆用铆钉连接，因此受力情况主要来自于与铆钉相配合的孔。受力情况如图4-2所示。图4-2 连接杆负载设定4.1.3网格与材料材料的选择为零件材料AISI 1045 钢。软件将会自动计算模型的信息，此时，模型的具体信息如表4-1所示，模型网格信息如表4-2所示，网格具体信息如表4-2所示。表4-1 连接杆模型信息质量体积密度重量0.0195154 kg2.48604e-006 m37850 kg/m30.191251 N表4-2 连接杆网格信息网格类型实体网格所用网格器标准网格自动过渡关闭包括网格自动环关闭雅可比点4 点单元大小1.35527 mm公差0.0677633 mm网格品质高表4-3 连接杆网格具体信息节点总数14234单元大小8047最大高宽比4.3401单元 (%)，其高宽比列 100扭曲单元(雅可比)的 %0计算机名USER-20150111CN4.1.4应力分析结果图4-3 连接杆分析结果如图4-3所示，在此状态下零件的主要应力分布于降低高度的连接片处，在电机摇臂节点处并没有非常明显的应力增加，然而在弯曲部分应力增加比较明显随着弯曲的延长应力越大，并且在最远端即是在长连杆节点靠近弯曲部分的一侧达到最大。整体的来说，应力的分布比较均匀，但是在长连杆节点处增加较快需要改进零件的整体造型让零件在长连杆节点处的应力分布更加的均匀。降低零件的应力集中程度，增加零件的使用寿命。4.1.5优化设计针对应力集中的情况，和电机摇臂的改进方法采用将连接杆长连杆节点处倒斜角的办法，倒斜角后应力的分布面积增加了，能够减小应力的集中程度，使连接杆不会失效过快，或者变形太快。使其与雨刮器的整体受用寿命符合。4.2电机摇臂的应力分析和优化设计电机摇臂是连动杆总成中的一个重要零件，连接着连动杆总成与电机总成，也是两部分重要的传动部件，因此电机摇臂的受力情况是我们必须深入了解和仔细分析的，在雨刮器的整体结构设计上面，电机摇臂优化设计也是整个设计过程所必不能少的。4.2.1夹具的添加如图4-4所示，应力分析为电机启动瞬间，在电机轴刚好将转矩传递给电机摇臂，而连动杆还是处于静止状态。因此，夹具选择为电机轴与连接杆连接的节点。在电机刚刚启动的时候，此节点也是静止的，夹具的选择（如图所示）与状态相符合。图4-4 电机摇臂夹具设定4.2.2负载的添加在电机刚刚启动的瞬间，电机轴将转矩传递给电机摇臂。但是电机摇臂与连接杆连接的节点处于静止状态，故在节点静止的时候电机摇臂的受力主要是来自于电机轴。电机轴与电机摇臂由平行键和紧定螺栓连接，因此此时电机摇臂的受力有键槽处受力和来自于键条的力如图4-5所示图4-5 电机摇臂负载设定4.2.3网格与材料材料的选择为零件材料AISI 1045 钢，这时候的模型信息为如表4-4所示，模型网格信息如表4-5所示，模型网格具体信息如表4-6所示。 表4-4 电机摇臂模型信息质量体