眼镜夹片雨刮器的设计和研究

杨均超　周诗韵　刘楚辉　宾晓林　冯鑫

【摘 要】根据眼镜夹片雨刮器的运动要求，结合对三种基本类型的平面四杆机构的对比分析，选择曲柄摇杆机构作为眼镜夹片雨刮器的工作机构，通过连杆机构设计确定了眼镜夹片雨刮器的各组成部分的材料和尺寸，并通过运动分析和传动性能的分析，验证了眼镜夹片雨刮器功能和结构的可行性。

【关键词】雨刮器；夹片；连杆机构；传动性能

0 引言

日前，我国现有近视患者已超过四亿人，占世界近视总人数的33%，尤其是青少年的患病率极高。全国学生体质健康调研最新数据表明，我国小学生近视眼发病率为22.8%，中学生为55.2%，高中生为70.3%。而这些青少年基本的代步工具往往又是自行车和电动车，下雨天上学回家或者外出，雨点洒落在眼镜上时，视线受到阻碍，车辆、行人和景物都变得模糊不清，这对出行十分不利，极有可能因无法看清道路交通情况，导致制动不及、躲闪不及等而发生事故。现在市面上普遍使用的防雨工具，比如雨衣，遮雨帽虽然可以遮雨，但是眼镜上仍会被雨点扫到，并且依然会起雾，并不能很好的解决雨天视线受阻这一问题。本文参考汽车雨刮器的结构与工作原理，研究设计了一种眼镜夹片雨刮器，其一方面改善戴眼镜雨天出行的麻烦，为近视患者提供一个相对清楚的视线，方便出行；另一方面降低外界不可控因素给我们生活带来的不便以及安全隐患，从而减少各种因雨点覆盖镜片而导致的事故发生，提高人们生活质量。

1.电动机；2.连接杆；3.眼镜夹片；4.雨刮器；5.眼镜；6.电池座

1 眼镜夹片雨刮器的结构与工作原理

如图1所示，眼镜夹片雨刮器主要由驱动部分和连杆机构组成。电机驱动四杆机构的原动件作匀速转动，然后带动连架杆使摇杆做变速往复摆动，使得固定于摇杆上的雨刮器在眼镜镜面上做往复摆动，从而达到清除雨雾的目的。

眼镜夹片雨刮器的连杆机构的自由度为1，只需一个电动机驱动，实现单机带两转的机械结构，从根本上减轻重量，使其使用方便。连杆机构的设计保证雨刮器反端可在0～90°范围内摆动，摇杆末端设计成90°弯曲结构，以使其刮雨范围能更好地满足清除镜面雨雾的要求。

雨刮器的微弯设计可以使刮雨效率略增，同时能使得刮雨范围尽可能大。此外，微弯设计也能使其处于起始位置时不妨碍人的视线。连杆机构的连杆要求轻便坚固，能够防水并耐腐蚀，以延长眼镜夹片雨刮器的使用寿命，ABS（丙烯晴）塑料具有高刚度、低吸水性、耐热、不易划伤与变形、在低温条件下具有高抗冲击韧性等特征，用于制作连杆能起到很好的支撑和保护作用。

2 连杆机构设计

2.1 连杆机构类型选择

平面四杆机构主要有曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种，其中曲柄摇杆机构的运动特性符合眼镜夹片雨刮器的动作要求，因此，选择曲柄摇杆机构作为眼镜夹片雨刮器的执行机构。以曲柄为原动件，将曲柄的连续运动转变为摇杆的往复摆动，实现刮雨所需的运动。

2.2 连杆机构结构设计

根据眼镜镜片的大小和眼镜雨刮器的工作要求，可确定眼镜夹片雨刮器结构中的曲柄摇杆机构的摇杆长度L3，摆角ψ和行程速度变化系数K。由给定的行程速度变化系数K可以求出曲柄摇杆机构的极位夹角θ。

如图3所示，当眼镜夹片雨刮器刮雨摇杆的长度L3=19.0mm，行程速度变化系数K=1.4，摇杆摆角ψ=60°时，按上述设计过程计算可得：极位夹角θ=30°，曲柄长度L1=10mm，连杆长度L2=15mm，机架长度L4=23mm。经验算，该四杆机构满足曲柄存在的杆长条件，且最短杆为连架杆，属于曲柄摇杆机构，能满足眼镜夹片雨刮器的要求。

2.3 连杆机构运动分析

眼镜夹片雨刮器的曲柄由减速电动机带动作顺时针匀速转动。如图2所示，当曲柄从B1匀速转动到B2时，摇杆从C1位置摆动到C2位置，曲柄继续从B2顺时针匀速转动到B1时，摇杆从C2位置回到C1位置。

当机构处于如图4所示位置时，∠BAD=80°，若曲柄AB的角速度为ω2为0.25rad/s，由上式可求得ω4=0.196 rad/s，即雨刮器的旋转角速度为11.24°/s，满足工作要求。

2.4 连杆机构传力性能分析

为保证机构有较好的传力性能，通常要求最小传动角γmin≥40°。由图5所示的几何关系可知：最小传动角为γ′和γ″中的较小者。根据图5所示的几何关系，用余玄定理即可求得γ′和γ″的余弦函数值，利用反余弦函数即可求得γ′和γ″的角度值。

已知设计的四杆机构各杆尺寸为a=10 mm，b=15 mm，c=19 mm，d=23 mm；采用上述方法求得γmin=42.98°>40°，说明该机构传力性能较好，运转轻便，传动效率较高。

2.5 连杆机构的驱动

眼镜夹片雨刮器采用直流永磁减速电动机驱动，其输出轴通过联轴器与四连杆机构的曲柄轴相连。眼镜夹片雨刮器的驱动部件要求轻便小巧，尽可能减轻对鼻梁的压力，且减速电机的输出转速要在运行的范围之内。经分析与制作检验，电动机选择了GA12-N20微型减速电机，为减速电机供电的电池选用小巧轻便的CR1220纽扣电池。GA12-N20微型减速电机的额定电压为3V-6V，空载转速为15r/min，额定负载转速为10r/min，减速比为500：1。

2.6 支撑与固定

眼镜夹片雨刮器的固定架如图1所示。支撑物为眼镜夹片，夹片中有弹簧，可以使夹片开闭方便，并可靠固定在眼镜框上。减速电动机使用电机固定架固定在眼镜夹片手按开合处的左侧，其长度和体积不会影响到人的视野。同时为CR1220纽扣电池配置电池座，以将其固定于电机固定架下方，方便接线的同时也进一步增加其的防雨性能。

3 结束语

眼镜夹片雨刮器可以为近视患者雨天出行提供一个相对清楚的视线，减少因雨点覆盖近视镜片而导致的事故发生。本文根据眼镜夹片雨刮器工作所要求的运动规律和轨迹，在对比三种基本类型的平面四杆机构的基础上，选择了曲柄摇杆机构作为眼镜夹片雨刮器的运动机构，按照给定的行程速度变化系数等条件设计确定了其各杆的尺寸。通过对眼镜夹片雨刮器的运动分析和传力性能分析，验证了设计的可行性。

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[责任编辑：侯天宇]