基于多体动力学模型的无骨雨刮-风窗系统振动响应分析

NVH团队在期刊Proceedingsof the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of AutomobileEngineering(SAGE PUBLICATIONS LTD出版的汽车工程领域国际著名学术期刊，中科院四区期刊，影响因子1.7)发表文章Vibrationresponse analysis of boneless wiper-windshield system based on multi-bodydynamics model。文章通过刚柔耦合多体动力学建模实现无骨雨刮-风窗振动响应的计算，进一步分析无骨雨刮-风窗系统的振动机理，并依据试验验证模型的有效性。

文章链接：

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

1 内容摘要

无骨雨刮-挡风玻璃系统在实际运行过程中产生的振动和噪音会对乘员造成困扰。探索无骨雨刮挡风玻璃系统的动态特性是了解振动和噪声的前提。本文研究无骨雨刮-风挡系统的动态特性，并构建与实际无骨雨刮-风挡系统相匹配的刚柔耦合多体动态模型。通过雨刮测试台实验研究动态模型的摩擦特性。利用Adams计算动态模型的非线性动态响应，摩擦振动的结果很好地再现实际运动。模拟计算结果和实际车辆测试结果的平行分析证实模型的有效性。结果表明，反转前后瞬间的振动产生机制可以用雨刮片的负摩擦特性导致的不稳定性来解释。雨刮片各个位置的反转冲击力和反转力矩的大小存在差异。通过仿真结果分析不同速度工况对系统振动的影响。本文的分析方法和仿真结果可为无骨雨刮系统的振动和噪声控制研究提供参考。

2 图文解析

2.1 摩擦特性测试实验

本文通过雨刮测试系统对雨刮片和挡风玻璃之间的摩擦特性进行了测试。图1中展示了实验设备和测试工况。

(a)

(b)

图1 (a)实验台装置 (b)运行工况

湿/干环境下的摩擦系数测试结果如图2所示。在干燥环境中，摩擦系数受滑动速度变化的影响较小，可以表示为固定摩擦。湿润环境下，摩擦系数与相对滑动速度之间存在负斜率效应。

(a)

(b)

图2 (a)湿润环境 (b)干燥环境

2.2 雨刮-风窗模型

本研究中的雨刮系统源于汽车上的无骨雨刮系统，具体结构如图3（a）所示。雨刮片的结构如图3（b）所示。图3（c）显示柔性体雨刮片模型）。雨刮片下部的相邻部分通过无质量柔性梁连接，雨刮片上部的相邻部分通过柔性场连接。整个雨刮片被分成10个部分。为了模拟雨刮片颈部的扭转变形，柔性刮片的上部和下部使用扭力弹簧和旋转弹簧连接。在柔性车身下部的每个离散部分和挡风玻璃之间设置接触力。

(a)

(b)

(c)

图3 (a)刚性模型 (b)雨刮柔性体结构示意图(c)柔性雨刮模型

2.3 振动响应结果

图4表明，雨刮片所承受的振动加速度仿真结果与实验试验得到的雨刮片垂直振动加速度曲线的变化结果一致。因此，该模型的仿真结果能够有效地表征雨刮器系统在实际运行过程中不同干湿环境下的振动响应，验证雨刮片在潮湿环境中的Stribeck效应的影响。

图4 雨刮片在两个输出轴循环中的垂直振动加速度：(a)干燥环境下的模拟结果 (b)干燥环境下的实验结果 (c)潮湿条件下的模拟结果 (d)潮湿条件下的实验结果

2.4 振动响应分析

图5（c）和图6（c）分别显示了在不同速度档位下，在两个电机输出轴旋转周期中施加在雨刮器叶片上的总压力的变化。图5（a）和图6（a）对应图6中相对稳定的角度变化阶段，即输出轴旋转角度在60°和120°之间。在这个阶段，速度对摩擦系数的影响很小，雨刮片以低频振动并发生颤振。在低速档位中，摩擦系数随速度变化在0.12和0.08之间。在高速档位中，摩擦系数随速度在0.10到0.08之间变化，导致颤振幅度更高，在低速档位中颤动更强烈。

图5（b）和图6（b）为雨刮片反转前后的阶段，摩擦系数与速度呈负相关。随着速度的降低或增加，摩擦系数急剧降低或增加，雨刮片承受剧烈的高频振动。有据可查的是，雨刮器系统中的尖叫声是一种自激振动或粘滑振动。摩擦系数的梯度，即速度特性，表现出较大的负值，导致叶片滑动运动不稳定，从而导致尖叫振动。本文的模型能够完整再现雨刮片在实际运行过程中发生的高频和低频振动，以及刮片反转时产生的冲击振动。在潮湿的环境中，Stribeck效应是雨刮片尖叫振动的原因。

图5 高速和潮湿条件下叶片段的总压力：（a）颤振阶段，（b）反转阶段，（c）两个完整的刮水器循环

图6 叶片在低速和潮湿条件下的总压力：（a）颤振阶段，（b）反转阶段，（c）两个完整的刮水器循环

3 结论

综上所述，本文通过实验与仿真模拟探索了无骨雨刮系统在实际运行过程中的动力学特性；通过实验测试了雨刮片-挡风玻璃之间的负摩擦特性，并以此为边界条件，完成多体动力学分析模型的仿真计算；反转前后振动产生的机理可以用雨刮片负摩擦特性引起的不稳定性来解释；提出的分析方法能够展示出雨刮片在运行过程中各部分所受压力，并探究了速度工况对反转冲击的影响作用。

4 致谢

本文得到国家自然科学基金项目（No.52172371）、上海市优秀学术带头人项目（No. 21XD1401100）、上海市新能源汽车振动噪声评价与控制专业技术服务平台基金资助项目（No. 18DZ2295900）资助。