在完整3D模型下动态分析挡风玻璃雨刷系统的叶片反转行为

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在完整3D模型下动态分析挡风玻璃雨刷系统的叶片反转行为

Shigeki Okura ASMO Co.,Ltd. Tokyo Oya Meiji University

摘要

本文详细阐述了用计算机虚拟样机模拟车辆雨刷系统各种动态特性的理论。分析模型由完整的雨刷系统3D力学模型和能进行复杂逆转行为的手臂与叶片的子系统。运动方程的求解要考虑车辆3D挡风玻璃的表面数据。因此，在垂直和摩擦方向的动力学反作用力可以在运行模式下的任意一点计算。 简介

为了模拟车辆挡风玻璃的刮水系统的各项动态特征，包括叶片反转，在以前的报告中，我们曾提议组成完整的雨刮器系统的三维多体动力学模型分析理论，以及一个二维（2D）弹簧质量的手臂与叶片子系统模型[1][2][3]。然而，由于计算机辅助虚拟样机需要3D表示所有的车辆动态特性仿真，手臂和叶片2D弹簧质量模型所需的分析不足。 在这片文章中，我们提出了一个更先进的分析模型，其中包括一个完整的三维手臂叶片模型，在以前的2D模型的基础上考虑到椎骨弯曲和叶片的上部结构。作为数值模拟的结果，分析精度提高了，使雨刷系统的特征在这一方法上的扩展变为潜在可能。此外，提出了一个运用动态分析电脑程序实现的叶片最佳设计方案。

分析模型

完整的雨刷系统的分析模型

完整的雨刮器系统的分析模型是先前提出的三维多体动力学模型。 手臂与叶片子系统的分析模型

图1显示一个比赛型叶片的结构，图2显示了手臂与叶片子系统和表1显示了标准叶片上部结构设计变化的分析模型。一般来说，椎骨的自由形状沿它的整个长度具有恒定的半径。这表明，可能一个恒定的半径R，或者是半径无限大的直线椎骨。沿着脊椎骨的长度可变半径也可能是具体的。R的代数符号的定义如图3所示。

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（ａ）手臂和叶片俯视图 （b）叶片前视图

（c）手臂和叶片尖端的视图 图2：手臂和叶片的分析模型

图3：椎体半径符号的定义

在分析模型中的参数位于表2，分配给每个手臂和刀片的参数下标被省略。下标i表示橡胶爪位置的索引和j表示沿橡胶元素的位置。i和j是从叶片脚跟到尖端的计算。此外，整个本文章的其余部分，“橡胶”一词指的橡胶和椎骨。

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表2 :分析模型的参数

叶片质量

mB被分为橡胶和上部结构两部分组成，橡胶元素的粒子有质量mr，上部结构

的质量增加了以下的x和y方向的手臂等效质量：

运动方程

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完整的雨刮系统的运动混合微分代数方程，在以前的文章中提出，我们在这里重复。

M q T QA q q

0

其中：M：质量惯性矩阵； q：约束雅可比矩阵； q：广义坐标向量；

：拉格朗日乘数向量； QA：广义力向量； ：加速度方程的右边向量

以下各小节的运动方程是为手臂和叶片子系统开发的。 橡胶形态

在以前2D模型情况下，进行动态分析的五种橡胶形态罗列在表3中 表3：叶片橡胶的形态

其中：A：头与肩膀处于非接触状态 B：接触状态

C：边缘与挡风玻璃黏着状态 D：无滑移状态

JUMP：异常跳动状态 基本方程组

力的总量基本方程如下：

其中：FX0和FY0是当t=0时，在x轴与y轴方向手臂最初的反力。FX0和FY0是F0的函数，

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FX0与FY0的关系为：FX0 FY0tan F，FX0和FY0将在后面的章节提到。

利用这些结果，手臂尖端在x方向的运动方程为：

同理，手臂尖端在y方向的运动方程为：

对于每一个橡胶单元有：

其中，mX的定义如下：

如果橡胶单元j包含爪位置i，Fmj是

否则，Fmj=0

si是分布在各橡胶爪的位置W的无量纲系数，如图4所示。以表1中的第4仲结构型式为

例，给出杠杆大小d0，d1，d2，d3……d14。 si由表4唯一确定。

图4,：比赛型杠杆的描述（第4种结构型式）

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表4：橡胶爪位置系数（第4种结构型式）

Pj和Rj的定义，以及Pj和Rj与Fxj和Fyj的关系如下：

从这些关系中消除Pj和Rj，得Fxj和Fyj：

其中， j j F.在A状态下，其中颈部和边缘变形，使用等式（8）和弹簧的常数比v = kc / ka， j可以被记为 j vlj cj 从几何条件的附加方程如下：

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其中，

位置方向的一个角度。 运动方程

将式（14）和（16）代人式（5）中得

， G0是指手臂尖部下面的挡风玻璃轮廓在x起始

同样，将式（16）代入式（6）中得

等式（7）（19）、和（20）是xmj、从ymj和yA的二阶微分方程。计算未知力

B)，使得这些等式可以被整合。 和Fdj与给出(xB,x

Fxj和Fyj的反力

代入式（12）和（13）中可得F和F。以下小节讲l， 和h 的求解方将lj， cj和hjjxjyjjcj

法。有一个特例，在跳动状态下，Fxj=Fyj=0。.

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C状态下

将式（17）代入（14）中，

同样地，将式（18）代入式（15）中，

由于橡胶边缘与挡风玻璃处于粘着状态，使用xcj和ycj，这存储在以前的时间步长并且设置

y cj=0代入式（15） mj，将y、（21）和（22）可以求出lj、 cj。 hj

在A状态，式（21）和（22）是关于 j vlj cj F非线性的。 在B状态下，式（21）和（22）是关于 j 0 F const线性的。 在D状态下，从Fx j jFy j和

可以得到Fxj为

其中， j是橡胶单元的动摩擦系数。

将式（12）和（13）代入式（２４）中，重新编排变量得

其中， j j gj

此外，将ycj yej gjbj代入式（１５）有 hj gjbj ymj yej ly0 最后，将式（１７）和（１８）代入这个结果有

，将存储在先前时间步进的y cj代入式（１５）运用h、（25）、（26）中求出lj、 cj。与C状j

态相比，式（25）、（26）在A状态下是非线性的，在B状态下是线性的。 等效弹簧力Fqj和等效阻尼力Fdj

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等效弹簧力Fqj

ym 1,ym 2,.....ymnz ，使用转移矩阵技术，由图5可以看出，一对单元j到j+1给出ym

的关系可以表示成如下：

[4]

T

其中 是一个倾斜的角度，M是一个弯曲的时刻，S是一个剪切力。MB是一个无脊椎形状的外部时刻。MB的可满足以下：

图5：Fqj到Fqj 1转移矩阵模型

给出在橡胶根部与尖端虚拟单元(j 0,nz 1)如下的边界条件

j Mj 和Sj可以记在Fdj的递推公式中，可以写成如下：

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(j 1,...,nz 1)可以表示为：

运用这些结果，ymj

此外，从式（28）、（29）和（32）可得

从式（30）、（33）可得

式（34），（35）和 …… 此处隐藏：3393字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……