CN112035956B - 汽车雨刮并联刮刷传动机构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车雨刮并联刮刷传动机构设计方法。该设计方法首先将传动机构等同成两个曲柄摇杆机构；然后利用EXCEL自带的公式和规划求解功能，得出五个可动构件AD、DF、CF、BE、EF的杆长组合。利用EXCEL软件内置功能，一次性完成左右两套传动机构的设计，同时可以保证左右两套机构的同步性，传动效率也更高。

Description

汽车雨刮并联刮刷传动机构设计方法

技术领域

本发明涉及汽车汽车雨刮设计技术领域，尤其是涉及一种汽车雨刮并联刮刷传动机构设计方法。

背景技术

汽车雨刮是由360°连续回转的电机通过曲柄摇杆机构驱动的，曲柄装在雨刮电机轴上，当雨刮电机作360°运动时，输出轴上的摇杆带动雨刮刮刷来回摆动，在前风窗上刮扫出一个扇形区域。

如图1所示，根据曲柄摇杆机构的设计原理，可以推算出曲柄在360°内的任意位置时摇杆(刮刷)的位置。曲柄摇杆机构有两个极限位置，分别对应刮刷的停止位置和最大摆角位置。从几何上看，当曲柄1和连杆2在一条直线(共线)上时，摇杆3(刮刷)到达极限位置。共线的情况有两种，一是曲柄1和连杆2重叠，二是曲柄1和连杆2拉直。

设计时既可以选择重叠共线位置作为雨刮的停止位置，也可以选择拉直共线位置作为雨刮的停止位置。雨刮电机在供货状态(装到车上之前)，曲柄位置均在停止位置上(如图3所示)，用手是掰不动的，此时电机曲柄的角位置称为停位角。

由于大多数汽车的雨刮都有两个或三个刮刷(如图4)，因此产生各刮刷间的协调问题，也就是说，各个刮刷应同时返回停止位置。这个功能传统上是通过串联式雨刮传动机构实现的(图5)。

对于有两个或三个刮刷的汽车雨刮系统，通常采用四连杆机构串联实现。电机曲柄上只连接一个连杆，曲柄通过这个连杆带动一个刮刷作来回摆动，该刮刷又带动另一个刮刷摆动。两个刮刷间是串联关系。由于与电机曲柄相连的只有一个连杆，因此电机曲柄的停位角也只有一个，设计时根据左侧刮刷的需求设定即可。右侧刮刷串联到左侧刮刷上，不与电机发生直接联系，依靠串联机构的天然特性可以保证多个刮刷间运动的同步性，即同时启动和同时停止。这种方法设计较简单，但要求电机必须布置在车辆的一侧，以方便串联机构的布置。

出于车辆整体布置的考虑，有时需将电机布置在车辆中间，此时由于空间限制，不能采用串联机构(否则两个刮刷的连杆转起来会互相干涉)，只能采用并联机构，即电机曲柄上连接两个连杆。如上所述，曲柄与连杆共线时的位置为刮刷的停止位置，曲柄上有两个连杆，与左侧连杆共线时有一个停止位置，与右侧连杆共线时又有一个停止位置，那么电机供货时曲柄到底停在哪？如果按左侧停止位置设计，则雨刮启动时左侧刮刷向上摆动，右侧刮刷先向下再向上摆动。右侧同理。如果将停位角设为左右刮刷的中间值，则两侧刮刷均先向下再向上摆动(摆角比按一侧设计时小)。无论哪种情况。都损失了摆动角度，也就是扇形面积减小，有一部分玻璃刮不到，影响雨天行驶时的安全性。

想要解决这个问题只有一个办法，就是保证电机曲柄处在停止位置时，曲柄、左侧连杆、右侧连杆三个件共线。这样两个刮刷的运动就是同步的。

曲柄摇杆机构设计方法，根据下列的公式，可以在已知曲柄、连杆、摇杆的长度和电机与摇杆旋转轴间距离的情况下，计算出系统的摆角、极限位置、电机停位角、最小传动角。其中传动角是表征系统传动效率的参数，越大越好(可以理解为越大越省电)。对曲柄摇杆机构，两个极限位置的传动角角中较小的一个即为最小传动角，一般要求最小传动角不小于35°。

传动角是表征机构传动效率的物理量(传动角越大，效率越高)。在实际生产中不仅要求连杆机构按指定规律运动，还要求传动效率高、运动灵活方便。如图2所示的四杆机构中，AD为固定件，AB为可360°连续回转的主动件，CD为在C’和C”间来回摆动的从动件，则BC与CD的夹角γ为传动角。传动角在AB旋转的过程中是连续变化的，最大值为90°(BC与CD垂直时)。当CD从C’D向C”D的运动过程中，传动角γ先增大后减小，C’D和C”D两个位置中，传动角较小的一个位置即为最小传动角位置，此时的γ值min(γ_C’，γ_C”)即为最小传动角。

最小传动角与CD的摆动角直接相关。设CD的摆动角(C’D与C”D的夹角)为β，则

例如摆角为100°时机构可能达到的最小传动角的极限值为40°。对这种能达到极限值的传动机构，在C’D和C”D时传动角的值相同(都是40°，在C’D和C”D间的位置上，传动角均大于40°)。

此外，各杆杆长的取值范围有一定限制，如各杆长最小不可能小于杆的宽度，最大不可能大于整车的宽度等。

曲柄摇杆机构的相关设计公式：

在如图1所示的曲柄摇杆机构中，已知曲柄AB的长度为a，连杆BC的长度为b，摇杆的长度为c，电机与摇杆旋转轴间距离为d，要求的雨刮摆角为β，则有：

不等式组

c+a<b+d

d+a<b+c

b+a<c+d

曲柄极限位置1：

曲柄极限位置2：

极限位置1时的传动角：

极限位置2时的传动角：

杆长限制：

l₀≥a≥u₀；l₁≥c≥u₁；1.5d≥b≥0.5d₁

其中的l₀、u₀、l₁、u₁由工艺和结构决定。例如，杆件长度最小不能小于其宽度，最长不能超过车辆本身的外廓尺寸。

这些公式只适用于一个曲柄摇杆机构的设计。对并联机构，按传统方法，需分别对两套曲柄摇杆机构(左右两个刮刷)进行设计。由于每个曲柄摇杆机构均有唯一的曲柄停止位置，因此分别设计两套机构时，很难保证两套机构的停止位置相同，实际操作时只能采用手工试凑方式，费时费力，效率低，且不能保证刮刷运动完全同步，传动角等指标也未经优化。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种汽车雨刮并联刮刷传动机构设计方法，利用EXCEL软件内置功能，一次性完成左右两套传动机构的设计，同时可以保证左右两套机构的同步性，传动效率也更高(最小传动角更大)。

本发明采用的技术方案是：一种汽车雨刮并联刮刷传动机构设计方法，包括以下步骤：

(1)、将传动机构等同成两个曲柄摇杆机构；五个可动构件分别为AD、DF、CF、BE和EF，固定件为构件ABC；

CF为电机曲柄，作360°回转运动，长度为a；

构件ABC作为驾驶室本体，旋转轴C固定在车身上，C点位置在A点和B点之间；A点和B点作为固定在驾驶室本体上的两个输出轴；

AD和BE均为摇杆，长度分别为c1和c2，分别与两个刮臂刮刷总成固定在一起，作往复摆动；

ADCF为左侧曲柄摇杆机构，AD为摇杆，长度为c1，与刮刷固定在一起，作往复摆动，DF为连杆，长度为b1，A点和C点均固定在车身上，AC间距离为d1；

BECF为右侧曲柄摇杆机构，BE为摇杆，长度为c2，与刮刷固定在一起，作往复摆动，EF为连杆，长度为b2，B点和C点均固定在车身上，BC间距离为d2；

AC和BC间的夹角∠ACB为α；

(2)、利用EXCEL自带的公式和规划求解功能，在输入固定点间相对尺寸AC、BC和∠ACB，及AD、BE的目标输出角后，输出可满足实际使用要求的五个可动构件AD、DF、CF、BE、EF的杆长组合。

作为优选，，利用EXCEL自带的公式和规划求解具体包括以下步骤：

(a)、利用EXCEL的公式功能，将曲柄摇杆机构的设计公式输入EXCEL；由于左右刮刷对应两个曲柄摇杆机构，因此公式也要输入两遍,此时两套机构的唯一联系是曲柄长度a相同；

(b)、打开EXCEL的规划求解对话框，作如下设置：

将两个机构的最小传动角和所在的单元格设置为目标，将目标结果设置为“最大值”；

将曲柄长度a、左刮刷连杆长度b1、左刮刷摇杆长度c1、右刮刷连杆长度b2、左刮刷摇杆长度c2设置为可变单元格；

将两个刮刷的摆动角度设置为约束；

将各杆件的长度取值范围设置为约束；

将上文所述的曲柄与左右两根连杆同时共线的要求设置为约束条件，数学表达式为：

左侧机构曲柄重叠共线时曲柄角位置+右侧机构曲柄拉长共线时曲柄角位置+∠ACB＝180°

(c)、点击求解按钮，即可得到最优解。

上述曲柄摇杆机构的设计公式为：已知曲柄AB的长度为a，连杆BC的长度为b，摇杆的长度为c，电机与摇杆旋转轴间距离为d，要求的雨刮摆角为β，则有：

不等式组

c+a<b+d

d+a<b+c

b+a<c+d

曲柄极限位置1：

曲柄极限位置2：

极限位置1时的传动角：

极限位置2时的传动角：

杆长限制：

l₀≥a≥u₀；l₁≥c≥u₁；1.5d≥b≥0.5d₁。

其中的l₀、u₀、l₁、u₁由工艺和结构决定。例如，杆件长度最小不能小于其宽度，最长不能超过车辆本身的外廓尺寸。

本发明取得的有益效果是：利用EXCEL实现传动机构设计，将手工试凑方式改为计算机自动计算方式，极大提高传动机构设计效率。

附图说明

图1-2为曲柄摇杆机构示意图；

图3为雨刮处于停止位置上的状态图；

图4为两个刮刷的风窗雨刮的示意图；

图5为串联式雨刮传动机构示意图；

图6-7为雨刮并联机构的机构简图；

图8-10为利用EXCEL设计的过程示意图；

附图标记：1、曲柄；2、连杆；3、摇杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图6-10所示，本发明的一种汽车雨刮并联刮刷传动机构设计方法，一种汽车雨刮并联刮刷传动机构设计方法，包括以下步骤：

(1)、将传动机构等同成两个曲柄摇杆机构(如图6和图7)；五个可动构件分别为AD、DF、CF、BE和EF，固定件为构件ABC；

CF为电机曲柄，作360°回转运动，长度为a；

构件ABC作为驾驶室本体，旋转轴C固定在车身上，C点位置在A点和B点之间；A点和B点作为固定在驾驶室本体上的两个输出轴；

AD和BE均为摇杆，长度分别为c1和c2，分别与两个刮臂刮刷总成固定在一起，作往复摆动；

ADCF为左侧曲柄摇杆机构，AD为摇杆，长度为c1，与刮刷固定在一起，作往复摆动，DF为连杆，长度为b1，A点和C点均固定在车身上，AC间距离为d1；

BECF为右侧曲柄摇杆机构，BE为摇杆，长度为c2，与刮刷固定在一起，作往复摆动，EF为连杆，长度为b2，B点和C点均固定在车身上，BC间距离为d2；

AC和BC间的夹角∠ACB为α；

(2)、利用EXCEL自带的公式和规划求解功能(如图8-10)，在输入固定点间相对尺寸AC、BC和∠ACB，及AD、BE的目标输出角后，输出可满足实际使用要求的五个可动构件AD、DF、CF、BE、EF的杆长组合。

本实施例中，利用EXCEL自带的公式和规划求解具体包括以下步骤：

(a)、利用EXCEL的公式功能，将曲柄摇杆机构的设计公式输入EXCEL；由于左右刮刷对应两个曲柄摇杆机构，因此公式也要输入两遍,此时两套机构的唯一联系是曲柄长度a相同；

(b)、打开EXCEL的规划求解对话框，作如下设置：

将两个机构的最小传动角和所在的单元格设置为目标，将目标结果设置为“最大值”；

将曲柄长度a、左刮刷连杆长度b1、左刮刷摇杆长度c1、右刮刷连杆长度b2、左刮刷摇杆长度c2设置为可变单元格；

将两个刮刷的摆动角度设置为约束；

将各杆件的长度取值范围设置为约束；

将上文所述的曲柄与左右两根连杆同时共线的要求设置为约束条件，数学表达式为：

左侧机构曲柄重叠共线时曲柄角位置+右侧机构曲柄拉长共线时曲柄角位置+∠ACB＝180°

(c)、点击求解按钮，即可得到最优解。

上述的曲柄摇杆机构的设计公式为(如图1)：已知曲柄AB的长度为a，连杆BC的长度为b，摇杆的长度为c，电机与摇杆旋转轴间距离为d，要求的雨刮摆角为β，则有：

不等式组

c+a<b+d

d+a<b+c

b+a<c+d

曲柄极限位置1：

曲柄极限位置2：

极限位置1时的传动角：

极限位置2时的传动角：

杆长限制：

l₀≥a≥u₀；l₁≥c≥u₁；1.5d≥b≥0.5d₁。

其中的l₀、u₀、l₁、u₁由工艺和结构决定。例如，杆件长度最小不能小于其宽度，最长不能超过车辆本身的外廓尺寸。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种汽车雨刮并联刮刷传动机构设计方法，包括以下步骤：

(1)、将传动机构等同成两个曲柄摇杆机构；五个可动构件分别为AD、DF、CF、BE和EF，固定件为构件ABC；

CF为电机曲柄，作360°回转运动，长度为a；

构件ABC作为驾驶室本体，旋转轴C固定在车身上，C点位置在A点和B点之间；A点和B点作为固定在驾驶室本体上的两个输出轴；

AD和BE均为摇杆，长度分别为c1和c2，分别与两个刮臂刮刷总成固定在一起，作往复摆动；

ADCF为左侧曲柄摇杆机构，AD为摇杆，长度为c1，与刮刷固定在一起，作往复摆动，DF为连杆，长度为b1，A点和C点均固定在车身上，AC间距离为d1；

BECF为右侧曲柄摇杆机构，BE为摇杆，长度为c2，与刮刷固定在一起，作往复摆动，EF为连杆，长度为b2，B点和C点均固定在车身上，BC间距离为d2；

AC和BC间的夹角∠ACB为α；

(2)、利用EXCEL自带的公式和规划求解功能，在输入固定点间相对尺寸AC、BC和∠ACB，及AD、BE的目标输出角后，输出可满足实际使用要求的五个可动构件AD、DF、CF、BE、EF的杆长组合；

利用EXCEL自带的公式和规划求解具体包括以下步骤：

(a)、利用EXCEL的公式功能，将曲柄摇杆机构的设计公式输入EXCEL；由于左右刮刷对应两个曲柄摇杆机构，因此公式也要输入两遍,此时两套机构的唯一联系是曲柄长度a相同；

(b)、打开EXCEL的规划求解对话框，作如下设置：

将两个机构的最小传动角和所在的单元格设置为目标，将目标结果设置为“最大值”；

将曲柄长度a、左刮刷连杆长度b1、左刮刷摇杆长度c1、右刮刷连杆长度b2、左刮刷摇杆长度c2设置为可变单元格；

将两个刮刷的摆动角度设置为约束；

将各杆件的长度取值范围设置为约束；

将上文所述的曲柄与左右两根连杆同时共线的要求设置为约束条件，数学表达式为：

左侧机构曲柄重叠共线时曲柄角位置+右侧机构曲柄拉长共线时曲柄角位置+∠ACB＝180°

(c)、点击求解按钮，即可得到最优解；

曲柄摇杆机构的设计公式为：已知曲柄AB的长度为a，连杆BC的长度为b，摇杆的长度为c，电机与摇杆旋转轴间距离为d，要求的雨刮摆角为β，则有：

不等式组

c+a＜b+d

d+a＜b+c

b+a＜c+d

曲柄极限位置1：

曲柄极限位置2：

极限位置1时的传动角：

极限位置2时的传动角：

杆长限制：

l₀≥a≥u₀；l₁≥c≥u₁；1.5d≥b≥0.5d₁。

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