汽车雾刮器振动稳定性分析

佘翔　孔祥蒙　刘美灵

摘 要：构建雨刮器摩擦振动动力学模型，再利用Matlab/Simulink对其运动过程进行仿真分析，可得到雾刮器的振动特性结果，分析了雾刮片材料和雾刮器速度对摩擦振动结果的影响。

关键词：雾刮器；摩擦振动；雾刮片

在冬天，车内乘员呼出的水蒸气遇到前挡风玻璃就会形成浓厚的雾气，严重影响驾驶员视线，存在一定的安全隐患。目前市场上没有专门解决该问题的设备和方法。作者設计制作了一款车内雾刮器，可直接加装在汽车前挡风玻璃内侧，利用磁铁的作用实现与汽车雨刮器的同步运动，起到清洁和擦拭玻璃内表面水雾的作用。为加强雾刮器在运动过程中的稳定性和持久性，需要对其振动稳定性展开分析研究。

1 雾刮器振动仿真系统的建立

本课题中的雾刮器运动形式与汽车驾驶员侧雨刮器类似，因此可借鉴同济大学汽车学院建立的雨刮器摩擦振动动力学模型，对其中的结构参数作适当的调整，再利用Matlab /Simulink对其运动过程进行仿真分析，可得到雾刮器的振动特性结果。

2 雾刮器振动仿真结果及相关分析

2.1 摩擦特性仿真分析

为了了解雾刮片在运动中的振动摩擦情况，将仿真环境设定为每分钟刮刷60次，得到干燥环境下摩擦力与运动行程的关系如图1所示。

可见，在雾刮器运动过程中，摩擦力有明显波动，这是由雾刮片与挡风玻璃发生相对运动过程中的材料形变导致的。初始状态时，二者之间为粘弹性接触，摩擦力为零；当雾刮器受力开始运动后，雾刮片发生形变，与挡风玻璃的接触面积逐渐增大，直至达到最大静摩擦力；此后，雾刮片与玻璃之间的黏着变形达到极限，进而发生相对运动，摩擦力下降；随后，雾刮片同挡风玻璃间又会出现黏着。因此，在雾刮器的整个运动过程中，雾刮片与玻璃之间为粘-滑摩擦振动关系，其振动频率也就是图1中的波动频率。

在雾刮器的运动过程中，这种粘-滑摩擦振动现象对除雾效果是非常不利的，由粘-滑摩擦振动相关理论可知，可通过两种方式降低这种不利现象。一是尽量选取动摩擦因数和静摩擦因数差别较小的材料作为雾刮片材料；二是在一定范围内提高雾刮器的运行速度。

2.2 雾刮片材料对摩擦振动结果的影响

为了更加深入分析雾刮片材料对摩擦振动结果的影响，本课题分别选取市场上某天然橡胶、合成橡胶和高吸水性树脂作为雾刮片材料，通过仿真实验后得到摩擦力与运动行程之间的关系如图2所示。

可见，不同材料对摩擦振动结果有明显的影响：选取天然橡胶和合成橡胶的雾刮片平均摩擦力分别为3.82N和2.23N，同时粘-滑摩擦振动幅度较大；而选取树脂材料的雾刮片平均摩擦力仅为1.12N，且粘-滑摩擦振动幅度明显较小，有利于雾刮器的正常使用。此外，由于车内雾刮片的作用不是刮水，而是吸水，因此选择高吸水性树脂是非常合适的。

2.3 雾刮器速度对摩擦振动结果的影响

本课题中雾刮器的运动速度是由雨刮器的运动速度决定的，在仿真试验中，将雾刮器的速度分别设定为每分钟60次和80次，得到结果如图3所示。

可见，在不同的运行速度下，其平均摩擦力有明显差别，速度越高，平均摩擦力越大；波动频率方面，速度越高，频率越低；而波动幅度方面，速度越高，幅度越小。可见，适当的增大运行速度有利于雾刮器的正常使用，而这也与上文中提到的结论相吻合。

3 结束语

在雾刮器的运动过程中，雾刮片与玻璃之间为粘-滑摩擦振动关系，而这种现象对除雾工作是非常不利的。不同材料对摩擦振动结果有明显的影响，选择高吸水性树脂作为雾刮片材料相对天然橡胶和合成橡胶的雾刮片而言摩擦振动幅度明显较小，且其强吸水性能也更符合雾刮器的工作要求。适当的增大运行速度有利于降低雨刮器的摩擦振动幅度，提高雾刮器的使用效果。

参考文献

[1]张立军，王小博.汽车刮水器摩擦特性试验研究[C].2009年美国汽车工程师学会年会，2010-01-0749.

[2]柴苍修，吴金洲，田杰.挡风玻璃刮水器的摩擦特性[J].汽车工艺与材料，1997（1）：7-9.

[3]吴金洲，柴苍修.用固体润滑剂改善汽车刮水胶条使用性能的研究[J].摩擦学学报，1992（4）：376.

[4]方海容，丁旺才，孙启国.伴随变阻尼作用的干摩擦下的车辆系统非线性动力学分析[J].2004，24（6）：545-549.

作者简介：佘翔（1989-），男，汉族，安徽宣城，浙江经济职业技术学院，助教，硕士研究生，汽车运用工程。

孔祥蒙，男，汉族，浙江经济职业技术学院。

刘美灵（1972-），女，汉族，江西永新，浙江交通职业技术学院，副教授，硕士研究生，汽车电子控制技术。