NVH團(tuán)隊(duì)在期刊Proceedingsof the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of AutomobileEngineering(SAGE PUBLICATIONS LTD出版的汽車工程領(lǐng)域國際著名學(xué)術(shù)期刊，中科院四區(qū)期刊，影響因子1.7)發(fā)表文章Vibrationresponse analysis of boneless wiper-windshield system based on multi-bodydynamics model。文章通過剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)建模實(shí)現(xiàn)無骨雨刮-風(fēng)窗振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算，進(jìn)一步分析無骨雨刮-風(fēng)窗系統(tǒng)的振動(dòng)機(jī)理，并依據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性。

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https://journals.sagepub.com/eprint/WF7UMDPZ5VH2ZWFIADU8/full

1 內(nèi)容摘要

無骨雨刮-擋風(fēng)玻璃系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音會(huì)對乘員造成困擾。探索無骨雨刮擋風(fēng)玻璃系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是了解振動(dòng)和噪聲的前提。本文研究無骨雨刮-風(fēng)擋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并構(gòu)建與實(shí)際無骨雨刮-風(fēng)擋系統(tǒng)相匹配的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)態(tài)模型。通過雨刮測試臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究動(dòng)態(tài)模型的摩擦特性。利用Adams計(jì)算動(dòng)態(tài)模型的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)，摩擦振動(dòng)的結(jié)果很好地再現(xiàn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)。模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際車輛測試結(jié)果的平行分析證實(shí)模型的有效性。結(jié)果表明，反轉(zhuǎn)前后瞬間的振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)制可以用雨刮片的負(fù)摩擦特性導(dǎo)致的不穩(wěn)定性來解釋。雨刮片各個(gè)位置的反轉(zhuǎn)沖擊力和反轉(zhuǎn)力矩的大小存在差異。通過仿真結(jié)果分析不同速度工況對系統(tǒng)振動(dòng)的影響。本文的分析方法和仿真結(jié)果可為無骨雨刮系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲控制研究提供參考。

2 圖文解析

2.1 摩擦特性測試實(shí)驗(yàn)

本文通過雨刮測試系統(tǒng)對雨刮片和擋風(fēng)玻璃之間的摩擦特性進(jìn)行了測試。圖1中展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試工況。

(a)

(b)

圖1 (a)實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置 (b)運(yùn)行工況

濕/干環(huán)境下的摩擦系數(shù)測試結(jié)果如圖2所示。在干燥環(huán)境中，摩擦系數(shù)受滑動(dòng)速度變化的影響較小，可以表示為固定摩擦。濕潤環(huán)境下，摩擦系數(shù)與相對滑動(dòng)速度之間存在負(fù)斜率效應(yīng)。

(a)

(b)

圖2 (a)濕潤環(huán)境 (b)干燥環(huán)境

2.2 雨刮-風(fēng)窗模型

本研究中的雨刮系統(tǒng)源于汽車上的無骨雨刮系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。雨刮片的結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。圖3（c）顯示柔性體雨刮片模型）。雨刮片下部的相鄰部分通過無質(zhì)量柔性梁連接，雨刮片上部的相鄰部分通過柔性場連接。整個(gè)雨刮片被分成10個(gè)部分。為了模擬雨刮片頸部的扭轉(zhuǎn)變形，柔性刮片的上部和下部使用扭力彈簧和旋轉(zhuǎn)彈簧連接。在柔性車身下部的每個(gè)離散部分和擋風(fēng)玻璃之間設(shè)置接觸力。

(a)

(b)

(c)

圖3 (a)剛性模型 (b)雨刮柔性體結(jié)構(gòu)示意圖(c)柔性雨刮模型

2.3 振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果

圖4表明，雨刮片所承受的振動(dòng)加速度仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)得到的雨刮片垂直振動(dòng)加速度曲線的變化結(jié)果一致。因此，該模型的仿真結(jié)果能夠有效地表征雨刮器系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中不同干濕環(huán)境下的振動(dòng)響應(yīng)，驗(yàn)證雨刮片在潮濕環(huán)境中的Stribeck效應(yīng)的影響。

圖4 雨刮片在兩個(gè)輸出軸循環(huán)中的垂直振動(dòng)加速度：(a)干燥環(huán)境下的模擬結(jié)果 (b)干燥環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (c)潮濕條件下的模擬結(jié)果 (d)潮濕條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 振動(dòng)響應(yīng)分析

圖5（c）和圖6（c）分別顯示了在不同速度檔位下，在兩個(gè)電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)周期中施加在雨刮器葉片上的總壓力的變化。圖5（a）和圖6（a）對應(yīng)圖6中相對穩(wěn)定的角度變化階段，即輸出軸旋轉(zhuǎn)角度在60°和120°之間。在這個(gè)階段，速度對摩擦系數(shù)的影響很小，雨刮片以低頻振動(dòng)并發(fā)生顫振。在低速檔位中，摩擦系數(shù)隨速度變化在0.12和0.08之間。在高速檔位中，摩擦系數(shù)隨速度在0.10到0.08之間變化，導(dǎo)致顫振幅度更高，在低速檔位中顫動(dòng)更強(qiáng)烈。

圖5（b）和圖6（b）為雨刮片反轉(zhuǎn)前后的階段，摩擦系數(shù)與速度呈負(fù)相關(guān)。隨著速度的降低或增加，摩擦系數(shù)急劇降低或增加，雨刮片承受劇烈的高頻振動(dòng)。有據(jù)可查的是，雨刮器系統(tǒng)中的尖叫聲是一種自激振動(dòng)或粘滑振動(dòng)。摩擦系數(shù)的梯度，即速度特性，表現(xiàn)出較大的負(fù)值，導(dǎo)致葉片滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致尖叫振動(dòng)。本文的模型能夠完整再現(xiàn)雨刮片在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)生的高頻和低頻振動(dòng)，以及刮片反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)。在潮濕的環(huán)境中，Stribeck效應(yīng)是雨刮片尖叫振動(dòng)的原因。

圖5 高速和潮濕條件下葉片段的總壓力：（a）顫振階段，（b）反轉(zhuǎn)階段，（c）兩個(gè)完整的刮水器循環(huán)

圖6 葉片在低速和潮濕條件下的總壓力：（a）顫振階段，（b）反轉(zhuǎn)階段，（c）兩個(gè)完整的刮水器循環(huán)

3 結(jié)論

綜上所述，本文通過實(shí)驗(yàn)與仿真模擬探索了無骨雨刮系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的動(dòng)力學(xué)特性；通過實(shí)驗(yàn)測試了雨刮片-擋風(fēng)玻璃之間的負(fù)摩擦特性，并以此為邊界條件，完成多體動(dòng)力學(xué)分析模型的仿真計(jì)算；反轉(zhuǎn)前后振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理可以用雨刮片負(fù)摩擦特性引起的不穩(wěn)定性來解釋；提出的分析方法能夠展示出雨刮片在運(yùn)行過程中各部分所受壓力，并探究了速度工況對反轉(zhuǎn)沖擊的影響作用。

4 致謝

本文得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.52172371）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目（No. 21XD1401100）、上海市新能源汽車振動(dòng)噪聲評價(jià)與控制專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)基金資助項(xiàng)目（No. 18DZ2295900）資助。