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1、基于最小冲击力为目标函数的雨刮连杆机构优化基于最小冲击力为目标函数的雨刮连杆机构优化万福万福摘要：摘要：在雨刮设计中一般是基于规范的角加速度优化。但对于级连形式的四连杆机构中，由于结构的原因不便于两级四连杆角加速度同时最小。本文针对这 种情况，提出了一种基于最小转动冲量进行优化的方法。在实施该方法中借用 ADAMS 软件的优化分析功能，实现了对级连四连杆机构的优化。 关键词：关键词：雨刮连杆设计、四连杆机构、冲量、ADAMS、优化在雨刮设计中一般要求输出轴的角加速度不大于某个标准的值即可。但在 设计中往往追求输出轴的角加速度越小越好。该方法虽然具有很好的操作性， 而且对于非级连形式的四连杆机构
2、十分有效，可以有效的对每个四连杆机构进 行优化。但是对于级连形式的四连杆机构中，对于处于中间位置的曲柄摇臂组 件（如图一）而言，因为结构的原因曲柄和摇臂两个球头不便于重合在一起， 有一定的夹角（如图示 角） 。由于该夹角的存在会 加深第二级四连杆机构加速 度曲线的畸变，造成角加速 度的增大。因此两个四连杆 机构结构尺寸的协调，对于 角加速度的减少是非常有用 的，而这时不能实现每个四 连杆机构加速度的最小。其 实，控制角加速度的目的是： 由于雨刮连杆输出轴需要带 动雨刮的刮臂刮刷进行工作，控制角加速度可以有效的减少刮刷往复运动带来 的冲击。 随着目前汽车的发展，汽车雨刮出现的为了防止在高速时刮刷
3、因为受气流 影响而飘起来的带防浮翼的雨刮；和受空间限制和造型需要的长刮臂雨刮。这 两种雨刮的特点是左右刮臂差异较大，相对于转动轴的转动惯量也相差较大。 而在基于角加速度为控制目标的设计优化中根本没有考虑刮臂刮刷惯量不同带 来的差异。 在一般平动中的冲击是用冲量 P 来描述的。 根据冲量定理： P=F.t=m.V。 冲击力： F=m.dV/dt=m.a 在雨刮的转动中采用转动惯量 M 代替质量 m，角速度 代替平动速度 V。得到冲量 P=M.。对于单一质点 m 相对于某一转动轴来说 M=m.R2。 因此对于转动来说：P=M.= 冲击力： F= m. R2.d/dt=m. R2.a 由此可知雨刮的
4、冲击力与刮臂刮刷到转动轴的半径的平方、质量成正比。 对于级连的四连杆机构，刮刷半径的影响尤其大。以此这时显然需要将两刮臂刮刷的转动惯量 M 乘上加速度得到冲击力。这时可以利用 ADAMS 的优化功能 进行优化计算。 由最优化理论我们知道：优化是指在系统变量满足约束条件下使目标函数 取最大值或者最小值。目标函数是用数学方程来表示模型的质量、效率、成本、 稳定性等。使用精确数学模型的时候，最优的函数值对应着最佳的设计。目标 函数中的设计变量对需要解决的问题来说应该是未知量，并且设计变量的改变 将会引起目标函数的变化。在优化分析过程中，可以设定设计变量的变化范围， 施加一定的限制以保证最优化设计处于
5、合理的取值范围。 另外对于优化来说，还有一个重要的概念是约束。有了约束才使目标函数 的解为有限个，有了约束才能排除不满足条件的设计方案。 通常，优化分析问题可以归结为：在满足各种设计条件和在指定的变量变 化范围内，通过自动地选择设计变量，由分析程序求取目标函数的最大值或最 小值。 在雨刮连杆设计中我们的两个雨刮所需的摆角，和因为为结构的原因，曲 柄和摇臂两个球头不便于重合在一起的最小距离，即为我们的约束。当然在运 行过程中两个四连杆机构的冲击力之和为目标函数。 在我公司对奇瑞 P11 的前窗电机连杆的设计中，运用 ADAMS 进行的优化如 图二所示。达到了对转动冲力进行优化的目的。从图二可以看
6、出为保证两四连杆冲击 力之和最小，两转动轴的角加速度（Joint_3_MEA_Acc_1 和 Joint_2_MEA_Acc_2）最大值有较大偏差，但经过加权规一化处理后的最大角 加速度(Impact_Acc_Add)，并不是两角加速度的平均，而是非常靠近最大角加 速度小的值。可见通过 ADAMS 的优化机构尺寸，对两四连杆机构进行了角加 速度合理分配，有效的减少由于刮臂刮刷转动惯量不同，带来的传统设计的不 足。但遗憾的是：由于目前使用的为盗版软件，使用该软件有时会出现在某些 变量的组合下，机构不存在的情况。这时整个优化失败。由于该问题的存在， 不得不减小变量取值范围。由此带来的优化解只能是在该众多独立解空间的中 的一个优化解。目前由于本人水平原因尚不能证明，这些解空间是联通的。因 此严格的说，目前求的是当前在给定变量范围的优化解。 由于我们拼凑的解往往满足我们其他的一些规则要求，如与周围钣金钣金 的间隙，两极限位置的夹角基本相等，等其他要求。只不过往往这时得到的优 化解，比我们在三维软件个人靠拼凑的解要优，而且显然在同一个解空间，因 此可以成为最优解。只是完成了最优的求解过程还需要重新进行其他的设计校 核。
