基于CATIA的运动分析在汽车刮水器设计中的应用

葛 锋，任丙成，冯丽芳

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

汽车在雨雪天气行驶时，前挡风玻璃上容易形成雨水或者被雪花覆盖，妨碍驾驶员视野，影响行车安全。因此，汽车上都配置刮水器清除前挡风玻璃上的雨水、雪或者灰尘等，以提升行车安全性。在刮水器设计中电机的选型主要是采用传统的简化载荷计算公式，然后再通过乘以安全系数的手段实现。计算公式如下。

主刮臂刮片匀速刮刷所需转矩为

副刮臂刮片匀速刮刷所需转矩为

电机转矩T=（Tz+Tf）×α

式中：Rz——主刮臂长，m；Rf——副刮臂长，m；Fz——主刮臂压力，N；Ff——副刮臂压力，N；Mz——主刮臂刮片总成质量，kg；Mf——副刮臂刮片总成质量，kg；g——重力加速度，9.8 N／kg；θ——玻璃倾角，（°）；μ——摩擦系数，0.8～1.65；α——安全系数，1.2～1.5。

摩擦系数μ范围大，是因为刮片在挡风玻璃上的湿刮状态和半干刮状态所受的摩擦力差别大。安全系数α是为了补偿刮水器加速运动、各个关节运动副摩擦、机构变形、刮臂刮片风阻、环境温度等因素带来的影响，是依据设计经验来定义其值的范围。

上述这种方法只是理论计算刮水器匀速刮刷时带动主、副刮臂刮片所需要的转矩之和，再乘以一个以设计经验得来的安全系数α，然后就得到所需电机的理论转矩范围。但是，刮水器刮刷不可能一直匀速刮刷，加上摩擦系数μ和安全系数α都是范围值，故这个公式得来的电机转矩值范围通常很大，难以准确把握真正需要电机输出的转矩，并且为保证刮水器工作性能而保守选择的电机多数会造成电机功率的浪费，以及太大的电机转矩在遇到刮水器意外受阻堵转的情况下也会破坏刮水器内部机构。

本文主要介绍一种刮水器 （江淮和悦RS刮水器）运动模型的建立及分析过程，通过对刮水器相关部件关节运动副建立运动模型，模型建立后通过运动规律得出刮水器的刮刷角度、刮刷角速度、刮刷角加速度，并利用刮刷角加速度更准确地定义电机选型的指导计算公式。

1 刮水器组成及运动原理

江淮和悦RS刮水器组成如图1所示。电机及减速机构整体封装在电机及支架中，减速器输出轴转动带动电机曲柄做圆周运动，通过主刮连杆将运动传递到主刮摆杆往复摆动，主刮摆杆与主刮输出轴铆接在一起，从而带动安装在主刮输出轴上的主刮臂做往复摆动；同时主刮摆杆带动副刮连杆将运动传递到副刮摆杆做往复摆动，副刮摆杆与副刮输出轴铆接在一起，从而带动安装在副刮输出轴上的副刮臂做往复摆动。最后，刮臂带动刮片做往复摆动，刮刷去前挡风玻璃上的雨水、雪或灰尘等。

2 运动模型建立与分析［1］

2.1 各关节运动副的分析

图1刮水器中共有7个运动关节，其对应的运动部件、结构以及对应CATIA中各运动副和相应自由度关系见表1。

表1 各运动关节分析表

2.2 运动模型的建立

电机及其减速机构和转轴轴套可以整体作为一个固定的部件，电机输出轴及其曲柄作为一个整体部件，每个摆杆和相对应的输出轴因为是铆接固连关系分别作为一个整体部件，各个连杆分别作为一个整体部件。按照上述将各整体部件装配好后，把CATIA转到数字化装配的DMU运动机构模块中，单击 ， 弹出 “Joint Creation：Revolute” 对话框，单击对话框中 “New Mechanism”建立新运动机构。选取电机和电机输出轴两个部件的运动转轴及贴合平面，建立运动关节1。

限于篇幅，其他关节的建立就不一一赘述。最终模型建立后的效果见图2。

2.3 建立刮水器运动

2.3.1 刮水器运动规律

GB 15085—2013《汽车风窗玻璃刮水器和洗涤器性能要求和试验方法》中第4章性能要求对刮水器的刮刷频率有如下规定：①刮水器至少应有2种刮刷频率；②一种刮刷频率不低于45次／min；③一种刮刷频率不低于15次／min，且不高于55次／min；④最高的刮刷频率和其中一种低的刮刷频率之间的差不低于15次／min。

现在设定刮水器高速刮刷时的频率是60次／min，即1次／s。对应刮水器电机轴转速应为1转／s，即360°／s。

2.3.2 刮水器运动规律的建立

使用CATIA中的关系公式建立刮水器的运动公式，步骤如下。

选中 “Mechanism.1”， 单击 “知识” 工具栏中的 “Formula（公式）” 按钮 f（x）， 弹出 “公式：Mechanism.1”对话框，如图3所示。在对话框 “参数 ” 文 本 框 中 选 中 “Mechanism.1＼Commandscommand角度”，单击 “添加公式”按钮，弹出“公式编辑”对话框，如图4，定义长度与时间的关系。

其 中 “1s／360deg” 的 意 义 是 运 动 速 度 为360deg／1s，即每秒钟转动一转。至此，运动规律建立完成。

2.4 测量刮水器的刮角、角速度和角加速度

1） 单击 “DMU Kinematics（数字模型运动）”工具栏中的 “Speed and Acceleration（速度和加速度”按钮 ，激活对话 框 中 “reference Product（参考产品）”文本框，选择电机及支架作为参考， “Point Select（点选择）”选择主刮摆杆上的一点作为测量点，见图5。同理，建立副刮测量点。

2）单击 “DMU Kinematics（数字模型运动）”工具栏中的 “Simulation with Laws（用规则模拟）”按钮 ，弹出 “Kinematics Simulation Mechanism.1（运动模拟）”对话框，如图6所示。单击对话框 中的 “Analysis（分析）”按钮，弹出“Simulation Duration（模拟时间）”对话框，将模拟时间修改为2 s。单 击 “Activate sensor（激活传感器）”对话框，如图7所示。激活“Mechanism.1连接点旋转.4角度”、 “Mechanism.1连接点旋转.7角度”、 “Mechanism.1连接点旋转.10角度”、 “Speed-Acceleration.1角速度”、 “Speed-Acceleration.1角加速度”、 “Speed-Acceleration.2角速度”、“Speed-Acceleration.2角加速度”。

单击 “选择” 按钮， 弹出 “Graphical Reproduction Option（代表图形曲线选项）”对话框，见图8。编制客制化曲线：主刮刮角（“Mechanism.1连接点旋转.4角度” 为横坐标，“Mechanism.1连接点旋转.7角度” 为纵坐标）、 副刮刮角 （“Mechanism.1连接点旋转.4角度” 为横坐标，“Mechanism.1连接点旋转.10角度”为纵坐标）、主刮角速度 （“Mechanism.1连接点旋转.4角度”为横坐标 ， “Speed-Acceleration.1角速度”为纵坐标）、主刮角加速度 （“Mechanism.1连接点旋转.4角度”为横坐标，“Speed-Acceleration.1角加速度”为纵坐标）、副刮角速度（“Mechanism.1连接点旋转.4角度”为横坐标，“Speed-Acceleration.2角速度”为纵坐标）、副刮角加速度 （“Mechanism.1连接点旋转.4角度”为横坐标，“Speed-Acceleration.2角加速度”为纵坐标）。

然后对模型进行模拟，可得所需要的参数，以图形形式显示，见图9。单击 “File（文件）”按钮，可以将曲线参数保存在Excel表格中。

2.5 数据分析

根据章节2.4得到的曲线参数见表2。

通过对表2的分析，可得出如下结论：①刮水器主刮刮角约为85.8°，满足设计刮角≤100°的要求；②刮水器副刮刮角约为86.5°，满足设计刮角≤100°的要求； ③主刮最大角速度约为41.3rad／s， 最 图9 “Sensor Graphical Representation”对话框大角加速度约为40.5 rad／s2（此时刮速为0）；④副刮最大角速度约为42.2rad／s，最大角加速度约为44 rad／s2（此时刮速为0）；⑤主、副刮臂刮片同时到达其最大加速度位置。

上述主、副刮角速度、角加速度数值可以用来指导电机选型。由于选择的角加速度测量点在主、副刮摆杆上，所以CATIA分析得来的角加速度值可以用来计算主、副刮臂刮片因加速度带来的转矩，故本文引言部分列出的刮水器电机转矩计算公式可以改为：T≈Tz+Tf+Taz+Taf+Tc。此时限定主、副刮臂刮片的刮速不为0，以判定刮片上有摩擦力存在，但主、副刮片位置都很接近其最大角加速度位置。由CATIA分析的结果可知，在最大刮刷角加速度时，角速度为0，但是由于角速度和角加速度曲线都是平滑过渡曲线，故可以再在公式中限定最大角加速度附近角速度不为0，以保证刮片上存在摩擦力，使公式成立。

其中，最大刮刷加速度时带动主刮臂刮片所需转矩为Taz=Mz×Raz2×Az（不考虑摩擦力影响）［2］； 最大刮刷加速度时带动副刮臂刮片所需转矩为Taf=Mf×Raf2×Af（不考虑摩擦力影响）。

式中：Az——主刮最大角加速度，rad／s2；Af——副刮最大角加速度，rad／s2；Raz——主刮臂刮片质心和主刮转轴连线在刮臂刮片运动平面内的投影距离，m；Raf——副刮臂刮片质心和副刮转轴连线在刮臂刮片运动平面内的投影距离，m。

电机输出轴仅匀速驱动连杆机构所需的最大转矩为Tc（可以通过工装测量得出，一般也可以根据经验估测一个值）。

匀速带动主刮臂刮片所需转矩为Tz=（Mz×g×cosθ＋Fz）×μ×Rz； 匀速带动副刮臂刮片所需转矩为Tf=（Mf×g× cosθ+Ff）× μ×Rf。

以江淮和悦RS刮水器为例。和悦RS刮水器使用电机的转矩为30 Nm，以下数据为理论值不考虑制造公差，摩擦系数μ选择其最大值。

代入变更前公式

根据上面计算的电机转矩范围值，为满足刮水器工作要求需要选择的转矩为38 Nm或以上规格的电机。

代入变更后公式

根据上面计算的电机转矩值，加上摩擦系数μ已选择其最大值，故可以考虑选择转矩为30 Nm或以上规格的电机，符合和悦RS车实际在用的30Nm刮水器电机转矩。

由于更改后的电机转矩计算公式（Tz＋Tf＋Taz＋Taf＋Tc）计算出的值已考虑到了刮水器刮刷中的主要因素，其计算出的值已很接近刮水器工作所需的电机转矩，故相比传统公式（Tz＋Tf）×α计算的范围值会更加接近刮水器刮刷所需要的最大电机转矩。

3 结论

本文首先通过分析得出了以往刮水器设计中电机选型采用的传统简化载荷计算公式的不足，然后利用CATIA软件工具对和悦RS刮水器进行运动分析，得出了主、副刮角数值，确认刮水器刮角符合设计要求，并得出了刮水器主、副刮的角速度、角加速度数值及其对应的关系，最终利用角加速度和相关参数对应的关系重新定义了电机选型的计算公式，为刮水器产品设计开发提供了一个更加可靠的设计依据。

［1］盛选禹，盛选军.CATIA V5运动和力学分析实例教程［M］.北京：化学工业出版社，2008：35-45，74-91，203-213.

［2］邓星钟.机电传动控制（第3版）［M］.武汉：华中科技大学出版社，2001：5-6.