乘用車雨刮器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
雨刮器作為現(xiàn)代汽車上不可或缺的一部分，雖然結(jié)構(gòu)小，但在汽車安全駕駛方面卻起著及其重要的作用。雨刮器的主要功能主要是將前后擋風(fēng)玻璃上的雨水、污泥刮刷干凈，擦亮汽車的擋風(fēng)玻璃，使乘用車司機(jī)獲得的視野更加清晰，保障司機(jī)安全行駛，所以駕駛員的駕駛安全性與雨刮器的掛刷效果好壞有著直接的聯(lián)系。為此，國(guó)標(biāo)中對(duì)汽車雨刮器的工作性能制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，本文的工作正是基于此，對(duì)雨刮器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
首先，通過分析和計(jì)算確定A、B區(qū)域。然后分析雨刮器機(jī)械原理，通過計(jì)算確定雨刮器的布置和桿長(zhǎng)的參數(shù)，對(duì)雨刮器進(jìn)行參數(shù)的確定以及雨刮器輸出軸位置的確定。最后調(diào)整雨刮結(jié)構(gòu)和位置使得雨刮器的刮刷面積盡可能的大，通過改變結(jié)構(gòu)使雨刮的刮刷效果得到改善。此次設(shè)計(jì)要求對(duì)乘用車的雨刮器的零部件的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定雨刮器結(jié)構(gòu)的尺寸和參數(shù)。再利用catia建立雨刮器的三維模型及其仿真運(yùn)動(dòng)，觀察仿真運(yùn)動(dòng)，根據(jù)需要繪制結(jié)果圖像，運(yùn)用仿真結(jié)果，分析雨刮器的運(yùn)動(dòng)曲線。最后根據(jù)仿真運(yùn)動(dòng)中的不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取增加雨刮器的掛刷區(qū)域，為生產(chǎn)實(shí)際提供理論參考，力使消除死角，增加干凈度，讓司機(jī)不用為在惡劣天氣情況下看不清前方的情況而產(chǎn)生煩惱，降低因雨刮引起的交通事故，保障行車安全提高幸福感。
關(guān)鍵字：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)分析；A區(qū)；B區(qū)
Abstract
窗體頂端
窗體底端
Wiper, as an integral part of modern vehicles, although small in structure, plays an important role in the safe driving of automobiles. The main function of wiper is rain, mud on the windshield wiper clean, polished the windshield of the car, the driver's line of sight is more clear, to get a clear vision, to ensure traffic safety, so the wiper brush effect is directly related to the driver's driving safety. Therefore, the performance of GB automotive windshield wiper set strict standards, the work of this paper is based on this, the wiper structure design.
First, the A and B regions are determined by analysis and calculation. And then analyze the wiper mechanical principle, parameters of wiper arrangement and the rod length is determined by calculating, the wiper parameters are determined and the wiper output shaft position determination. Finally, the structure and position of the wiper are adjusted so that the wiper area of the wiper is as large as possible, and the wiper effect of the wiper is improved by changing the structure. The design requirements for the design of passenger car wiper unit size, wiper structure size and parameters were determined, and then using CATIA to establish the wiper of the 3D model and Simulation of motion simulation, observe movement, according to the results of image rendering, using the simulation results, analysis of the motion curve of the wiper, according to the lack of the movement of the optimized design, in order to make the wiper area further increases, and provide a theoretical reference for the actual production, strive for the elimination of dead, increase clean degree, so that users do not have to look ahead and not clear worries, because of lower wiper caused by traffic accidents, ensure traffic safety to improve the sense of happiness.
Key words: structure design; motion analysis; A zone and B zone
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1.1選題背景 1
1.2研究?jī)r(jià)值 1
1.3目前研究現(xiàn)狀 1
2雨刮器概述 3
2.1 雨刮器總成 3
2.2 工作原理 3
2.3 雨刮器的類型 4
2.3.1 按刮掃的方式分類： 4
2.4 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)術(shù)語的定義 5
2.4.1三維的坐標(biāo)系 5
2.4.2 座椅靠的背角和V點(diǎn)的確定 5
2.4.3 相關(guān)術(shù)語的定義 6
2.5 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的性能要求 6
3雨刮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.1 A、B區(qū)域的確定和計(jì)算 8
3.1.1 A區(qū)域的確定和計(jì)算 8
3.1.2 B區(qū)域的確定方法和計(jì)算 8
3.2 雨刮機(jī)械原理的分析 10
3.2.1雨刮器型式選取 10
3.2.2機(jī)構(gòu)的原理的分析 10
3.3雨刮器總布置和桿長(zhǎng)參數(shù)的設(shè)計(jì) 10
3.3.1 雨刮片相關(guān)的參數(shù) 10
3.3.2 確定機(jī)構(gòu)的相關(guān)的參數(shù) 11
3.3.3 副雨刮的機(jī)構(gòu)的確定 12
3.3.4 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)和搖桿擺角的關(guān)系的驗(yàn)證 12
3.4雨刮輸出軸的位置的確定 13
4雨刮系統(tǒng)的零部件建模和總成裝配 14
4.1 CATIA軟件的基本情況介紹 14
4.2 雨刮器各零件的三維實(shí)體建模 15
4.3 雨刮器總成裝配 19
5雨刮器系統(tǒng)的DMU運(yùn)動(dòng)仿真和相關(guān)的設(shè)計(jì)校核 21
5.1 確定雨刮片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軌跡 21
5.1.1 DMU仿真介紹 21
5.1.2 雨刮器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建 21
5.1.3 雨刮器參數(shù)的相關(guān)校核 24
5.2 DMU(運(yùn)動(dòng)仿真)的意義 26
6總結(jié) 26
附錄1：外文翻譯 29
附錄2：外文原文 36
Abstract 36
Keywords 36
1. Introduction 36
2. Model description 37
IV
1緒論
1.1選題背景
自1903年11月10日瑪麗·安德森發(fā)明了手動(dòng)雨刮，1917年夏洛特·布里奇福德發(fā)明了電動(dòng)雨刮到1923年電動(dòng)雨刮器被正式安裝到汽車上使用，已滿114周年[8]?，F(xiàn)在無論是貨車還是乘用車都離不開雨刮器。前方視線模糊時(shí)，撥動(dòng)開關(guān)，雨刮就會(huì)根據(jù)檔位自動(dòng)左右周期性擺動(dòng)，刮掉玻璃上的雨水或灰塵，讓視野更加清晰。不需要用雨刮時(shí)關(guān)上開關(guān)，雨刮就變成了可由可無的部件。只有在需要用它時(shí)，發(fā)現(xiàn)雨刮出了故障，駕駛員才會(huì)察覺擋風(fēng)玻璃上的“清潔工”是那么不可替代。無論傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車都必須使用雨刮器，用它來保障司機(jī)在陰雨天、風(fēng)塵天能夠安全行駛,它可以用打掃后窗玻璃和前擋風(fēng)玻璃上積雪、雨水及灰塵等,使得玻璃保持干凈透明，讓駕駛?cè)藛T視野開闊能夠安全駕駛降低事故率。然而目前國(guó)內(nèi)外各種車使用的雨刮器都存在刮刷面積不夠大的問題,視野效果不好,但汽車制造廠都在各自努力使得刮刷效果更好,就普通雨刮器刮刷率較低的而言，在原有結(jié)構(gòu)上對(duì)普通雨刮加以改進(jìn)，提高刮刷率，讓玻璃更加清晰透明，擴(kuò)大駕駛員視野，減少視野死角，降低因雨刮引發(fā)的事故率。
1.2研究?jī)r(jià)值
由于雨刮器在汽車上有著不可或缺的用途，并且雨刮器刮的效果的好壞直接關(guān)系到駕駛員的行車安全，介于目前市場(chǎng)上很多的雨刮器的設(shè)計(jì)都是僅僅符國(guó)標(biāo)最低最低要求，而沒有最大限度的去優(yōu)化改進(jìn)相關(guān)參數(shù)，增強(qiáng)雨刮刷率，設(shè)計(jì)制造出用戶體驗(yàn)更好的雨刮器。本文研究的目的就是在達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，調(diào)整雨刮結(jié)構(gòu)和位置使得雨刮器的刮刷面積盡可能的大，刮刷效果得到質(zhì)的飛躍。從而讓用戶不用為前方看不清楚而煩惱。
1.3目前研究現(xiàn)狀
研究現(xiàn)狀：雨刮器的發(fā)明：自1903年11月10日瑪麗·安德森發(fā)明了手動(dòng)雨刮，1917年夏洛特·布里奇福德發(fā)明了電動(dòng)雨刮到1923年電動(dòng)雨刮被正式安裝到汽車上使用，已滿114周年。雨刮器的發(fā)展：雨刮問世以來模樣基本未變。如今的電動(dòng)雨刮同之前發(fā)明出來時(shí)大致一樣，沒有太多改變。國(guó)內(nèi)雨刮器的發(fā)展：國(guó)
38
內(nèi)雨刮技術(shù)發(fā)展緩慢，80年代初還有部分車型還在使用真空雨刮器?，F(xiàn)如今電動(dòng)雨刮器占主導(dǎo)地位。雨刮器的種類如圖1所示[7]。目前較先進(jìn)的雨刮器：隨著電控感應(yīng)技術(shù)不斷發(fā)展以及三維建模仿真技術(shù)在雨刮器設(shè)計(jì)中應(yīng)用的提高，雨刮器的功用也逐步完善，電子調(diào)速器也面向市場(chǎng)了，該調(diào)速器帶有感應(yīng)功能，可以根據(jù)雨量的大小實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)雨臂的擺動(dòng)速度?，F(xiàn)在，隨著世界汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，雨刮的重要性還在不斷提高，并被賦予“安全衛(wèi)士”的使命。發(fā)展趨勢(shì)：隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，雨刮器也必然會(huì)不斷地發(fā)展并利用建模軟的仿真校核模塊對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行多次的校核檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化提高，充分提高用戶體驗(yàn)。
1.4本文主要研究?jī)?nèi)容
本設(shè)計(jì)是基于奇瑞公司一款SUV車型的雨刮器設(shè)計(jì)，在公司提供前風(fēng)擋、流水槽數(shù)據(jù)的前提下對(duì)雨刮結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)、確定、校核。并對(duì)雨刮器的布置做分析安排。最后再用CATIA軟件做動(dòng)畫仿真，模擬雨刮器的工作過程，并校核雨刮器工作過程中是否有干涉碰撞等。最終得到最合理最優(yōu)化的雨刮結(jié)構(gòu)參數(shù)。
2雨刮器概述
2.1 雨刮器總成
雨刮器的組成如圖2所示。駕駛?cè)藛T掰動(dòng)雨刮器開關(guān)，使其處于自動(dòng)模式下，雨刮電機(jī)就按電流的方向進(jìn)行周期性逆時(shí)針或者順時(shí)針選擇，電機(jī)可用蝸輪蝸桿作為減速增扭機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)擺臂，進(jìn)而帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)使得前圍板上的轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，最后帶動(dòng)雨刮片來清潔前擋風(fēng)玻璃，還駕駛員一個(gè)清晰的視野[6]。
圖2.1 雨刮器曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
2.2 工作原理
雨刮電機(jī)是雨刮器的動(dòng)力來源，所以雨刮器系統(tǒng)的心臟就是雨刮電機(jī)。所選擇的雨刮電機(jī)的質(zhì)量必須十分好，一般建議使用的是直流永磁雨刮器電機(jī)，前擋風(fēng)玻璃上面的電機(jī)與減速增扭的蝸輪蝸桿機(jī)械構(gòu)成一個(gè)整體，其輸出部分通過四連桿的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u擺運(yùn)動(dòng)。雨刮電機(jī)一般是3刷的結(jié)構(gòu)，利用繼電器控制中斷讓雨刮片完成周期性的運(yùn)動(dòng)。雨刮片膠條利用彈簧壓在前擋風(fēng)玻璃的表層，同時(shí)角度必須與玻璃角度完美配合，才能實(shí)現(xiàn)其所需要的功能。雨刮的開關(guān)手柄上設(shè)有HI、LO、INT、OFF四個(gè)檔位和噴涂檔位。手柄頂端的開關(guān)按下之后會(huì)有預(yù)先放好的洗滌液噴出，潤(rùn)濕以便膠條來清潔前擋風(fēng)玻璃，這也就是汽車上所謂的洗滌器系統(tǒng)，包括儲(chǔ)水箱（存放洗滌液）、輸水管、水泵和噴嘴等組成。
2.3 雨刮器的類型
2.3.1 按刮掃的方式分類：
按照雨刮的掛掃圖形分類,現(xiàn)在常見的種類有下圖的4種,即同向刮掃、對(duì)向刮掃、單臂可控刮掃以及普通單臂刮刷：
對(duì)刮和同向刮掃的方式，有利于提升雨刮的刮掃率，減小未刮掃的面積。這兩種掛掃方式里面同向的方式更為常見，因?yàn)檫@樣的結(jié)構(gòu)成本低，相比之下經(jīng)濟(jì)性很不錯(cuò)。而對(duì)刮的型式比較少，因?yàn)檫@個(gè)需要使用雙電機(jī)的結(jié)構(gòu)，雙電機(jī)的設(shè)計(jì)方案可以讓左右雨刮不需要機(jī)械的連接,可以節(jié)省空間， 并減少產(chǎn)生的噪音。
普通單臂刮這樣方式雖然，價(jià)格低,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單, 但它的刮刷率低，實(shí)用性不好，基本不再使用。單臂可控刮式的結(jié)構(gòu)和控制都很復(fù)雜,盡管刮刷率比較高, 但價(jià)格不菲，應(yīng)用不廣泛。
2.4 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)術(shù)語的定義
2.4.1三維的坐標(biāo)系
2.4.2 座椅靠的背角和V點(diǎn)的確定
1.座椅靠的背腳是指椅子的背靠與垂直線它們間的夾角。
2.V點(diǎn)就是司機(jī)的眼睛的位置，V點(diǎn)與過駕駛員的位置中心線的縱向的平面、R點(diǎn)位置和座椅的靠背角的大小有關(guān)。一般用來檢查視野是否符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。一般V1、V2兩點(diǎn)表示不同的V點(diǎn)位置（考慮九五百分比）。他們的確定方法如下所示。
2.4.3 相關(guān)術(shù)語的定義
A柱：A柱是位于V點(diǎn)前面的橫向鉛垂平面前面的車頂?shù)闹误w。
汽車座椅H點(diǎn)：汽車座椅H點(diǎn)代表軀干線與大腿中心線的交點(diǎn)。
R點(diǎn)：R點(diǎn)代表整車廠確定的H點(diǎn)。有以下的意義：
1. 確定了司機(jī)正常駕駛與乘坐的位置，考慮了座椅調(diào)節(jié)的所有情況。
2. 是相對(duì)于整車坐標(biāo)系的坐標(biāo)。
3. 用來模擬人體軀干與大腿相接的位置。
4. 可以用來當(dāng)做二維人體樣板放置的相關(guān)的參考位置。
軀干線：軀干線代表的是三維的H點(diǎn)的裝置空間相關(guān)的中心線位置。
乘員的中心面：代表經(jīng)過H點(diǎn)的Y平面，是用每一個(gè)特定位置上的乘員的中心面或三維H點(diǎn)的中心面來表示的[6]。
刮刷區(qū)的面積：刮刷面積代表雨刮片可以達(dá)到表面積之和。
理論刮刷面積：理論的刮刷面積是指在設(shè)計(jì)上的刮刷面積。
2.5 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的性能要求
1. 按GB11556中的有關(guān)規(guī)定確定A、B區(qū)域，應(yīng)覆蓋A區(qū)的98％以上，B區(qū)域的80％以上。
2. 雨刮器起碼應(yīng)要有兩種或者以上的頻率，并且高頻不低于45次/分鐘，確認(rèn)且低頻不低于20次/分鐘，兩者之間的差值應(yīng)不小于15次/分鐘。
3. 在雨刮器被關(guān)閉時(shí)后，要能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)回位的功能，不能停留懸浮工作位置
4. 工作的時(shí)候，被阻擋后，還能無故障，并繼續(xù)工作。
5. 在低溫情況下（－18±3°C）的干燥風(fēng)窗上可以持續(xù)工作2分鐘及以上的時(shí)間。
3雨刮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 A、B區(qū)域的確定和計(jì)算
3.1.1 A區(qū)域的確定和計(jì)算
A區(qū)域代表從V點(diǎn)向前延伸的4個(gè)平面與前玻璃面的相交的所形成曲面的大小，確定方式如下
1. 通過V1和V2，并在X軸的左側(cè)與X軸成13度角的鉛垂平面。
2. 通過V1，與X軸成3度的仰角仰角，需要Y軸平行。
3. 通過V2，并與X軸成1度的俯角，需要Y軸平行。
4. 通過V1和V2，在X軸的右側(cè)且與X軸成20度的鉛垂平面。
3.1.2 B區(qū)域的確定方法和計(jì)算
B區(qū)域同樣是4個(gè)平面的交線與擋風(fēng)玻璃曲面的面積，確定方法如下。
a) 通過V1點(diǎn)，與X軸成7。仰角且與Y軸平行的平面。
b) 通過V2點(diǎn)，與X軸成5。俯角且與Y軸平行的平面。
c) 通過V1和V2點(diǎn)，向X軸的左側(cè)與X軸成17。角鉛垂平面。
d) 以汽車縱向中心平面為基準(zhǔn)面，且與c)所述平面對(duì)稱的平面。
按上邊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的的方法，配合三維軟件CATIA做出A、B區(qū)域，同時(shí)測(cè)量相關(guān)的面積為分別為：A等于0.125平米、B等于0.596平米。
3.2 雨刮機(jī)械原理的分析
3.2.1雨刮器型式選取
根據(jù)對(duì)雨刮器類型的研究相關(guān)成本比較，我們決定選用同向?qū)问接旯纹鳛樵O(shè)計(jì)的方向。
3.2.2機(jī)構(gòu)的原理的分析
已經(jīng)經(jīng)之前的分析可以了解雨刮最主要結(jié)構(gòu)是四連桿機(jī)構(gòu)，是由雨刮的電機(jī)最終帶動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前面的擋風(fēng)玻璃，所以可以認(rèn)為四連桿機(jī)構(gòu)的座椅昂是將雨刮電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為擺動(dòng)，并使其按特定軌跡完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
3.3雨刮器總布置和桿長(zhǎng)參數(shù)的設(shè)計(jì)
3.3.1 雨刮片相關(guān)的參數(shù)
動(dòng)力源也就是電機(jī)和四連桿機(jī)構(gòu)一般都是安裝在前機(jī)艙里面，放置被水沖淋損壞；而刮臂和雨刮片暴露在外面，與擋風(fēng)玻璃貼合,同時(shí)最初狀態(tài)時(shí)候的位置必須在玻璃的黑邊下面，一面妨礙司機(jī)的視野。
A點(diǎn)也就是副雨刮片的起始的位置，需要距玻璃外邊超過10毫米；B點(diǎn)也就是副雨刮片的最后的位置，需要距離重疊交叉點(diǎn)超過5毫米；C點(diǎn)也就是主雨刮片的最后的位置，則需要距離膠條超過25毫米，當(dāng)然A點(diǎn)不可以位于汽車的前面的擋風(fēng)玻璃的區(qū)域內(nèi)；
CC’需要黑邊相互平行；兩雨刮片刮刷相交點(diǎn)D需要比較低才能不影響掛掃視野；開始的位置E,F都需要處在黑邊的下面；主駕駛開始的位置G點(diǎn)則需要離裝飾板超過25毫米。
本次設(shè)計(jì)選取的主雨刮片長(zhǎng)度是602.57毫米，設(shè)計(jì)的副雨刮片的長(zhǎng)度是296.27毫米，根據(jù)雨刮片的布置圖可以了解刮刷角度初選主雨刮片定85度的刮刷角，副雨刮片定87度刮刷角。
3.3.2 確定機(jī)構(gòu)的相關(guān)的參數(shù)
四連桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)連架桿分別為作為曲柄搖桿，所以稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。
本文確定的搖桿擺角是，分析和計(jì)算后知道，雨刮工作的擺桿的正反運(yùn)動(dòng)都是它的工作行程，因此不存在所謂的急回的現(xiàn)象，確定該機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)。所以確定還已知行程速比系數(shù),擺角，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
（3.1）
所以。
暫定取設(shè)計(jì)型式，根據(jù)相關(guān)的機(jī)械原理[1]課本上的圖8-30
可確定
（3.2）
（3.3）
（3.4）
所以代入以上的公式可以得到
根據(jù)車型選取，所以其他的參數(shù)如下
3.3.3 副雨刮的機(jī)構(gòu)的確定
與主雨刮一樣，行程速比系數(shù)，且搖桿擺角，因此
設(shè)計(jì)選擇的型式，由根據(jù)相關(guān)的機(jī)械原理[1]課本上的圖8-30
可確定，所以
3.3.4 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)和搖桿擺角的關(guān)系的驗(yàn)證
根據(jù)機(jī)械原理，一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)中是否含有曲柄判定的條件：
1) Lmin加上Lmax小等于其他兩桿的長(zhǎng)度的和。
2) 用于往復(fù)旋轉(zhuǎn)的兩跟桿里面必定有一個(gè)是最短的桿。
按照這兩個(gè)判定結(jié)果如下：
（3.5）
確定在滿足相關(guān)桿長(zhǎng)的條件下將a桿作為曲柄，設(shè)計(jì)是合理的。
同樣的按照公式式對(duì)副雨刮臂的機(jī)構(gòu)的相關(guān)桿長(zhǎng)進(jìn)行判定
結(jié)果是，所以設(shè)計(jì)也是滿足要求的的。
最終確定的長(zhǎng)度尺寸如下面的表格：
3.4雨刮輸出軸的位置的確定
本設(shè)計(jì)選定了一對(duì)確定長(zhǎng)度的雨刮片，它的布局位置也基本OK了，接下來根據(jù)實(shí)際中的積累的經(jīng)驗(yàn)只是，提出以下的要求：
1.主雨刮輸出軸與主雨刮片之間的距離是；
2.副雨刮輸出軸與副雨刮片之間的距離是；
3.主雨刮臂輸出軸與副雨刮臂輸出軸之間距離要滿足；
最后按照選定的想的長(zhǎng)度和空間數(shù)據(jù)，確定主副雨刮臂實(shí)際輸出軸所處的位置。
4雨刮系統(tǒng)的零部件建模和總成裝配
4.1 CATIA軟件的基本情況介紹
CATIA是一款及CAE/CAD/CAM三種功能一提的軟件，由法國(guó)達(dá)索公司研究開發(fā)，在全世界汽車行業(yè)有著十分廣泛的客戶，在航空工業(yè)也有廣泛用戶基礎(chǔ)。
CATIA最初是為了飛機(jī)曲面設(shè)計(jì)開發(fā)，后來隨著飛機(jī)工業(yè)技術(shù)向汽車工業(yè)技術(shù)的轉(zhuǎn)變，Ctaia被帶到了汽車行業(yè)，并由此在相關(guān)的機(jī)械、電子器件和建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣發(fā)的應(yīng)用。Catia 軟件先進(jìn)的DMU電子樣機(jī)模塊能夠在茶品開發(fā)的初期實(shí)現(xiàn)仿真，并做出干涉檢查，運(yùn)動(dòng)估計(jì)的檢查，極大地提高了設(shè)計(jì)的效率。在CATIA的146個(gè)模塊中（截至CATIA V5R19），各個(gè)模塊能做到相互操作，實(shí)時(shí)修改。此外，該軟件還可以通過知識(shí)工程將企業(yè)積累多年的的知識(shí)放到相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)中。CATIA 設(shè)計(jì)能力強(qiáng)大：從原始設(shè)計(jì)到定稿產(chǎn)品的完成，它不僅提供了完整的三維的參數(shù)的建模，還能完成二維出圖，并完成加工路徑編輯仿真模擬。
CATIA軟件具有如下的特點(diǎn)：
1、 易修改
CATIA的樹結(jié)構(gòu)，用戶不管是進(jìn)行實(shí)體健模型還是曲面設(shè)計(jì)，都可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行便捷高速屢次改正，無論設(shè)計(jì)進(jìn)行到哪一步，只要有修改的需求都可以快速修改，即使是方案更改需要更替，CATIA也可以輕松實(shí)現(xiàn)。
2、 相關(guān)性
CATIA每一個(gè)模塊是在同一個(gè)平臺(tái)上的，是同一個(gè)部分，所以CATIA的每一個(gè)板塊勢(shì)必有著聯(lián)系，CATIA三維的改正，可以在二維中表達(dá)出來。CATIA 多個(gè)模塊工作環(huán)境相互切換并能實(shí)現(xiàn)混合建模思想，是并行工程設(shè)計(jì)方法最好的踐行者，在V6的版本上得到了更好體現(xiàn)。具體來說，就是負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)的工程師只要將一個(gè)產(chǎn)品基本尺寸確定，其他的公式就可以開始了，獨(dú)立工作，但是也既能團(tuán)結(jié)作，并且實(shí)時(shí)更新，互相聯(lián)結(jié)性。前面的設(shè)計(jì)對(duì)后面的設(shè)計(jì)有參考性，后面的設(shè)計(jì)也可以及時(shí)反饋給前端設(shè)計(jì)，二者組合成一個(gè)有機(jī)的整體，達(dá)到設(shè)計(jì)效果的最佳。
4.2 雨刮器各零件的三維實(shí)體建模
接下來我們按照前面確定的四連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)桿的長(zhǎng)度，并參照目前一些主流的SUV車型雨刮器的構(gòu)件建立三維實(shí)體，以及零件設(shè)計(jì)時(shí)的一些強(qiáng)度要求選擇了曲柄的寬度為20㎜、厚度為5㎜、連接電機(jī)和兩邊連桿的孔直徑為9㎜。在主刮臂連桿建模時(shí)選擇連桿的厚度為2㎜、寬度為26㎜、連桿端頭用于連接副的孔直徑為15㎜。主刮臂擺桿設(shè)計(jì)時(shí)，選擇擺桿寬度為25㎜、厚度5㎜、連接連桿端的孔直徑為12㎜、連接輸出軸端的孔直徑為8㎜。在副雨刮臂連桿的設(shè)計(jì)中我們選擇和主雨刮臂連桿長(zhǎng)度除外的其他同樣參數(shù)。在副雨刮臂擺桿的設(shè)計(jì)中，我們選擇了厚度為5㎜、寬度為25㎜、連接連桿端的孔直徑為12㎜、連接輸出軸端的孔直徑為8㎜。各桿件的三維實(shí)體建模結(jié)果如下圖4.1所示
主雨刮器的雨刮片的三維截圖
副雨刮器的雨刮片的三維截圖
主雨刮器的雨刮臂的三維截圖
副雨刮器的雨刮臂的三維截圖
主雨刮器的雨刮臂連桿的三維截圖
副雨刮器的雨刮臂的三維截圖
副雨刮器的臂擺桿以及共用的曲柄的三維截圖
圖4.1-雨刮器系統(tǒng)的零部件三維截圖
4.3 雨刮器總成裝配
在利用CATIA軟件完成零部件的設(shè)計(jì)建模之后，打開機(jī)械-裝配模塊開始對(duì)雨刮器系統(tǒng)進(jìn)行總成的裝配，在裝配的時(shí)候務(wù)必要關(guān)注各個(gè)桿件之間的具體連接形式。因?yàn)橐恍┒嗔慵g的空間位置不好布局，先確定一個(gè)基準(zhǔn)零部件，將其余的零部件裝配大上面。同時(shí)我們可以使用CATIA功能里面的干涉檢查工具，確認(rèn)裝配完成后零部件之間有無相互干涉的現(xiàn)象干涉。
干涉檢查的操作步驟為：
1) 點(diǎn)擊下拉列表，選擇其中的項(xiàng)，點(diǎn)擊按鍵，這時(shí)候出現(xiàn)紅燈意味著兩個(gè)零部件之間產(chǎn)生了干涉，兩零部件之間相互干涉的部分會(huì)以深紅色表示；這個(gè)時(shí)候如果出現(xiàn)綠燈以及No interference的說明則代表沒有干涉，是OK的；個(gè)時(shí)候如果出現(xiàn)黃燈及的說明則代表零部件之間發(fā)生接觸，需要調(diào)整。
2) 檢查雨刮器系統(tǒng)的零部件相互之間的干涉影響，按照需要對(duì)零部件的空間位置進(jìn)行調(diào)整和修改。完成如下的裝配圖以及爆炸圖：
圖4.2 SUV雨刮器系統(tǒng)的裝配總成圖
圖4.3 SUV雨刮器系統(tǒng)裝配的總成的爆炸圖
5雨刮器系統(tǒng)的DMU運(yùn)動(dòng)仿真和相關(guān)的設(shè)計(jì)校核
5.1 確定雨刮片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軌跡
5.1.1 DMU仿真介紹
因?yàn)橛?jì)算機(jī)性能的提升，以及軟件技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)建立的三維模型，可提在軟件內(nèi)完成虛擬的樣機(jī)仿真，無需實(shí)物，因此能夠?qū)崿F(xiàn)降低成本、縮短開發(fā)周期的目標(biāo)。
DMU虛擬仿真是指在CATIA 軟件里面完成的零部件裝配、零部件的干涉檢查、和人機(jī)工程學(xué)檢查等虛擬的功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的虛擬的仿真，減少樣件制作的時(shí)間，物料，人工成本。
DMU功能概述:開始提供各種的可視化功能，全方位的對(duì)電子樣機(jī)的所有部位進(jìn)行觀察、評(píng)估，以模擬真最實(shí)的視覺效果。然后將實(shí)體效果通過數(shù)字環(huán)境來展示。接下邊進(jìn)行相關(guān)的功能的分析，一般是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，空間運(yùn)動(dòng)和軌跡管理等內(nèi)容。
5.1.2 雨刮器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建
1.雨刮器裝配的步驟如圖5.1所示，。
在完成所有的步驟之后，在左側(cè)的樹圖上有如下的顯示。
圖5.2零部件裝配之后約束樹圖
最后設(shè)置固定用的零件，選擇地桿并添加固定約束。會(huì)出現(xiàn)可以模擬機(jī)械裝置即可：
圖5.3 表示裝配完成可以進(jìn)行仿真了
2雨刮器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模擬
電機(jī)模擬功能按鍵就可以啟動(dòng)仿真，接下來出現(xiàn)如下圖所示的對(duì)話框，上部有一個(gè)可以移動(dòng)的滑條，拖動(dòng)滑條的位置給它一個(gè)變化量，接下來淡季三角形的播放按鈕，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的仿真。
可以選擇激活傳感器的選項(xiàng)，就能夠觀察雨刮臂的刮刷的角度實(shí)時(shí)變化情況，如果再將三個(gè)角度參數(shù)設(shè)置YES狀態(tài),并電機(jī)圖形按鈕，就輸出相關(guān)桿件的運(yùn)動(dòng)角度的值。
圖5.4設(shè)置要查看的變化的參數(shù)
圖5.5相關(guān)桿件的運(yùn)動(dòng)角度實(shí)時(shí)變化曲線
1. 單機(jī)模擬的按鈕啟動(dòng)仿真的分析，并測(cè)量需要的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)的間隙的檢測(cè)功能，接下來單機(jī)自動(dòng)的按鈕，可以來回拖動(dòng)滑塊，最后在單機(jī)播放按鈕來實(shí)現(xiàn)真?zhèn)€系統(tǒng)的仿真運(yùn)動(dòng)。
2. 如果需要建立輸出回放用的視屏文件，可以點(diǎn)擊拿個(gè)播放器標(biāo)志的按鈕，并按提示操作即可實(shí)現(xiàn)需要的文件錄制與輸出。
5.1.3 雨刮器參數(shù)的相關(guān)校核
1. 運(yùn)動(dòng)軌跡輸出
根據(jù)前面建立的仿真系統(tǒng)，在主副雨刮片的兩個(gè)端點(diǎn)做出相應(yīng)的標(biāo)記，通過仿真使得雨刮片設(shè)置的軌跡做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，會(huì)在，零部件的前擋風(fēng)玻璃上產(chǎn)生曲線，實(shí)際的結(jié)果如下圖：
圖5.6 實(shí)際軌跡的輸出
圖5.7雨刮未刮的面積
2. 計(jì)算校核實(shí)際的A和B區(qū)域的刮刷率：
a) A位置刮刷的計(jì)算
通過上面的圖片的結(jié)果，可以完整的得出A已經(jīng)完全處在雨刮片的刮刷范圍內(nèi)，所以認(rèn)為A區(qū)域?qū)嶋H刮刷率等于100%。
b) B位置刮刷的計(jì)算
通過上面的圖片的結(jié)果，可以看出B還有一小部分面積不在雨刮片得掛掃內(nèi)，所以B區(qū)域的刮刷率計(jì)算如下：
經(jīng)過在軟件的直接測(cè)量，其結(jié)果是S未刮刷等于0.023㎡，計(jì)算確認(rèn)得到雨刮片對(duì)B區(qū)域的刮刷率等于98%。
所以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A、B區(qū)域的刮刷率要求設(shè)計(jì)通過。
5.2 DMU(運(yùn)動(dòng)仿真)的意義
虛擬運(yùn)動(dòng)仿真可在實(shí)際制造前利用零件的三維數(shù)字模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，節(jié)約成本，并已成為現(xiàn)代工程中的十分重要的應(yīng)用。能夠解決很多問題如：位移和速度和加速度以及力，包括相互間的干涉、甚至力的相互作用等問題。因此本文中便利用了這種制造之前的仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。確定滿足了相關(guān)的要求。最后也實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的輸入，并進(jìn)行分析設(shè)。
6總結(jié)
本設(shè)計(jì)主要介紹了雨刮的價(jià)值發(fā)展歷程、工作原理、雨刮的分類、相關(guān)的國(guó)標(biāo)術(shù)語、雨刮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模及裝配、雨刮運(yùn)動(dòng)性分析等方面的內(nèi)容。
本設(shè)計(jì)開始時(shí)候?qū)μ摂M樣機(jī)進(jìn)行介紹，分析虛擬樣機(jī)技術(shù)目前車輛工程上的運(yùn)用以及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了它的發(fā)展前景。更著重的對(duì)catia軟件的DMU虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件發(fā)展進(jìn)行闡述，確定使用catia的DMU模塊進(jìn)行仿真和分析，并付諸行動(dòng)。
本文完成了對(duì)SUV車型的前擋風(fēng)玻璃窗的雨刮器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。步驟是先通過計(jì)算得到原始的機(jī)構(gòu)尺寸，接下來利用三維軟件建立3D零部件，在裝配模塊進(jìn)行裝配，最后DMU模塊模擬仿真，驗(yàn)證了模型設(shè)計(jì)的可行性，輸出了仿真的結(jié)果，并進(jìn)行分析，有效的減少了在設(shè)計(jì)后但在生產(chǎn)前的試制成本。最后在后處理模塊里面提取了相關(guān)的數(shù)據(jù)曲線，并且計(jì)算出雨刮器的刮掃面積，確認(rèn)完成本次設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)
[1]孫恒，陳作模.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2010，5：109-139
[2]林博正.CATIA V5三維零件設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2010，9
[3]馬偉，張海英等。CATIA V5 R16曲面造型及逆向設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2009
[4]王大康，盧頌峰.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2010
[5]周萬春. 基于原型的汽車雨刮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J] 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，9
[6]毛華杰.奔馳E320SUV雨刮器結(jié)構(gòu)原理分析[J] 武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，3
[7]岑木峰.汽車雨刮器的改進(jìn)[J] 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，9
[8]周蘇東.淺析雨刮器 [J] 農(nóng)業(yè)機(jī)械 2013（02B）
[9]全國(guó)文獻(xiàn)工作標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)第六分委員會(huì).GB 6447-86文獻(xiàn)編寫規(guī)則.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010
[10]周一明，毛恩榮.車輛人機(jī)工程學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2012
[11]葛志祺.簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010
[12]王昆，何小柏，汪信遠(yuǎn).課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2012
[13]侯洪生，王秀英.機(jī)械工程圖學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2011
[14]劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社 2011
[15]Shun Chang Chang,Seng Chi Chen . Dither signals with particular application to the control of windscreen wiper blades[J]. International Journal of Solids and Structures 43 (2006) 6998–7013
[16]Christopher Okechukwu Izelu. Analysis of Rocker Mechanism for Automobile Windscreen Wiper Applications.Journal of Innovative Research in Engineering and Science 1(1)[J], October, 2010.
[17] Anders Wallensten ? Isabel Oliver ，Katherine Ricketts ? George Kafatos， James M. Stuart ? Carol Joseph. Windscreen wiper fluid without added screenwash in motor vehicles: a newly identified risk factor for Legionnaires’ disease[J]. Eur J Epidemiol (2010) 25:661–665 .DOI 10.1007/s10654-010-9471-3.
[18] Ronald N. Warrener, John R. Malpass, Douglas N. Butler, Guangxing Sun. Isoindole Cycloadditions. Part III: The Synthesis of“Windscreen Wiper” and Other N-Bridged Cavity Systems[J]. Structural Chemistry, Vol. 12, Nos. 3/4, 2011
附錄1：外文翻譯
尤其適用于擋風(fēng)玻璃刮刮器的控制
該研究驗(yàn)證了一種汽車雨刷系統(tǒng)的混沌運(yùn)動(dòng)，該系統(tǒng)由兩個(gè)連桿驅(qū)動(dòng)，通過兩個(gè)連接的四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，然后闡明了一個(gè)混沌控制系統(tǒng)。一個(gè)分叉圖揭示了一系列參數(shù)值的復(fù)雜非線性行為。接下來,最大李雅普諾夫指數(shù)估計(jì)識(shí)別周期和混沌運(yùn)動(dòng)。最后，提出了一種控制混沌汽車雨刷系統(tǒng)的方法。這種方法需要將另一個(gè)外部輸入，稱為“二色信號(hào)”，應(yīng)用到系統(tǒng)中。給出了一些仿真結(jié)果，證明了該方法的可行性。
關(guān)鍵詞：混沌運(yùn)動(dòng),雨刷系統(tǒng);李雅普諾夫指數(shù),電子脈動(dòng)
當(dāng)汽車雨刷系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的刮水器操作時(shí)，可以觀察到許多可能對(duì)駕駛員有害的振動(dòng)。這些振動(dòng)降低駕駛舒適性。研究了刮水器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，尋求控制振動(dòng)的有效方法。各項(xiàng)工作已進(jìn)行了調(diào)查，在一個(gè)汽車雨刮系統(tǒng)顫振（codfert et al.，1997；歐亞et al.，1994；鈴木和安田，1995；鈴木和安田，1998）。各種數(shù)值分析包括分岔圖、相圖、龐加萊映射、頻譜和Lyapunov指數(shù)是用來解釋的周期運(yùn)動(dòng)和混沌。對(duì)于廣泛的參數(shù)，Lyapunov指數(shù)提供了最有效的方法來測(cè)量靈敏度的動(dòng)力系統(tǒng)的初始條件。它可以用來確定系統(tǒng)是否處于混沌運(yùn)動(dòng)。對(duì)于光滑動(dòng)力系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)的計(jì)算算法已經(jīng)發(fā)展得很好（Shimada，Nagashima，1979；狼et al.，1985；Benettin等，1980a；Benettin等。，1980年b）。然而，一些非光滑動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的不連續(xù)性，該算法是不直接適用的，如那些與干摩擦，反彈或影響。一些研究方法的非光滑動(dòng)力系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)的計(jì)算（Muller，1995；Hinrichs et al.，1997；他，2000）。斯特凡斯基所提出的方法（2000）估計(jì)雨刷系統(tǒng)的最大Lyapunov指數(shù)是本研究中采用的。
雖然混沌行為可能是可以接受的，它通常是不可取的，因?yàn)樗档托阅芎拖拗聘鞣N電氣和機(jī)械設(shè)備的工作范圍。最近，混沌粘–滑移機(jī)械系統(tǒng)的控制有了很大的發(fā)展，已開發(fā)的幾種技術(shù)（galvanetto，2001；杜邦，1991；芬尼和月亮，2000）。galvanetto（2001）應(yīng)用于自適應(yīng)控制不穩(wěn)定周期軌道嵌入在一些不連續(xù)的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的混沌吸引子。Feeny和Moon（2000）用高頻激勵(lì)，或抖動(dòng)，解渴，堅(jiān)持–滑混沌。抖動(dòng)是一個(gè)外部信號(hào)，所以它的應(yīng)用程序不需要任何類型的測(cè)量。因此，抖動(dòng)的應(yīng)用的主要優(yōu)點(diǎn)是它的簡(jiǎn)單性。這種技術(shù)也廣泛應(yīng)用于各種實(shí)際的非線性系統(tǒng)（Feeny，2000；Tung和月亮，陳，1993；富和東，1997；Liaw和董，1998）。Tung和陳（1993）提出了一種辨識(shí)未知參數(shù)和非線性的閉環(huán)直流電機(jī)系統(tǒng)的方法。的抖動(dòng)信號(hào)，消除了系統(tǒng)中可能的極限環(huán)的性質(zhì)也進(jìn)行了研究。富和東（1997）用抖動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為混沌運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期軌道電路系統(tǒng)。Liaw和董（1998）采用抖動(dòng)平滑技術(shù)，嘈雜的混沌系統(tǒng)控制。
一個(gè)混沌運(yùn)動(dòng)必須轉(zhuǎn)化為一個(gè)穩(wěn)定的周期軌道，以改善雨刷系統(tǒng)的性能和消除顫振振動(dòng)在汽車雨刷。這項(xiàng)研究表明，混沌可以控制注入另一個(gè)外部輸入，稱為抖動(dòng)信號(hào)，到系統(tǒng)中。抖動(dòng)信號(hào)的注入，以提高非線性元件的性能是有效的。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。1簡(jiǎn)介
一個(gè)雨刷系統(tǒng)由三個(gè)主要子系統(tǒng)（I）刀片和他們的武器；（ii）連桿機(jī)構(gòu)和（iii）電機(jī)。前雨刮系統(tǒng)有兩個(gè)葉片。它們附在駕駛員側(cè)和乘客側(cè)的擋風(fēng)玻璃上。每個(gè)葉片由一個(gè)臂支撐，臂在樞軸上來回移動(dòng)。直流電機(jī)提供動(dòng)力旋轉(zhuǎn)兩個(gè)連接的四連桿機(jī)構(gòu)，反過來，產(chǎn)生所需的運(yùn)動(dòng)的雨刷臂和葉片。圖1示意性地描繪了一個(gè)汽車雨刮系統(tǒng)。在這張圖中，用下標(biāo)D和P的符號(hào)被稱為駕駛員和乘客側(cè)，分別。線表示李代表的立場(chǎng)，雨刷武器采取時(shí)，沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。條款θ我（我= D，P）相對(duì)于位置的李代表的角變形，并查看MathML源ψ˙我是手臂的角速度。條款里表示長(zhǎng)度的雨刮臂之間的樞紐中心和頂部查看MathML sourcez˙我代表葉片的絕對(duì)速度。然后方程式1
根據(jù)牛頓的第二定律，控制方程的雨刷在我的一側(cè)（我= D，P）可以表示如下（鈴木和安田，1998）：
在第二個(gè)術(shù)語代表的慣性矩和米是由雨刷和擋風(fēng)玻璃之間的摩擦力引起的時(shí)刻。RI和狄分別是恢復(fù)力和阻尼力產(chǎn)生的力矩，如下
MI的時(shí)刻可以表示為
倪是法向力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（鈴木和安田，1995），雨刮摩擦可以近似合理地結(jié)合庫(kù)侖摩擦和粘性摩擦。據(jù)此，給出了雨刷摩擦系數(shù)
接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
作為狀態(tài)變量，駕駛員側(cè)的刮水器系統(tǒng)（方程式（2））的狀態(tài)方程如下：
乘客側(cè)的刮水器系統(tǒng)（方程式（2））的狀態(tài)方程如下：當(dāng)
列出上述方程中參數(shù)的值
2模型描述
3系統(tǒng)特性：數(shù)值模擬結(jié)果
通過情商的數(shù)值模擬。（7a）；（7b）進(jìn)行闡明系統(tǒng)的特點(diǎn)。圖2顯示了由此產(chǎn)生的分岔圖。分岔圖更全面地說明了在一定范圍內(nèi)的參數(shù)值的動(dòng)態(tài)行為。該方法被廣泛用于描述從周期運(yùn)動(dòng)到混沌運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)的過渡。這個(gè)圖清楚地表明，混沌運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)大約在區(qū)域II和IV期三運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在III區(qū)和N周期軌道區(qū)域的I. Chang和林的存在（2004）提出的相圖，龐加萊的地圖，和頻譜表現(xiàn)出這些行為的細(xì)節(jié)。
值得注意的是，一個(gè)指標(biāo)，如最大Lyapunov指數(shù)是一個(gè)混沌系統(tǒng)的最有用的診斷之一。每一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的Lyapunov指數(shù)譜（λ）講述的長(zhǎng)度，在相空間的面積和體積的變化?；煦绲拇嬖诳梢酝ㄟ^計(jì)算最大Lyapunov指數(shù)僅僅建立，確定附近的軌跡發(fā)散（λ> 0）或收斂（λ＜0）平均。包含至少一個(gè)正Lyapunov指數(shù)的系統(tǒng)中的任何有界運(yùn)動(dòng)被定義為混沌，而非正Lyapunov指數(shù)表示周期運(yùn)動(dòng)
在這項(xiàng)研究中的混沌性質(zhì)的汽車雨刷系統(tǒng)證明通過計(jì)算最大Lyapunov指數(shù)。至少有一個(gè)正Lyapunov指數(shù)的系統(tǒng)被定義為混沌。李雅普諾夫指數(shù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)初始附近軌道的散度（或收斂）率。計(jì)算“平滑”動(dòng)力系統(tǒng)是眾所周知的Lyapunov指數(shù)譜算法（狼et al.，1985；Benettin等，1980a；Benettin等。，1980年b）。然而，“非光滑”動(dòng)力系統(tǒng)的不連續(xù)性，如干摩擦，反彈或粘滑防止該算法的直接應(yīng)用。最近，斯特凡斯基（2000）提出了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的最大Lyapunov指數(shù)估計(jì)方法，采用同步的特點(diǎn)。這種方法可以簡(jiǎn)單地解釋：動(dòng)力系統(tǒng)分解成以下兩個(gè)子系統(tǒng)
考慮一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它由兩個(gè)相同的n維子系統(tǒng)組成，只有響應(yīng)系統(tǒng)（8）與耦合系數(shù)D相結(jié)合，而驅(qū)動(dòng)方程保持不變。描述這樣一個(gè)系統(tǒng)的一階微分方程可以寫成
現(xiàn)在的同步條件（方程式（10））是由不等式
在同步中，DS，耦合系數(shù)D的最小值，被假定為等于最大Lyapunov指數(shù)
系統(tǒng)（情商。（7a）；（7b））被認(rèn)為是在式（10）在下列形式獲得增強(qiáng)系統(tǒng):
在下一步驟中，所考慮的系統(tǒng)的Lyapunov指數(shù)的最大值被確定為所選擇的參數(shù)值，在上面所述的方式。圖3提出的數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明使用所描述的同步方法已獲得的最大Lyapunov指數(shù)。該系統(tǒng)表現(xiàn)出的混沌運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗械淖畲驦yapunov指數(shù)是積極的
4通過注入抖動(dòng)信號(hào)控制混沌
動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的混沌運(yùn)動(dòng)必須轉(zhuǎn)化為周期運(yùn)動(dòng)。本節(jié)將證明，注入另一個(gè)外部輸入，稱為只影響非線性項(xiàng)的抖動(dòng)信號(hào)，到這個(gè)混沌系統(tǒng)可以控制的混沌運(yùn)動(dòng)。抖動(dòng)是一種高頻信號(hào)，用于修改系統(tǒng)的任何摩擦系統(tǒng)的行為。在控制社區(qū)，采用抖動(dòng)信號(hào)，以平滑的“不連續(xù)”的影響，在低速摩擦。在系統(tǒng)中抖動(dòng)的主要用途是修改非線性。最近，抖動(dòng)平滑技術(shù)已被開發(fā)（富和東，1997；Liaw和董，1998）穩(wěn)定混沌系統(tǒng)。一些流行的抖動(dòng)信號(hào)如下（Cook，1986）
（i）方波抖動(dòng)：最簡(jiǎn)單的抖動(dòng)信號(hào)是方波抖動(dòng)，其頻率和振幅分別為2000弧度/秒和W。因此非線性f（·）具有有效的輸出值
因此，系統(tǒng)方程可以寫成
考慮到方波抖動(dòng)控制系統(tǒng)方程的添加效果，Eq.（7a）；（7b）查看MathML源ψ˙a 0.3rad/s。提高方波抖動(dòng)信號(hào)從W = 0至0.95 V變化的混沌動(dòng)力學(xué)的振幅周期。分岔圖如圖4所示?？紤]雨刷系統(tǒng)的摩擦系數(shù)的形式，μ，這是原來的聯(lián)營(yíng)公司與非線性F，在公式（6）?，F(xiàn)在，W = 0.6 V的選擇和有效的非線性N和原始非線性F繪制圖5。圖6（a）圖的位移的時(shí)間響應(yīng)，其中方波抖動(dòng)信號(hào)注入后3秒的混沌行為被轉(zhuǎn)換成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。圖6（b）顯示受控系統(tǒng)的相
ii）正弦抖動(dòng)：另一個(gè)簡(jiǎn)單的抖動(dòng)信號(hào)是高頻正弦波。在這種情況下，N的有效值是其平均在一個(gè)完整的振蕩周期的正弦抖動(dòng)信號(hào)，即
現(xiàn)在，一個(gè)正弦抖動(dòng)添加在前面的非線性（6）。控制系統(tǒng)的等效方程如下所示。
加入正弦抖動(dòng)信號(hào)式（7A）（駕駛員側(cè)）產(chǎn)生一個(gè)耦合系統(tǒng)如下：
和相同的信號(hào)，添加到dither情商。（7B），乘客的側(cè)可以寫為如下：
抖動(dòng)頻率必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任何其他參與系統(tǒng)的操作。否則，抖動(dòng)信號(hào)可能會(huì)引入與抖動(dòng)信號(hào)相同頻率的另一個(gè)不希望的振蕩?，F(xiàn)在，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)查看MathML源ψ˙a 0.3rad/s和正弦抖動(dòng)頻率為2000 rad/s的分岔圖如圖7所示。它揭示了一個(gè)正弦抖動(dòng)振幅從1.2到1.5 V可以轉(zhuǎn)換的混沌運(yùn)動(dòng)的汽車刮水器系統(tǒng)到一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在，設(shè)置正弦抖動(dòng)幅度W = 1.2 V和頻率= 2000弧度/秒，并添加此信號(hào)的前面的非線性，情商（6）。等效非線性的結(jié)果如圖8所示（有效非線性n與原始非線性f）。在模擬中，W = 1.2 V設(shè)置和抖動(dòng)信號(hào)后施加4秒。圖9圖的結(jié)果。可以看出，該系統(tǒng)表現(xiàn)出混亂的行為之前，施加的抖動(dòng)，而它表現(xiàn)出周期性運(yùn)動(dòng)后。當(dāng)W = 0和MathML的查看源ψ˙a 0.5rad/s，Eqs。（18a）；（18b）表明，運(yùn)動(dòng)是混沌的（圖10）。一幅W = 1 V正弦抖動(dòng)，頻率為2000弧度/秒4的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)注射后，式（18a）；（18b），從混沌到周期運(yùn)動(dòng)。圖11（a）顯示了控制后系統(tǒng)的相圖。圖11（b）圖X1的時(shí)間響應(yīng)，與抖動(dòng)控制后加入4秒。可以看出，在施加的抖動(dòng)之前，該系統(tǒng)表現(xiàn)出混沌行為，而后者，它表現(xiàn)出周期性行為。當(dāng)W = 0和MathML的查看源ψ˙a 1.068rad/s、Eq.（18a）；（18b）顯示周期七軌道（圖12）。與W = 0.5 V正弦抖動(dòng)幅度，頻率為2000弧度/秒4的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)后注射，式（18a）；（18b），從周期七運(yùn)動(dòng)時(shí)期一個(gè)運(yùn)動(dòng)。圖13（a）顯示受控系統(tǒng)的相圖。X1的時(shí)間響應(yīng)如圖13（b）在抖動(dòng)控制在4 s時(shí)，W = 0和MathML的查看源ψ˙a 1.215rad/s添加，系統(tǒng)呈現(xiàn)出周期五運(yùn)動(dòng)（圖14）。振幅W = 0.25 V，頻率為2000 rad/s正弦抖動(dòng)為4將系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)后注射，式（18a）；（18b），從周期五運(yùn)動(dòng)時(shí)期一個(gè)運(yùn)動(dòng)，我選擇正弦抖動(dòng)幅度W = 0.25 V，頻率為2000弧度/秒，抖動(dòng)信號(hào)后4秒。圖15（a）顯示注入系統(tǒng)的相圖后控制。X1的時(shí)間響應(yīng)如圖15（b）所示，其中抖動(dòng)控制是在4秒之后增加的
5結(jié)論
本文研究了汽車刮水器系統(tǒng)的復(fù)雜非線性行為和混沌控制問題。的動(dòng)態(tài)行為，可以觀察到在一個(gè)范圍內(nèi)的參數(shù)值，使用分岔圖。這張圖顯示雨刷系統(tǒng)在較低的擦拭速度下呈現(xiàn)混沌現(xiàn)象。Lyapunov指數(shù)提供了最強(qiáng)大的方法來檢查系統(tǒng)是否表現(xiàn)出混沌運(yùn)動(dòng)。使用同步特性估計(jì)雨刷系統(tǒng)最大Lyapunov指數(shù)的方法?；煦缦到y(tǒng)的非線性前的抖動(dòng)信號(hào)被施加到抑制混沌運(yùn)動(dòng)，并有效地提高了性能的刮水器系統(tǒng)，并防止其混沌運(yùn)動(dòng)。最后，方波和正弦抖動(dòng)信號(hào)可以有效地轉(zhuǎn)換成一個(gè)周期軌道的混沌系統(tǒng)注入前的非線性的混沌系統(tǒng)。正在考慮的系統(tǒng)模型一個(gè)真正的雨刷系統(tǒng)，可用于未來的工作。圖16示意圖描述的儀器將被用于實(shí)驗(yàn)研究。函數(shù)發(fā)生器提供的抖動(dòng)信號(hào)的頻率范圍為0 - 10赫茲000赫茲。在時(shí)域波形分析可與惠普3562a動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。使用電壓放大器和驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的伺服放大器來放大模擬信號(hào)。
致謝
時(shí)至今日我的論文的終于寫完啦，這得益于我導(dǎo)師王老師夜以繼日的悉心指導(dǎo)和熱切關(guān)懷。她那認(rèn)真負(fù)責(zé)的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作風(fēng)格，誨人不倦的工作態(tài)度都給我樹立一個(gè)好榜樣，如燈塔一般指引我前行。在此請(qǐng)?jiān)试S我表達(dá)自己的肺腑之言感謝我的老師。同時(shí)，我還要感謝與我共度大學(xué)時(shí)光的良師益友們陪我度過人生中最美好的四年，我還要感謝睡在我隔壁鋪的姐妹，沒有你們的鼓勵(lì)、幫助和支持，我就不能披荊斬棘克服困難。我知道我無論說什么都不足以表達(dá)我的謝意，千言萬語都匯集成兩字：謝謝?。?！
附錄2：外文原文
Dither signals with particular application to the control of windscreen wiper blades
Abstract
This study verifies chaotic motion of an automotive wiper system, which consists of two blades driven by a DC motor via the two connected four-bar linkages and then elucidates a system for chaotic control. A bifurcation diagram reveals complex nonlinear behaviors over a range of parameter values. Next, the largest Lyapunov exponent is estimated to identify periodic and chaotic motions. Finally, a method for controlling a chaotic automotive wiper system will be proposed. The method involves applying another external input, called a dither signal, to the system. Some simulation results are presented to demonstrate the feasibility of the proposed method.
Keywords
Chaotic motion;?Wiper system;?Lyapunov exponent;?Dither
1. Introduction
Numerous vibrations that may be harmful to the driver can be observed when a wiper, driven by an automotive windshield wiper system, is operational. These vibrations reduce the comfort of driving. The dynamic behaviors of the wiper system are studied to find an effective way to controlling vibrations. Various works have been carried out to investigate the chatter vibrations in an automotive wiper system (Codfert?et al., 1997;?Oya?et al., 1994;?Suzuki and Yasuda, 1995?; ?Suzuki and Yasuda, 1998). Various numerical analyses including a bifurcation diagram, phase portraits, a Poincare map, frequency spectra and Lyapunov exponents are utilized to explicate periodic and chaotic motions. For a broad range of parameters, the Lyapunov exponent