基于ABAQUS 的雨刮器卡扣有限元模拟研究

边 晖*，刘淑民，佟丽丽，刘淑贞，张嘉伟，刘 畅

(1.天津市产品质量监督检测技术研究院,天津;2.国家市场监管技术创新中心(石油石化产品质量安全),天津；3.天津工业大学,天津)

引言

近年来汽车工业的发展十分迅速，作为汽车最基本和最重要的结构之一的雨刷器也引起人们的关注。关于雨刮器装置的仿真分析众多，于晓丽[1]等人基于SOLIDWORKS 设计了雨刷器并对运动进行了分析，证明了设计结构的合理性；唐扬扬[2]等人对雨刮器系统的摩擦振动进行有限元分析，分析了雨刮器工作中产生振动噪声的机理，为降低噪声提供了依据；Yang[3]等人研究了雨刮器反装过程中的摩擦振动，建立了摩擦振动的数值模型，为优化雨刮器提供了理论依据；同样在其他装置中，对卡扣的有限元分析也十分成熟，李延峰[4]等人分析了冰箱卡扣配合尺寸对扣紧力的影响；雷恒[5]等人，采用有限元方法对汽车前门内饰板出现抖动的现象进行了解释，并提出了问题的原因。不论在雨刮器还是卡扣的研究分析中，采用有限元方法是最常见和最经济的，不仅缩短了实验时间而且大大提高了经济效益[6]。

雨刮器由雨刷片、雨刮臂、雨刷驱动装置、雨刷器连杆、雨刷器电动机组成，各个组成单元在雨刮器装置中起着重要作用。卡扣作为雨刷片和雨刷臂链接固定的重要链接零件，在工作和使用过程中有以下问题：（1） 卡扣断裂或破损[7]：长期使用或外力冲击可能导致卡扣断裂或破损，使雨刷无法正常工作或脱落。（2） 卡扣松动或变形：使用过程中，雨刷器卡扣可能由于材料的疲劳、安装不稳固或外力影响而发生松动或变形。（3） 卡扣锁定失效[8]：如果锁定失效，雨刷片可能会摆动或自由移动，影响清洁效果。（4） 安装问题：安装不正确或不稳固可能使雨刷器卡扣无法正确固定雨刷片和雨刮臂。在以上问题中，卡扣松动和锁定失败将会严重影响雨刮器的清洁效果[9]。由于前人很少涉及到雨刮器卡扣的配合分析，并且针对卡扣工作失效的问题，有必要对雨刮器卡扣的配合过程进行有限元分析，为雨刮器的清洁力提供理论依据。

1 卡扣有限元模型

1.1 几何模型

通过SOLIDWORKS 三维建模软件，建立雨刮器卡扣三维模型，如图1 所示，卡扣的宽度为15 mm，长为40 mm,高为11.5 mm。将装配体文件保存为STEP文件，导入ABAQUS 中，这样可以省略在ABAQUS 中重新装配的过程。由于模型有良好的对称性且只分析卡扣配合处，将整体卡扣模型进行简化。

图1 卡扣简化模型

1.2 材料参数

该模型中使用内卡扣的材料为聚丙烯聚合物，这种材料具有良好的韧性、耐磨性和耐候性，能够承受雨刷器在使用过程中的重复运动和环境压力。外卡扣采用的是圆钢，在ABAQUS 中采用理想的弹-塑性材料模型，各材料参数见表1。

表1 卡扣材料参数

1.3 接触属性

卡扣的有限元分析是典型的接触问题，在配合的过程中是一个动态变化的过程。这就容易造成模型计算过程中的收敛问题，并且内卡扣涉及大变形问题，有可能会考虑材料非线性，这种多重非线性组合会使卡扣有限元仿真需要的时间很长和不收敛。

由于模型较为简单，采用接触对和面-面接触，外卡扣设为主面，内卡扣设为从面，采用有限滑移。接触属性描述接触过程，包括法向属性和切向属性两部分[10]。接触属性法向为“硬”接触，切向为罚摩擦，摩擦系数为0.15。为了缩短计算时间和精确分析内卡扣的配合过程，将外卡扣设为刚体，不考虑外卡扣的变形。

1.4 网格划分

为了确保收敛性并且获得较高的高精度求解结果，需要在接触配合处将网格加密。雨刮器卡扣形状较为复杂，网格单元采用四面体网格，采用二阶四面体网格来保证求解精度。考虑到接触问题和二阶四面体网格形函数的形式，采用C3D10M 单元，可有效提高接触有限变形时的稳健性。模型单元数为74 828，总结点数为114 785。

1.5 边界条件

考虑到雨刮器卡扣的配合过程，将外卡扣所有自由度全部固定，约束内卡扣X、Y 以及绕Y 轴和绕Z轴转动的自由度。对内卡扣施加X 正方向4 mm 的位移，切好使内卡扣进入到外卡扣孔内。

2 结果分析

2.1 雨刮器卡扣配合过程

雨刷器卡扣配合过程分4 个阶段，如图2 所示。OA 段为内外卡扣刚接触阶段，此阶段内外卡扣受到内卡扣推力（默认内卡扣配合方向为正），从零开始逐渐增加；随后进入AB 阶段，推力逐渐降低；当内卡扣完全进入外卡扣下部时，进入BC 阶段，此时外卡扣收到的推力基本不变，主要由内外卡扣之间的摩擦引起；之后内卡扣完全插入到外卡扣中，此时受到内卡扣的拉力达到400 N 左右，使卡扣卡紧。

图2 卡扣配合过程

2.2 摩擦系数对卡扣强度的分析

在卡扣配合过程的分析中，考虑整个配合过程中内外卡扣受摩擦力的影响，分析三种不同摩擦力下卡扣扣紧力的变化趋势，如图3 所示，从图中可以观察到随着卡扣表面摩擦系数的增加，在OB 段内卡扣对外卡扣的推力逐渐增加。通过对比三种摩擦系数下内卡扣的应力可以发现，摩擦系数为0.1 时，最大冯米塞斯应力为938.1 Mpa,摩擦系数为0.15，最大冯米塞斯应力为947.9 Mpa,摩擦系数为0.2，最大冯米塞斯应力为959.8 Mpa, 因此在制作卡扣的过程中应该考虑内卡扣受摩擦系数的影响，避免对内卡扣造成断裂、裂纹等现象，保证对雨刷器的可靠性和清洁力，对驾驶人员做到最有利的保护。

图3 卡扣扣紧力及应力与摩擦系数关系

2.3 卡扣配合距离对扣紧力分析

为了了解内外卡扣间的配合关系是否对卡扣扣紧力有影响，定义了内卡扣上边与外卡扣下边之间的距离为卡扣的配合距离。设置两组参数分别为0.3 mm 和0.35 mm，分析对卡扣扣紧力的影响。

如图4 所示，通过数据分析软件Origin 对2 组数据进行分类整理和对比。从图中可以发现，不论是X方向的扣紧力还是Z 方向的扣紧力，两者随时间的变化趋势是一致的，可以证明两个仿真分析的准确性。取稳定变化阶段的平均值，分析比较X 方向的扣紧力，当配合距离为0.3 mm 时，最大扣紧力为317 N，当配合长度为0.35 mm 时，最大扣紧力为304 N，同比扣紧力减低了4.72%，从曲线变化趋势上分析，整个配合过程的扣紧力都有降低，其原因为随着配合距离的增加，内卡扣对外卡扣产生的推力在Z 轴上的分量增加；取稳定变化阶段的平均值，分析比较Z 方向的扣紧力，两者仅在OB 段的扣紧力出现不同，而BD 段的扣紧力几乎一致。

图4 卡扣配合距离和扣紧力的关系

考虑到卡扣对雨刮器清洁力的影响，要合理分配内外卡扣的配合距离，若出现松动或者异响等问题[11]，可以从卡扣配合距离角度去避免这类现象的发生。

3 结论

（1） 本研究介绍了卡扣有限元仿真的过程，考虑了卡扣模拟过程的大变形以及材料非线性，证明了用ABAQUS 有限元软件对雨刮器卡扣进行有限元分析的有效性和使用性，为雨刷器卡扣性能改善提供了有价值的见解。

（2） 分析了雨刮器卡扣配合过程和内卡扣的变形情况，将配合过程分为4 个阶段，详细分析了每个阶段的运动情况和内卡扣的变形情况，当内卡扣进入外卡扣的瞬间，扣紧力达到400 N。

（3） 对卡扣扣紧力随摩擦系数的变化进行了评估，对比三种不同的摩擦系数下卡扣的应力分布和变形，当摩擦系数由0.1 到0.15 时，内卡扣的冯米塞斯应力升高1%，摩擦系数由0.1 到0.2 时，应力升高2.3%，因此可以从卡扣间的摩擦系数考虑，提高卡扣的耐用性。

（4） 内外卡扣配合距离对扣紧力会产生影响，当配合距离由0.3 mm 到0.35 mm 时，扣紧力降低了4.72%，要减小卡扣间的距离进而提高卡扣的扣紧力。