山东建筑大学机械创新设计说明书.docx

山东建筑大学机械创新设计说明书.docx

《山东建筑大学机械创新设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《山东建筑大学机械创新设计说明书.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

山东建筑大学机械创新设计说明书

机械创新设计课程作业

题目：

汽车风窗雨刮器系统设计

院（部）：

机电工程学院

专业：

机械工程及自动化

班级：

机械121

成员：

赵建峰，李永坤，孙世良

*******

摘要

本说明书介绍了汽车雨刷器的设计过程。

设计主要有两个部分组成，一部分是机械部分—连杆以及带轮的机械传动部分；另一部分是动力提供部分—电动机。

连杆，滑块，带轮等组成了机械传动部分，最终实现雨刷的正常摆动工作，电动机作为输出动力部分，至关重要。

现在雨刷器是各种车辆上的必要配件，有着不可替代的作用，本次设计的目的是在原有基础上对雨刷器进行结构上的改进使雨刷器的性能更加稳定优越发挥出更好的作用。

说明书中具体详细介绍了几套方案的优缺点，经过多方面的比较权衡最终确定最优方案。

并对主要方案进行了进一步的探讨和研究，使其更加完善。

关键词：

连杆，电动机，机械传动，带轮

Abstract

This manual introduces the design process of car wiper. Design has two main parts, mechanical parts, connecting rod and belt wheel is a part of the mechanical transmission parts; The other part is to provide part - motor power. Connecting rod, the sliding block, pulley, etc of the mechanical transmission parts, the realization of ultimate wiper swinging normal work, motor as a power output part, is crucial.

Now the wiper is the necessary accessories, all kinds of vehicles has an irreplaceable role, the purpose of this design is based on the original structure of the wiper on the improvement of the performance of the wiper is more superior stability play a better role.

Instruction in concrete was introduced in detail the advantages and disadvantages of several sets of solutions, through the comparison of various trade-offs ultimately determine the optimal solution. And the main scheme has carried on the further discussion and research, make it more perfect.

Key words:

 connecting rod, motor, mechanical transmission, pulley

一.设计背景及意义

1.1设计背景

自1927年电动雨刷器被发明，发展使用至今，现代雨刷器的发展历程已经走过了几十个年头。

如今，不管是高档次豪华轿车还是普通民用代步车或者交通运输用货车，雨刷器已经是车上的必要零件，起着不可缺少的作用。

雨刷器是安装在风窗上的重要附件。

它的作用是扫除风窗玻璃上的妨碍视线的雨雪和灰尘等。

其所要达到的目的都是为了保证驾驶者在车内能够有良好的视野。

因此，雨刷器对行车安全具有重要的作用。

1.2设计意义

1.可以培养学生的理论联系实际的设计思想，训练学生综合利用机械原理课程的理论知识，并结合实际来解决问题的能力。

2.通过制定设计方案，能合理选择结构类型，正确对机构的运动和受力进行分析和计算，让学生对结构设计有一个完整的概念。

3.训练学生收集和运用设计资料以及计算和制图数据处理的能力，加深对所学理论知识的理解和运用。

1.3应用范围

主要应用于车辆的前后风窗，用以清除灰尘雨雪及水珠等保证驾驶员的视野清晰。

随着相关技术的发展以及雨刷器的改进，雨刷器的应用范围也越来越广泛。

1.4技术要求

机电一体化系统要求具有响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。

1.4.1稳定性

雨刷器系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。

如果系统能够进入稳定状态，且过程时间短，则系统稳定性好；否则，若系统振荡越来越强烈，或系统进入等幅振荡状态，则属于不稳定系统。

机电一体化系统通常要求较高的稳定性。

1.4.2响应特性

响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。

响应速度与许多因素有关

1.4.3工作频率

工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。

当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。

在机电一体化系统中，工作频率一般指的是执行机构的运行速度。

上述的三项特性是相互关联的，是系统动态特性的表现特征。

利用半自动控制理论来研究、分析所设计系统的频率特性，就可以确定系统的各项动态指标。

系统设计时，在满足系统工作要求（包括工作频率）的前提下，首先要保证系统的稳定性并尽量提高系统的响应速度。

1.5发展概况及存在的问题

在1902年，玛丽·安德森看到汽车驾驶员雨天行车时为了看清前方道路，不得不打开当时还没有装备雨刷器的车窗，于是便萌生了发明雨刷器的想法。

仅仅过了一年，也就是1903年，她便获得了手动雨刷器发明专利，这也是玛丽·安德森整个人生中唯一的一项发明，不过当时的雨刷器需要依靠手动来完成刮拭功能，就是说驾驶员需要一边开车一边用手来转动雨刷器擦拭玻璃，尽管这一发明非常具有实用性，但在相当长的一段时间里却无人问津。

1910年左右，电动雨刷器随即出现，发明者同样是一位女性，名叫夏洛特·布里奇福德。

当时夏洛特·布里奇福德和她的女儿弗洛朗，成立了一个名叫"布里奇福德"的公司，其中一项业务就是制造电动雨刷器，并于1917年获得该项专利，但公司却并未从中盈取多少利益，原因是当时没有人认可她们的这项发明效果，这种情况被一直持续到1923年，之后才被应用、普及。

而从1927年以后，电动雨刷器便被博世公司接手，发扬光大至今。

雨刷器在逐渐地发展完善过程中，它的结构以及各部件之间的关系都在逐渐进步日渐完善，但也还存在着一部分问题，比如传动方面的紧凑连贯性，雨刷在实际使用的运动过程中会出现跳动现象等问题。

1.6指导思想

概括地讲，汽车雨刷器为一个机电一体化机械系统，机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节：

静态设计和动态设计。

三个部分、及基本要求。

静态设计是指依据系统的功能要求，通过研究制定出机械系统的初步设计方案。

该方案只是一个初步的轮廓，包括系统主要零、部件的种类，各部件之间的联接方式，系统的控制方式，所需能源方式等。

有了初步设计方案后，开始着手按技术要求设计系统的各组成部件的结构、运动关系及参数；零件的材料、结构、执行元件（如电机）的参数、功率及过载能力的验算；相关元、部件的选择。

以上称为稳态设计。

稳态设计保证了系统的静态特性要求。

动态设计是研究系统在频率域的特性，是借助静态设计的系统结构，通过建立系统组成各环节的数学模型和推导出系统整体的传递函数，利用半自动控制理论的方法求得该系统的频率特性（幅频特性和相频特性）。

系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应，决定了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰能力。

静态设计是忽略了系统自身运动因素和干扰因素的影响状态下进行的产品设计，对于雨刷器的静态设计就能够满足设计要求。

环境干扰和系统自身的结构及运动因素对系统产生的影响，因此必须通过调节各个环节的相关参数，改变系统的动态特性以保证系统的功能要求。

动态分析与设计过程往往会改变前期的部分设计方案，有时甚至会推翻整个方案，要求重新进行静态设计。

1.7应解决的主要问题

目前市场上的雨刷器多种多样，在原本有功能的基础上也衍生了新的用途，但是仍然存在一定的问题，比如雨刷实际使用过程中出现跳动，雨刷器联动机构的不合理性等，雨刷器仍存在改进的空间，尽力做到更好，使雨刷器的的性能更加稳定。

二.基于发散性思维和创新思维的五种方案

2.1方案一

图2.1

图2.1运动过程说明：

摇杆2转动带动摇杆3，摇杆3带动连杆移动，从而使摆杆5、6左右以一定频率摆动，达到刮水的效果。

该方案优点：

1.该方案的可行性与优点：

2.整体构建布局可以在汽车上较为容易实现；

3.机构简单实用，在满足运动要求前提下大大节省了材料；

4.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；

2.2方案二

图2.2

分析说明：

摇杆2转动带动摇杆3，摇杆3带动雨刷4上下移动，从而达到刮水效果。

该方案优点：

雨刷刮水面积较大；

结构相对较简。

该方案缺点：

中间固定部位过长，影响视线；

雨刷向上移动的时，又将雨水向上刮，从而影响效率。

2.3方案三

图2.3

分析说明：

此刮雨器由凸轮机构组成，凸轮转动带动雨刷向上运动，达到最高度时，雨刷因重力随凸轮向下运动，但此方案有以下缺陷：

由凸轮带动极其不稳定，凸轮与挡板间有动摩擦产生了磨损。

2.4方案四

图2.4

分析：

凸轮与挡板间有动摩擦产生了磨损，仅靠雨刷重力来克服摩擦力，很可能经常导致雨刷静止在最高端

电机不仅要克服雨刷与玻璃的摩擦还要克服雨刷的重力，浪费资源

2.5方案五

图2.5

分析说明：

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。

三.针对方案一的原理方案设计

3.1功能分析

上述五种方案中，最终把方案一定为最优方案，现针对方案一进行功能分析

原动机（电动机）—传动机构—执行机构——双杆摆动（雨刷工作）

3.2功能原理分析

原动机提供动力，传动机构把动力传递到执行机构上，使雨刷得到动力进而进行摆动，达到对汽车风窗的清洁目的。

3.3功能分解

雨刮片刮雨：

（1）降速：

把原动机提供的速度进行降速得到合适动力

（2）回转→摆动：

传动机构

（3）双杆同摆

3.4功能求解（传动方案的形态学矩阵）

表3.4

分功能解

分功能

形态

1

2

3

A

降速

齿轮传动

带传动

链传动

B

回转→摆动

摆动导杆机构

曲柄摇杆机构

蜗轮蜗杆轮机构（摆动从动件）

C

双杆摆动

平行四边形机构

三角架（摆动从动件）

可组合的最多方案数为：

N=3x3x2=18

3.5初定方案评选

（a）初定方案1

图3.5（a）

电机-蜗轮蜗杆-曲柄摇杆机构-三角架——雨刷往复摆动完成清洁

（b）初定方案2

1）电机与蜗轮蜗杆

图3.5（b1）

2）双杆摆动

图3.5（b2）

传动路线：

电机——蜗轮蜗杆——曲柄摇杆机构——雨刷做往复摆动完成清洁

3.6确定最终方案

（a）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。

（b）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；

综合以上所述，方案（b）是最佳方案。

四.整体机构设计

4.1主要结构系统

汽车雨刷器是一个由多个单元构成，为了保证它在工作中的稳定和方便。

其主要结构系统分为以下几类：

1、直流12v电动机

2、速度控制

3、调速系统控制杆

4、位置检测部分

以上的四部分构成汽车雨刷器的整体系统。

总体结构以及连接方式，如下结构图所示：

雨刷器结构图

调速系统控制杆

图4.1

从以上四个部分的安排结构，可以看出整个雨刷器的整体结构

4.2各自的主要功能

1.调速系统控制杆

主要是对于调速系统输出以及执行过程的各个步骤的显示功能。

起到调节的目的。

2.直流电动机

主要是控制它的正转运动，从而实现雨刷器的从左向右移动的目的。

3.雨刷器的速度控制

刷器的速度控制主要是根据下雨的大小来控制雨刷器的运动速度。

如：

慢，中快，快。

4.汽车雨刷器

当电动机和速度控制发出信号时，雨刷器就开始工作，当速度控制发出不同的速度时，雨刷器就以不同的速度来进行工作。

5.位置检测

位置检测是检测雨刷器的移动准确性。

位置检测也是一个反馈系统，构成一个封闭的反馈系统。

4.3机构动图设计

动图如小作业中的二维动图，其设计步骤如下：

第一步：

打开UleadGIF软件

第二步：

导入素材1到素材4

第三步：

合成，设置帧

第四步：

观察合成动图，进行保存

注释：

素材1到素材4都是经过CAD作图，然后用截图的方式保存而成。

五.结构设计

5.1电动机的选择

图5.1

在这里我们选用1500r/min的电动机。

5.2传动机构-蜗轮蜗杆的选择

图5.2

由电机的转速选择涡轮蜗杆可以计算出涡轮蜗杆的比为i=w1/w2=1500/30=33.3,以此作为涡轮蜗杆选用参数。

5.3执行机构的设计-雨刷摆动

图5.3a图5.3b图5.3c图5.3d

图5.3e图5.3f

5.4SolidWorks三维图

利用SolidWorks三维制图软件，首先绘出各零件图，然后进行实体装配。

零件图包括：

电动机

蜗轮蜗杆

曲柄摇杆

双杆摆动雨刷

以及连接双杆的横向杆件

螺栓等

如图5.3a-5.3f。

实体图如图5.4

图5.4

其工作原理是：

电动机产生原动力，再通过蜗轮蜗杆把动力传给曲柄摇杆，由于横向杆件连接着摆动双杆，故而曲柄摇杆的运动可以带动双杆进行左右摆动，从而达到将玻璃上的雨水、尘埃、污垢刮净的目的。

汽车风窗玻璃上时常会附着雨雪和尘土，如果不及时擦拭干净，将会影响驾驶员的视线，对行车安全带来很大不利。

为了确保挡风玻璃清洁明亮，汽车上都装有风窗雨刮器。

是一个很小却又不容忽视的汽车部件，它能擦亮汽车的“双眼”，使司机的视线更加清晰。

汽车雨刮器是用来清扫汽车风窗玻璃上的雨雪和尘埃的装置，一旦它失去作用，将直接影响到司机雨天驾驶视野的清晰度。

六.结论

6.1本设计的价值

雨刮器看似简单，实际上构造并不简单，雨刮器总成含有电动机、减速机、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增扭作用驱动摇臂，摇臂带动四连杆机构，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。

雨刮器是汽车本身系统的重要组成部分之一，关系到汽车雨天行车安全性。

据统计，全世界雨天行车7%的交通事故是由驾驶员手动操作雨刮器引起的。

当司机关闭雨刮器时，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，当雨刮臂停在挡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、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。

雨刮臂是重要的安全件。

它必须能有效的清楚雨水、雪和污垢；能在高温（摄氏零上80度）和低温（摄氏零下30度）下工作；能抗酸、碱、盐等有害物质腐蚀。

使用寿命达到15万次挂刷循环。

6.2本设计的优点和特色

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。

6.3本设计的创新之处

面对现在市场上的各式汽车雨刷，未免会有各种各样的不足之处，而老师最近又介绍给我们一种新的创新理论——TRIZ理论，所以这次的创新我打算就用TRIZ理论来解决。

这是我运用TRIZ理论的以一次尝试，争取创造出一种安全，可靠，实用的新型汽车雨刷。

这是一种十分实用的创新理论，我相信只要合理的运用它，我们一定会创造出更多的发明。

而在这次论文编写的过程中，我发现只有静下心来，认真思考，才能把自己的知识与实践相结合，不能眼高手低。

现在，放眼国内，继续创造型的人才，而我们作为新时代的大学生，一定要争当创新型人才，为了这个目标，与诸位共勉！

6.4本设计的水平

我们作为尚未毕业的机电学院本科生，面对一次次课设，在开始的时候都是不知如何下手，毫无头绪。

只是随着课设时间的逼近，慢慢的摸索。

通过上网查找资料以及向老师请教，最终完成课设可能只是大致的满足要求，也会有很多不足之处和考虑不周全的地方。

但是我们通过一次次的课设，我们从中积累经验，熟悉了设计的过程，通过咨询老师和上网查阅资料也开阔了眼界。

我们坚信在经过更过的课计之后，我们的设计将更加全面，更加成熟。

6.5本设计的展望

生活中我们发现，雨下得很大时使用雨刷感觉不错，可是当下小雨启动雨刷时，就会发现雨刷会在玻璃面上留下擦拭不均的痕迹；还有的时候会卡在玻璃上造成视线不良。

这种情况表明雨刷已硬化。

若排除此故障，应先了解一下雨刷的工作原理。

原来，雨刷是借马达的转动作用，靠连接棒转变成一来一往的运动，并将此作用力传达至雨刷臂及雨刷本身。

当雨刷的橡胶部分硬化时，雨刷便无法与玻璃面紧密贴合，或者雨刷一有了伤痕便会造成擦拭上的不均匀，形成残留污垢。

雨刷或雨刷橡胶片的更换很简单，但在更换时应注意，车型及年份不同，雨刷的安装方法及长度不同。

有的雨刷只需要更换橡胶片即可。

1.雨刷臂如果是可立式的就立起来，如果是不可立的屏蔽式，先将玻璃面弄湿，当雨刷在较易更换的位置时将马达开关定在OFF。

2.雨刷的安装方法有U钩型、螺丝锁定型。

钩型者只要将钩子拉起来雨刷即可拔下。

3.取下来的雨刷最好与新装的雨刷的长度比一比，看看是否相同，再观察一下安装方法是否相同。

4.将雨刷尽量按原来的方式插入，使其固定。

5.将挡风玻璃弄湿，观察雨刷的动作是否正常。

七.谢辞

在学完在校的众多课程的同时，作为一名合格的机电学生，需要将所学的应用到实际设计机构中去，提高我们综合运用理论分析的能力，并结合生产实际来分析和解决工程问题。

根据已知机械的工作要求，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，让我们对机构设计有一个较完整的概念。

同时也训练我们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。

完成了整个课程设计，收获颇多，尤其是在软件应用上面，同时对机械原理的知识有了更进一步的认识。

  纵观本次设计过程，短短的几周让我们受益匪浅：

首先要对问题认真重视，然后就是数学思想的完美性的思考，将机构放之现实生活中我们要考虑的问题，安全、稳定、美观、便捷、经济。

这是最复杂和困难的，也是想的最多的地方，也是能够突出成绩的地方。

我们在这方面想了很多，虽然有很多都没有在设计中体现出来，但总体上已满足要求。

此外我们也参考了一些网上的资料，大多数都比我们的方案要复杂，完善。

这也是我们此次设计的不足之处，可是我们确是在这些简单的零件组合与机构运动分析，对比，修改，调整中慢慢地喜欢上了许多原本被认为枯燥的设计。

当然，此次设计的完成离不开老师对我们的指导，在此，我们小组成员对老师的帮助表示深深的谢意。

同时，也要感谢我们其他的小组成员，在设计过程中，我们积极讨论，互帮互助，分工明确，最终完成了此次设计，我们收获的不仅是设计过程中的知识，也增强了团队合作的意识和能力。

再次对老师和其他组员的为此次设计做出的贡献表示感谢。

参考文献

[1]机械设计课程设计/王大康，卢颂峰主编.—北京：

北京工业大学出版社

[2] 机械设计第九版/蒲良贵陈国定主编高等教育出版社

[3]机械原理教程（第7版）/孙恒主编.—高等教育出版社 

[4]赵岩.汽车雨滴传感器的设计.北京：

机械工业出版社 

[5]岑木峰.汽车雨刮器的改进.湖北汽车工业学院报，2007，3:

74-78 

[6]乐玉汉.轿车车身设计.北京：

高等教育出版社

[7]谷正气.轿车车身.北京：

人民交通出版社 

[8]中国汽车工程学会.BOSCH汽车工程手册.北京：

北京理工大学出版社.1999