Fiesta轿车雨刮电动机自动复位系统的设计

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轿" 车 雨" 刮" 电" 动" 机" 自 动" 复" 位" 系" 统" 的 设" 计"
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雨刮器的刮刷子系统 （ 由刮杆和刮片组成） 自动停 止在汽车风窗玻璃下沿的规定区域， 其目的也是为 了不阻挡驾驶员的视线。 目前， 国内一些汽车雨刮器制造企业在设计雨 刮器自动复位系统时， 采用对顾客提供的样品测绘 仿制和试验调整的方法或直接按顾客提供的产品图 样制造， 还没有系统的理论设计计算方法。本文从 顾客提供的产品功能要求出发， 建立 *+,-./ 轿车雨 刮电动机自动复位系统中复位片制动复位区圆心角
设计分析 ! "#$%& ’&( ’&’)*#$# ! " " 自动复位到汽车风窗玻璃下沿的规定区域。 " 另外需要进一步分析的是， 当弹簧片 ) 触点恰 " " 好转动到图 # 中复位片的 - 区时， 控制开关突然置 " 于自动复位档， 弹簧片的 ’、 ( 和 ) 三个触点在电气 " " 上断开， 此时的电动机被突然断电。由于机械惯性 " 电动机转子继续按原来的转向旋转， 此时的电动机 " " 则处于自由停车状态。当复位片的制动复位区 （图 " # 中复位片的 . 区） 转到与弹簧片 ) 触点接触时，" " 电动机开始进入能耗制动状态。 " 当弹簧片 ) 触点恰好转动到图 # 中复位片的 / " " 区时， 控制开关突然置于自动复位档， 此时的电动机 " 也处于自由停车状态。当复位片转到与弹簧片 ’ " " 触点接触时， 电动机被重新通电， 电流从电源正极流 " 经控制开关的 " 接线端、 弹簧片 ’ 触点、 复位片、 弹 " " 簧片 ( 触点、 控制开关的 $ 接线端、 # 接线端、 电动 " 机的低速电刷、 电枢绕组、 负极电刷、 电源负极， 形成 " " 电流回路。此时电动机在低速运行状态下转动一周 " 后， 再经过一段自由停车状态 （ 弹簧片 ) 触点经过 " " 复位片的 - 区） 后进入能耗制动状态。所以， 当雨 " " 刮器控制开关置于复位档位置时， 012345 轿车雨刮 " 器的刮刷子系统无论运行在什么位置， 都将自动复 " " 位到汽车风窗玻璃下沿的规定区域。 " " & 复位片制动复位区圆心角计算模型的建立 " " 根据上文分析， 雨刮电动机刮刷子系统能否可 " " 靠、 准确地复位到汽车风窗玻璃下沿的规定区域， 决 " 定于电动机能否在能耗制动过程中被制动停车， 而 " " 影响电动机在能耗制动阶段制动停车的关键因素是 " 自动复位系统中复位片的制动复位区圆心角的大 " " 小， 即图 # 中复位片 . 区对应的圆心角大小。电动 " " 机能耗制动的机械特性数学表达式： " ’6 " （$） " % & # ・# $2 $+ ! " 式中： ’6 电动机制动回路总电阻； " "轿 电势常数； $2 车 "雨 $+ 转矩常数； "刮 "电 每极磁通； ! "动 # 电磁转矩， 能耗制动过程中成为电动机 "机 自 "动 的制动力矩。 由于电磁转矩 # 与电动机转向 % 方向相反， 所 "复 "位 以其机械特性曲线如图 "5 中的曲线 $ 。从图 "5 曲 "系 统 线 $ 可知， 电动机的能耗制动过程是从 ( 点经 ) 点 "的 "设 到 $ 点， 由于汽车雨刮电动机拖动的负载是反抗性 "计 恒转矩负载， 电动机能耗制动结束以后， 电动机不能 " " 反转， 所以 $ 点为虚稳态点。并且汽车雨刮器电动 " 机的负载力矩 # 7 和飞轮矩 *+# 为常数， 根据系统 % $$
设计分析 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !""# 年第 ! 期$ $ "#$%& ’&( ’&’)*#$# !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !! " " " " " " 叶明挺， 甘振林， 黄! 磊， 曹! 岚 " （ 上海法雷奥汽车电机雨刮系统有限公司， 上海 "##"() ） " " " ! ! 摘! 要：通过对 *+,-./ 轿车雨刮电动机自动复位系统工作原理的分析， 确定影响雨刮器刮刷子系统准确复位的 " " 关键因素。根据电动机能耗制动理论推导出自动复位系统中复位片制动复位区圆心角的计算模型， 利用推导的计 " 算模型和顾客的要求对 *+,-./ 轿车雨刮电动机自动复位系统复位片的制动复位区圆心角进行理论计算， 设计计算结 " 果满足顾客要求。 " " 关键词： 汽车雨刮电动机； 自动复位系统； 能耗制动； 复位片制动复位区圆心角； 准确复位 " 中图分类号： ,-./0 12 3 2$ $ 文献标识码： 4 " " 文章编号： %""- 5 #"%1 （ !""# ） "! 5 ""%" 5 "" " 6()’78 9:; 4<*:=+*’> ?()(* @A)*(= :9 &’()*+ B+; C’D(; E:*:; " " !" #$%& % ’$%&， ()* +,-% % .$%， /0)*( 1-$， 2)3 14% " " （ 0/1,2 34/564/+ 78.292.+:, ;1,<.=+< >2.2=- ? @+A,= 3B-.,9- C2D ，E.FD ， 34/564/+ "##"() ， C4+5/） " " 4F)*;+>*：G/-,F 25 .4, H2=I .4,2=B /5/1B-+- 2J *+,-./ </= H+A,= 92.2= /8.29/.+< A/=I+56 A2-+.+25 -B-.,9， .4, I,B J/<.2= " H/- <25J+=9,F .4/. .4, H+A, -8K-B-.,9 /<<8=/<B A/=I+56 A2-+.+25D 7<<2=F+56 .2 .4, ,5,=6B <25-89, K=/I+56 .4,2=B 2J ,1,<.=2 % " " 92.2=， </1<81/.+25 92F,1 25 A1/., % A/=I A/=I+56 /=,/ <,5.=/1 /561, 2J /8.29/.+< A/=I+56 A2-+.+25 -B-.,9 H/- -,.D GB 8-+56 .4, " </1<81/.+25 92F,1 /5F <8-.29,= =,L8+=,9,5. .2 </1<81/., A1/., % A/=I A/=I+56 /=,/ <,5.=/1 /561, J2= *+,-./ </= H+A,= 92.2= /8M " .29/.+< A/=I+56 A2-+.+25 -B-.,9， </1<81/.+25 /5F F,-+65 =,-81. -/.+-J+,F =,L8+=,9,5. 2J <8-.29,=D " " G(A H:;I)： /8.292.+:, H+A,= 92.2=； /8.29/.+< A/=I+56 A2-+.+25 -B-.,9； ,5,=6B <25-89, K=/I+56； A/=I+56 /=,/ <,5.=/1 /5M " 61, 2J A1/., % A/=I ； A/=I+56 A2-+.+25 /<<8=/<B " " " 的理论计算模型， 并进行了实例计算和分析。 " % 引 $ 言 " " ! 自动复位系统的结构及工作原理 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， *+,-./ 轿车雨刮电动机的自动复位系统内置在 是汽车不可缺少的重要部件。很多 " 雨刮电动机的减速箱内， 其结构和复位工作原理如 并将 " 汽车制造企业将雨刮器列为汽车的安全部件， " 雨刮器的一些功能特性 图 ’ 所示。减速箱内的减速齿轮用聚甲醛树脂注塑 （ 如刮刷频率） 列为安全特 " 其目的是要求雨刮器在工作时既能及时刮清汽 成型， 图 ’ 中的钢制复位片 （ 目前很多雨刮器的复 " 性， " 车风窗玻璃上雨雪杂物， 又不能影响驾驶员的视线； 位片用 N$" 冷轧铜板冷冲压成型） 嵌覆在减速齿轮 " 汽车雨刮器在停止状态还有一个关键功 的端面上。在减速箱盖板上压铆三个弹性接触片， " 除此以外， " 能要求 接触片的另一端铆接有铜制触点， 三个触点与减速 自动复位功能， 即雨刮器在停止工作时，
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设计分析 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !""# 年第 ! 期$ $ "#$%& ’&( ’&’)*#$# !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !! " " 复位片制动复位区的圆心角。 " " 转动方程和电动机机械特性方程组成的方程组解得 " 电动机在能耗制动过程中转速的微分方程为： 根据 %1 # % 及式 （ , ）= （+） ， 即可计算出复位片 " $! 制动复位区的圆心角的理论值范围， 即： " ! " !" # $# （%） $% " !4 （>） " " $ 6 !1 . $ # 23 ()% && ! 4 # !1 ) " 其中： $# " ・ （ * ） ’ ’ ’ ( !% *+, " 式 （>） 即是 78’9:- 轿车雨刮电动机自动复位系统中 " 式中： 过渡过程结束后雨刮电动机的稳态转 !" 复位片制动复位区圆心角的理论计算模型。 " 速； " " ’ 算例与分析 $# 系统制动时机电时间常数； " % () ) 系统总的飞轮矩。 " 78’9:- 轿车雨刮电动机的定额数据和相关参数 " 将图 *- 中的起始点 * 和虚稳态点 ’ 的有关数 如表 ? 所示。 " " 据代入到式 （%） 的通解中， 得： 表% " % #$ 工作电压范围 输出功率范围 低速转速范围 效率范围 ’ # （.） ! " ! ’ +（ ! , # ! ’ ） " 减速比 0 @A @B @F @ C・D83 E ? " ! ! 式 （.） 即为电动机能耗过渡过程的转速随时间 " 5 = ?, .1 = ,1 *, = ,1 *1 = .1 其曲线如图 */ 所示。图 " 的变化关系的数学表达式， 低速转速 工作电压 输出功率 效率 " * / 曲线上 ! 0 1 的点， /G @ A 1G @ B ,, ! G @ C・D83 E ? 其时间坐标数值 %1 就是电动 $@ F " ?*H , ., ., *, " " ! ! 首先根据电动机的额定值计算电流的额定值 " 2G ： " " 1G （5） 2G " " /G $ （ -） （ /） " " 图 &$ 电动机拖动反抗性恒转矩负载时能耗制动过程 根据电动机的固有机械特性数学表达式， 计算电动 " 机能耗制动停车所用的时间。将电动机能耗制动的 机的 ’ ： ’ !G " " 初始点、 稳态点的转速值及 ! 0 1 代入式 （.） 中， 可 /G # 2G &’’ !G " （ ?1 ） " !G 0 " 得出电动机能耗制动时间 %1 。 " !4 计算电动机制动前的初始转速 !1 ： （,） %1 " $ # 23 " ! 4 # !1 $ " &- ・ /G 0 !4 电动机能耗制动过程中虚稳态点的转 " 式中： ・ （ ?? ） !1 " % " ’ ! 5 ,, （ ’ ’ G ’ !G ） 速， 其计算公式为： " 1 G 61 " &$ $ 电动机的额定转矩， $0 ・ 。 式中： " （ 因为 / " 1 ） （ 6 ） ! 4 % " !G %! 5 - ,, .（ ’ ’ !） " 计算电动机制动回路的总电阻 & & ， 取制动开始 $ 电动机能耗制动过程中的电磁转矩。 " " 瞬间电流为两倍的额定电流， 则 & & 计算值为： 78’9:- 轿车雨刮电动机总是在低 由上文分析， " 3所以设雨刮电动 " 速状态下开始进入能耗制动过程， && " （ ?% ） " 机在低速运行状态下弹簧片 ; 触点滑过复位片的 % 2G 轿" 车 3电动机制动前的电枢反电势， 式中： 所需的时间为 制动复位区 （ 图 % 中复位片的 < 区）
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图 !% 自动复位系统工作原理
被断开， 此时电动机的电源被切断。由于电动机转 子的机械惯性， 电动机转子继续按原来的转向转动。 但此时的电动机作发电机运行 （ 因为此时的电动机 电磁转矩和转速相反） ， 电动机电枢绕组感生的感 生电流方向与电源电压相反， 所以感生电流由低速 电刷流经控制开关的 # 接线端、 $ 接线端、 弹簧片 ( 触点、 复位片、 弹簧片 ) 触点、 电动机负极电刷、 电 枢绕组形成电流回路。由于雨刮电动机的磁源是永 磁体， 其极性不变而感生电流 ! " 反向， 根据电动机 则电动机的电磁转矩与电动 电磁转矩 # * $ + ! , ! " ， 机的电动运行状态相反， 此时的电磁转矩 # 与电动 机转向 % 方向相反， 成为电动机的制动力矩， 电动机 则处于能耗制动状态。另外弹簧片的 ’、 (和)触 点与减速齿轮端面 （ 包括复位片） 之间的机械摩擦、 电动机其它的附加机械摩擦以及拖动的负载等也都 成为电动机的制动力矩。电动机在这些制动力矩的 共同作用下迅速制动停车， 雨刮器的刮刷子系统即 万方数据