机械原理课程设计——汽车前风窗雨刮器设计
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前言 .........................................................错误!未定义书签。
1.课程设计目的和任务......................................错误!未定义书签。
2.设计说明书的格式要求：..................................错误!未定义书签。
一、机械原理课程设计任务和简介...............................错误!未定义书签。
设计任务..................................................错误!未定义书签。
设计题目及其简介..........................................错误!未定义书签。
雨刮器设计的基本要求.....................................错误!未定义书签。
二、方案分析和比较............................................错误!未定义书签。
概述......................................................错误!未定义书签。
方案比较..................................................错误!未定义书签。
最终方案选定..............................................错误!未定义书签。
三、基本尺寸的确定............................................错误!未定义书签。
前风窗玻璃的尺寸..........................................错误!未定义书签。
雨刮器雨刮臂尺寸确定......................................错误!未定义书签。
雨刮器电机原理及参数的选定................................错误!未定义书签。
四、雨刮器运动分析............................................错误!未定义书签。
五、设计总结..................................................错误!未定义书签。
设计感悟..................................................错误!未定义书签。
设计过程..................................................错误!未定义书签。
设计的优化思路和展望......................................错误!未定义书签。
六、参考文献..................................................错误!未定义书签。
前言
1.课程设计目的和任务
机械原理课程设计能够培养机械类专业学生创新能力，是学生综合运用机械原理课程所学理论知识和技能解决实际问题，获得工程技术训练的必不可少的实践性教学环节。
机械原理课程设计教学所要达到的目的是：
1、培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合运用机械原理课程的理论知识，并结合生产实际来分析和解决工程问题的能力。
2、通过制定设计方案、合理选择机构的类型、正确地对机构的运动和受力进行分析和计算，让学生对机构设计有一个较完整的概念。
3、训练学生收集和运用设计资料以及计算、制图和数据处理及误差分析的能力，并在此基础上利用计算机基础理论知识，初步掌握编制计算机程序并在计算机上计算来解决机构设计问题的基本技能。
机械原理课程设计教学的任务是：机械原理课程设计通常选择一般用途的机构为题目，根据已知机械的工作要求，对机构进行选型与组合，设计出几种机构方案，并对其加以比较和确定，然后对所选定方案中的机构进行运动和动力分析，确定出最优的机构参数，绘制机构运动性能曲线。
2.设计说明书的格式要求：
（1）说明书一般用A4纸打印，要求步骤清楚、叙述简明、文句通顺、书写端正。
（2）对每一自成单元的内容，都应有大小标题，使其醒目突出，建议加上目录。
（3）通过课程设计说明书的编写，学生应该学会整理设计数据、绘制图表和简图，用工程术语表达设计成果的方法。
（4）对所用公式和数据，应标明来源——参考资料的编号和页次。
（5）说明书应加上封面，并与图纸一起装订成册。
一、机械原理课程设计任务和简介
设计任务
设计出红旗B70的汽车雨刮器。雨刮器的速度自定。
设计题目及其简介
1.设计题目:
设计题编号：05 设计题目：汽车雨刮器
针对如下下面三种车型，设计出对应的汽车雨刮器。雨刮器的速度自定；
我的设计题目是: 红旗B70汽车雨刮器设计
2.雨刮器简介: 雨刮器是由电机带动，通过连杆机构将电机的旋转运动转变为刮臂（即挡风玻璃上面除了刮片之外的那部分）的往复运动，从而实现刮雨动作。一般接通电机（即按一下雨刮器工作开关），即可让雨刮器工作。通过选拔高速低速档，可以使电机的电流发生大小变化，从而控制电机转速，从而控制雨刮器的工作快慢。雨刮器一般须要解决好刮刷角度、刮刷频率、干涉、噪声、刮净度、
电流等问题。另外，QC/T44-1997等汽车行业标准对雨刮器的性能、实验等作了具体规定。
雨刮器总成含有电动机、减速器、四连杆机构、刮水臂心轴、刮水片总成等。当司机按下雨刮器的开关时，电动机启动，电动机的转速经过蜗轮蜗杆的减速增扭作用驱动摆臂，摆臂带动四连杆机构，四连杆机构带动安装在前围板上的转轴左右摆动，最后由转轴带动雨刮片刮扫挡风玻璃。
现在，汽车的雨刮臂有两个，电机一般是一个，称为“单机双臂”，也有每个雨刮器带一只电机，称为“单机单臂”。有些雨刮臂还附带胶水管，水管接至洗涤器上，按一下开关会有水注喷向前档风玻璃。在一些中高级轿车上，不但前后档风玻璃有雨刮器，就是前大灯也有一支小小的雨刮片，用以清除前灯玻璃上的尘埃。
司机关闭雨刮器时，雨刮臂往往不停在适当的位置，阻碍司机的视线。为解决这一问题，雨刮器设有一个回位开关，它控制雨刮器电机，当雨刮臂停在档风玻璃下的适当位置时，电机才会停止运转。
现今的雨刮器已经普遍采用快档、慢档和间歇控制档。其中间歇控制档一般是利用电机的回位开关触点与电阻电容的充放电功能使雨刮器按照一定周期刮扫，即每动作一次停止2－12秒时间，对司机的干扰更少。有些车辆的雨刮器还装有电子调速器，该调速器附带感应功能，能根据雨量的大小自动调节雨臂的摆动速度，雨大刮水臂转得快，雨小刮水臂转得慢，雨停刮水臂也停。
雨刮器的动力源来自电动机，它是整个雨刮器系统的核心。雨刮器电动机的质量要求是相当高的。它采用直流永磁电动机，安装在前档风玻璃上的雨刮器电动机一般与蜗轮蜗杆机械部分做成一体。蜗轮蜗杆机构的作用是减速增扭，其输出轴带动四连杆机构，通过四连杆机构把连续的旋转运动改变为左右摆动的运动。
雨刮器电动机采用3刷结构以方便变速。间歇时间由间歇继电器控制，利用电机的回位开关触点与继电器电阻电容的充放电功能使雨刮器按照一定周期刮扫。雨刮器的刮片胶条是直接清除玻璃上雨水和污垢的工具。刮片胶条通过弹
簧条压向玻璃表面，它的唇口必须与玻璃角度配合一致，方能达到所要求的性能。
一般情况下在汽车组合开关手柄上有雨刮器控制旋扭，设有低速、高速、间歇3个档位。手柄顶端是洗涤器按键开关，按下开关有洗涤水喷出，配合雨刮器洗涤档风玻璃。洗涤器系统是目前汽车上很普通的装置，它由储水箱、水泵、输水管、喷水嘴组成。其中储水箱一般是升～2升的塑料罐，水泵是一种微型电动离心泵，通过它将储水箱的洗涤水输向喷水嘴，经2～4个喷水嘴的挤压作用将洗涤水分成细小的射流喷向档风玻璃，配合雨刮器起到清洁档风玻璃的作用。
除了前档风玻璃雨刮器外，许多乘用车还装置了后玻璃窗雨刮器，驾车者雨天能看到车后的东西。有些高级乘用车上的前照灯也安装有类似雨刮器的清洗装置。后玻璃窗雨刮器和前照灯清洗装置没有专门的四连杆机构，只在电动机上附加一个紧凑的转换机构（例如齿条齿轮或四连杆机构），将旋转变为摆动。据欧美法规规定，当前照灯脏污到照明度降到20%时，前照灯清洗装置应当在8秒内洗涤干净污垢，使照明度恢复到80%。前照灯洗涤用的水由档风玻璃雨刮器储水箱提供，其喷水嘴的位置要设置合理才能使车辆在任何速度下都能使洗涤水喷到灯面上。
3.雨刮器使用技巧
（1）雨刮器能发挥良好作用的关键是：橡胶的雨刮条能保持充足的湿润度。只有充足的湿润度，它才能有非常好的韧性，以保持和车窗玻璃接触的紧密性。很简单的道理，一颗米干在碗上了，如果不把它泡软，别说洗碗了，就是用硬器去刮，都刮不下来。雨刮器的使用，也是这样。很多车友常抱怨雨刮器刮不干净，就是没想明白这个道理。
（2）雨刮器、雨刮器，顾名思意，是用来刮雨用的，不是用来刮“泥”用的。所以正确地使用雨刮器，不仅仅是能够延长雨刮器的使用寿命，关键是能有效地保持良好的视线，更有利于行车安全。想明了上面的这两个基本点，就大体知道了雨刮器的正确使用方法。
（3）所以没有车库的车友，应该养成每天早晨出车前，用湿布擦一遍前窗的习惯。一夜下来，雨刮器是干的，想在出车时，用雨刮器把一夜积在前窗上的灰刮干净，这样的干磨，不仅很难达到良好的效果，还容易损坏雨刮器。正确的方
法是：湿布擦完后，再让小六喷水刮一次。因为正宗的洗玻璃水是带有挥发性的，能很快让窗面达到干燥，从而避免潮湿的玻璃吸灰起泥。
（4）有车库的车友，应该养成每晚回车库收车时，清理干净前窗的习惯。尤其是从雨中回来，积在前窗上的水滴，第二于早晨干成水渍后，再参合其中吸附的灰尘，前窗是很难单靠雨刮刮干净的。如果头天晚上，乘着湿润的雨刮器，把前窗刮干净。第二天早晨，就能很轻松、很干净的开车上路了。
（5）开车途中，掉小雨点时，不要急着开雨刮器。这时前窗上的水份不足，雨刮器干刮，只会产生适得其反的效果。前窗上刮花的泥渍，还很难再刮干净。如果雨点积得很慢，不影响视线，最好是等前窗上雨点积的更多点再开始刮雨刮器。小雨中开始使用雨刮器，最好是让小六喷次洗玻璃水后再开始刮（喷洗玻璃水不仅仅是停车时能用哈，开车途中也是能用的）。以保证前窗上有足够的水份来温润雨刮器。
（6）雨刮器最好使用第二档，连续的来回刮。有些车友喜欢小雨时使用间歇的模式来刮，这样不太好。开车上路，不仅仅是要防天上的雨，还更好防前车溅起的泥水。碰上这种情况，间歇模式很容易把前窗刮成泥渍的花纹，严重影响视线。
（7）路上雨停了，不要急于关闭雨刮器。道理和上面是一样的，等前窗溅满了前车带起的泥点子，再匆忙地开雨刮器，这时就变成刮泥了。
雨刮器设计的基本要求
1.工作环境和寿命要求
雨刮器是重要的安全件，它必须能有效地清除雨水、雪和污垢；能在高温（摄氏零上80度）和低温下（摄氏零下30度）工作；能抗酸、碱、盐等有害物质腐蚀；使用寿命达到15万次刮刷循环（乘用车）。
2.刮片的要求
刮片使用的长度为200~1000mm,安装尺寸(滑入或扣住)均已标准化。消除安装和接头处的间隙能使磨损减小。在中央夹子顶部穿孔以防止高速时刮片抬起。在特殊情况下，如刮片迎风运动时，可在刮杆或刮片上安装空气导流片，使刮片压
向窗玻璃。
3.刮刷范围要求
图1-1刮刷范围示意
标准上的规定是从驾驶员位置和视角考虑的,前风窗玻璃上擦净的区域A,B 和C分别为80%﹑95%﹑和100%(如图1-1所示),擦拭次数与发动机转数无关,规定每分钟的往复至少在45次以上,并且规定擦拭次数可有两个以上的变速(两速时,高速和低速相差15次/分)。
4.刮片胶条的要求
刮刷系统最重要的零件是刮片胶条。它由胶条夹的爪形臂夹持，并由弹簧条支承。刮片胶条的双刃边压向风窗玻璃，刃宽~。刮片运动时，必须克服干摩擦（摩擦系数~，随相对湿度而定）和湿摩擦（系数~，随摩擦速度而定）。运动时刮片胶条的唇口必须和玻璃呈约45°的角度，如胶条的形状和橡胶性能匹配得当，即可获得所要求的性能。
二、方案分析和比较
概述
根据雨刮器的传动连杆机构不同可分为对向式刮刷和平行式刮刷，根据刮水器臂可分为单臂雨刮器和双臂雨刮器。单臂式雨刮器刮水范围较小效率比较高但没有双臂式的刮得清洁也没有双臂式的刮刷范围大，对向式雨刮器会影响驾驶员的视线，也会干扰驾驶员的正常驾驶，为此目前汽车前风窗几乎均采用双臂平行式刮刷形式的雨刮器。
方案比较
方案一:动力源是永磁直流电动机,其转速和方向的控制由电子控制电路负
责。动力输出经过蜗轮蜗杆机构实现减速增扭作用,蜗轮的转动带动与之铰接的连杆运动，连杆将运动传导至铰接的三角架，从而带动刮刷臂同向摆动达到刮刷目的。
此方案的主要缺点是三角形铰接架占用空间比较大,结构相对复杂。
方案二：动力源同样是永磁直流电动机，动力输出后经过减速器减速增扭后输出，输出轴与三根连杆铰接的三角架铰接点①相连，带动三角架旋转从而带动雨刮臂实现同向平行刮刷运动。
此种方法减速通过减速器实现，其减速作用相比蜗轮蜗杆机构可靠，但比较复杂，成本也会比蜗轮蜗杆机构高一些，占用空间也会相对较大。
方案三：动力源是永磁直流电动机，通过蜗轮蜗杆机构减速增扭，蜗轮的转动带动连杆运动，从而带动刮臂实现同向平行刮刷，此种方
案结构较为简单，原理也比较简单，且容易实现刮刷运动。具体优点如下：
1.整体构建布局可以在汽车上较为容易实现；
2.机构简单实用，在满足运动要求前提下大大节省了材料；
3.设置了急回特性（推杆快，收杆慢），因为在刮片起挂前，挡风玻璃上附着的雨水量相对较多，对司机观察前方路线不利，这时刮片需快速挂清雨水，而在回程时玻璃上雨量较少，这时慢挂可进一步刮净雨水，是玻璃保持相对较长的清晰度。同时急回特性的运用也提高了雨刮器的工作效率；
最终方案选定
经以上综合分析,选择方案三较好,目前在汽车上运用也较多。
三、基本尺寸的确定
前风窗玻璃的尺寸
上图是奔腾B70前风窗的尺寸示意图,由于没有找到确切的尺寸参数,经搜索有限的资料和文献可知其前风窗大概尺寸L1为1100mm，L2为850mm，L3为1400mm，L4为900mm。
雨刮器雨刮臂尺寸确定
目前雨刮器雨刮臂尺寸已标准化。如上图所示由于车窗左右两边宽850mm，故
L=L
G +L
p
=850mm，根据L
G
、 L
p
的标准化尺寸可选择L
G
=250mm，L
p
=600mm。L
G
、L
P
的
标准对照表如下所示。
前风窗下长1400mm,取雨刮器杆段L1=650mm,L3=100mm,L4=100mm,L2的大小根据永磁直流电动机和蜗轮蜗杆机构的安装位置和曲柄连杆机构的运动条件确定,这里取L2=400mm;L=120mm。
雨刮器电机原理及参数的选定
1—电枢 2—永久磁铁磁极 3—蜗杆 4—蜗轮 5—自动停位滑片
1.三刷式电动机变速原理
a. 直流电动机旋转时，在电枢绕组内同时还产生反电动势，其方向与电枢电流的方向相反
b. 当电枢通电后转速逐渐上升时，其绕组内同时产生一个反电动势，方向与电枢电流方向相反
c. 电枢转速上升时，反电动势也相应上升，当电枢电流产生的电磁力矩与运转阻力矩平衡时，电枢的转速不再上升而趋于稳定。
d. 由于运转阻力矩一定时，电枢稳定运转所需要的电枢电流一定，对应的电枢绕组反向电动势的高低就一定。
e. 电枢绕组反向电动势与转速和正、负电刷之间串联的电枢线圈个数的乘积成正比。
f. 电枢绕组反向电动势一定时，转速和正、负电刷之间串联的电枢线圈个数成反比。
2.电机参数如下图所示
四、雨刮器运动分析
利用ADAMS仿真软件对已建立模型的摇杆的位移、速度、加速度进行数据分析，并输出所需要的数据及曲线，如下：
滑块水平位移仿真曲线
滑块水平运动速度仿真曲线
滑块水平运动加速度仿真曲线
带刮片摆杆角速度仿真曲线
带刮片摆杆角速度仿真曲线
五、设计总结
设计感悟
机械原理课程设计是机械原理课程与实际设计结合的实践过程，通过此次设计将书本上的知识更加深刻的理解、记忆。设计过程中也暴露了自己设计方面思维局限，设计知识的匮乏，对雨刮器的认识不够，导致设计时创新的难度很大，在以后的学习和工作过程中仍需不断的实践和学习。从刚接到机械原理课程设计任务到现在为止，大概经过了六周的时间，前面一段时间由于各种考试接连不断，没有专门的时间从事设计方面的事，考试结束后便开始进行课程设计。看起来很简单的事，真正动手便发现问题多多，困难多多，例如前面所展示的方案设计的
Autocad机械简图的绘制、汽车前风窗尺寸数据的查询、以及雨刮器结构中各根杆的长度确定等等。长度确定都需要具体考虑其标准尺寸，根据标准化的尺寸选取与实际相适应的尺寸。Autocad大一之后没有具体操作过，导致大部分功能和画法的遗忘，画图之前又系统的将软件学习了一遍，把机械原理课本也复习了一遍，同时也学习了编辑图片的基本方法。这让我发现，设计是一个很复杂、要求很高的过程。好的设计必定是综合能力的体现，书本知识和实际知识结合的能力的体现。一个完整的设计需要大量的设计资料，能合理和快速的获取准确的资料也是必备的设计才能。这就要求我们在校期间的学习不仅仅满足于学校所开设的各种课程,更需要自学其他相关的书籍,自学一系列相关软件的使用。现代的设计过程几乎离不开各种设计和分析软件的使用，因此软件的学习对提高设计者的设计能力至关重要，能很好的使用各种设计工具也会很大程度的提高设计效率，此次设计过程中很多设计时间都花在资料的搜集和软件的学习上面。
通过课程设计不仅增加了自己对机械原理课程的理解，而且也实际操作了一些软件，丰富了自己的知识，也学到了很多课堂以外的东西，包括获取知识的途径和学习软件的基本方法，为将来的设计和学习提供了必须的基础！
由于知识和软件操作能力的匮乏，时间和精力的限制，课程设计内容难免有错误、缺漏和不准确的地方。为此在之后的学习过程中应该多学习基本软件的使用方法，多看书，多实践以不断提高自己的设计能力。
设计过程
1.获知设计题目、设计任务、设计要求以及设计构思和准备。
2.雨刮器的结构和功能的详细学习，构思设计流程。
3.资料的收集和运用，基本设计方案的确定。
4.所需软件的学习和基本图形的绘制。
5.基本运动分析和尺寸确定。
6.设计说明的编写。
7说明书最后定稿和准备答疑。
8.交课程设计作业。
设计的优化思路和展望
采用串联或并联四杆机构、带横向连杆或附加可控四连杆的机构，适用于大刮刷角或一般机械传动难于达到的刮刷形状。
机构的优化至关重要。使角加速度的最大值与靠近刮水器折回点时力的传动角相匹配，可获得平稳的运转。
趋势是不再允许曲柄完全旋转，仅仅允许它刚好转一半。从而显著地减少连杆运动所需的空间。为此目的，采用电子控制驱动电机，其旋转方向与刮刷运动协调。
也可能仅用较小的附加费用来达到“预期的停放位置”、“防积雪超载”和在各种操作条件下，有一相对不变的擦拭范围。
若在连杆机构安装位置上有困难时，上面提到的技术允许将一大的连杆机构用两个比较小的取代，每个小连杆机构与各有一较小的驱动电机。
刮刷机构优化的第二步包括优化唇口相对于风窗或后窗玻璃表面的工作位置，是刮水器以适当角度支撑于风窗玻璃表面，并对刮杆臂施加附加扭矩使其在往返折回点位置时刮刷倒向已刮刷过面积的中分线方向，这样可以帮助在换向使刮片转到新的工作位置。
六、参考文献
（1）顾柏良等译. BOSCH汽车工程师手册【M】. 北京：北京理工大学出版社，2004年4月.
（2）吉林大学，陈家瑞. 汽车构造：下册【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００９．
（３）斋藤孟．汽车附件及辅助装置【Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９８６.
（４）赵韩，田杰．机械原理【Ｍ】．合肥：合肥工业大学出版社，２００９.
（５）谢侃，陈艳霞．ＡｕｔｏＣＡＤ机械设计绘图基础入门与范例精通【Ｍ】．北京：科学出版社，２０１１．
（６）赵福堂．汽车电器与电子设备【Ｍ】．北京：北京理工大学出版社，２００９．