原创 基于Matlab／SimMechanics的汽车风窗刮水器建模与仿真

为了保证汽车在雨雪天有良好的视野，各种车辆均配有刮水器，他利用连杆机构将电机连续的旋转运动转化为刮片的往复刮刷运动。由于刮水器在工作过程中是动态的，运动关系较为复杂，要确定其合理的连杆长度和固定点位置，在平面图上要经过反复运算和校核，工作量较大，效率低。为了在短周期内设计出合格的产品，满足客户的要求和增加市场竞争力，设计者通过Matlab/SimMe-chanics仿真建模环境提供的良好的人机交互图形界面，建立产品模型，对刮水器进行虚拟设计和动态仿真分析，并及时对设计进行改进和优化。

1 SimMechanics简介

SimMechanics机械系统建模与仿真集成于Simulink之中，是进行控制器和对象系统跨领域/学科的研究分析模块集。SimMechanics为多体动力机械系统及其控制系统提供了直观有效的建模分析手段，一切工作均在Simulink环境中完成。他提供了大量对应实际系统的元件，如：刚体、铰链、约束、坐标系统、作动器和传感器等。使用这些模块可以方便地建立复杂图形化机械系统模型，进行机械系统的单独分析或与任何Simulink设计的控制器及其他动态系统相连进行综合仿真。他扩展了Simulink的建模能力，利用他做出的模型仍能与传统Simulink模块所建立的模型相融合。

SimMechanics系统包含有刚体模块组(Bodies)，运动铰模块组(Joins)，约束与驱动模块组(Constraints&Driver)，传感器与作动器模块组(Seneors&Actuators)，力单元模块组(Force Elements)等，各模块组中所包涵的模块及其功能详见文献[3]。

2 创建刮水器机构的仿真模型

2.1 刮水器机构简图及工作原理

刮水器一般分为对刮和顺刮两种形式。如图1所示是顺刮式刮水器的机构简图，包括连杆、刮臂、刮片等。刮水电机以30 r/min的速度单向连续转动，刮臂作左右往复摆动，且左右摆动的速度相同。已知初始设计参数为曲柄lAB=60 mm，连杆LBC=LBC1=200 mm，固定点位置水平方向lAD=lAD1=200 mm，刮臂摆角φ =120°，刮片的工作阻力矩如图2所示。左右刮臂和刮片的重心分别为S1和S，质量m=1.530 6 kg，lD1S1=lDS=100 mm。观察刮臂的运动情况，分析运动副A须加的力矩及运动副D的运动情况。

2.2 创建刮水器机构SimMechanics模型

根据机构简图，用SimMechanics中提供的模块，先绘制出固定机架，用刚体模块组中的Ground模块来表示，然后从Joints模块组中复制Revolute模块，构造出第一个转动副A，依此类推，就可以将所需的模块都复制到此模型窗口中，复制完模块后，将这些模块托放到合适的位置，依照机构简图将他们依次连接起来，可对各模块的名称进行编辑修改。

对每一个模块均需设置参数，双击杆件模块可以得到参数设置对话框，需要输入的刚体参数有：杆的质量、惯量矩阵、刚体坐标和质心位置，各杆具体参数见表1。参数的设置可以通过直接输入和变量输入两种方法，具体内容可参见参考文献[2，5]。电动机的单向转动由普通Simulink的一级信号控制模块图3所示子系统来完成，通过运动副作动器(Joint Actuator)输入，其有效参数为角位移、角速度和角加速度;刮水刷的工作阻力矩可由工作阻力矩控制模块(图4)输入给RevoluteD，该子系统的输入为RevoluteD的角速度。建立的刮水器机构SimMechanics模型如图5所示。

3 配置和运行模型

3.1 配置SimMechanical Environment

打开“SimMechanical Environment”对话框，选择“Parameters”选项卡，设置“analysis type"’为Forward dynamics;选择“Visualition'’选项卡，勾选“Drawmachine in initialstate”和“Animate machine during simulation"选项，设置“Draw machine using”为Matlab Graphics，“Representbodies as”为Convex hulls，“Update machine”为When diagram changes。

3.2 检测运动和运行模型

SimMechanics为机械系统提供了多种仿真/分析方式：正向动力学分析——求解机械系统在给定激励下的响应;逆向动力学分析——求解机械系统按给定运动结果时所需的力和力矩;运动学分析——在约束条件下求解系统中的位移、速度和加速度，并做一致性检查;线性化分析——可求得系统在指定小扰动或初始状态下的线性化模型，以分析系统响应性能;平衡点分析——可以确定稳态平衡点，供系统分析和线性化使用。用户可以根据自己的需要，在同样的基本组合结构下，对一个模型创建多个版本，连接不同的Sensors和Actuators模块以及不同的配置。本文对刮水器进行正向动力学分析(Forward dynamics)。

SimMechanics输出的运动学参数和动力学参数都通过各种传感器模块输出。SimMechanics中的传感器模块有3种：

(1) 构件传感器(BodySensor)：传递构件的运动，可以将构件的位置、速度、加速度、角速度、角加速度等量以数值或图示的形式反馈。

(2) 铰接剐传感器(JointSensor)：传递铰接副的运动和力，可以传递铰接副的运动、相对力和扭矩以及驱动铰接副运动所需的力和扭矩、反作用力和扭矩等量。

(3) 约束及驱动传感器(Constraint&DrivetSensor)：传递约束反力，可以传递由于约束及驱动块的作用而产生的反作用力和扭矩。

用户根据需要选择不同的传感器输出所需的参数。要分析运动副A须加的力矩及运动副D的运动情况。如图5所示须在RevolutD和RevolutA上接传感器JointSensor，并进行参数设置，然后通过显示器输出结果。运动副A及电动机输出轴力矩(N?m)信号如图6所示，刮臂的角位移(rad)，角速度(rad/s)及角加速度(rad/s2)信号如图7所示。

仿真结果的显示是SimMechanics程序的一个特色，既可以用Matlab自身的图形和SimMechanics的示波器以及XY Graph显示仿真结果，还可以依赖虚拟现实工具箱，对仿真的机构进行动画显示。为了观察刮臂的运动情况，通过前面对Visualition选项卡的配置，运行时对输出机构进行动画显示。图8所示为刮水器的实时图片。在仿真的过程中，随时可以停止仿真，修改各模块参数，进行优化设计。

4 结 语

应用Matlab/SimMechanics的虚拟模拟功能不但提高了设计效率，而且整个设计过程模拟现实状态，可以及时发现设计缺陷，将试制过程中的失误降至最低，取得了良好的效果，提高了设计效率和设计水平。杆类机构、齿轮机构等其他类似机构均可以使用同样的方法进行动力分析，并利用虚拟现实工具箱对所设计的机构进行动画显示以达到运动干涉检查的目的。与其他通过编程实现的仿真方法相比，此方法简单易行，他具有系统建模方便直观，仿真功能强大，自动模型分析等优势，不需要编程，可很好地对机械系统的各种运动动力进行分析。在此基础上与Simulink的其他模块相结合，可以为自动控制系统提供更为有效的设计手段。