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挡风玻璃刮雨器动态特性：尖峰噪声，反转噪声和抖振
摘要：借助在移动摩擦表面上的质量-弹簧-阻尼器系统，对挡风玻璃刮雨器的运动进行建模。由于可能出现三种不同的变形以及不同自由度特征，因此整个系统动力性能是时变的。实际的系统及简图中示意的刮片-横截面系统，当其与玻璃表面接触时会经历粘滑运动，并且当其与玻璃表面分离时可经历自由飞行运动。系统和表面之间的接触运动由Stribeck摩擦定律和泊松冲击定律决定，这产生非平滑动力性能。用事件驱动代码建立数字模型，并且模拟再现振荡的三个基本类型，这三种振荡是实际挡风玻璃刮雨器运动中能观察到的，但不期望产生的。即，尖叫，反转和抖动噪声。本文的重点是研究这些振动产生的原因，并且提出了用于减少或避免它们发生的补救措施。
关键词：刮片振动；摩擦诱发振荡；非平滑动力性能；尖峰噪声；抖振
1.引言
尖峰，反转和抖动噪声代表了不期望的三种基本振荡。这三种基本振荡能够在汽车挡风玻璃刮水器的运动中观察到。由于产生原因不同，它们以不同的形式表现。
尖叫噪声频率是在500-1000赫兹之间，是由于自激滑移或粘滑振荡产生的。此时挡风玻璃是处于湿润状态的。根据Stribeck曲线[1]，在湿润条件下，刮雨器唇部与风窗玻璃表面之间的摩擦大小取决于滑动速度。摩擦系数对于趋近零的速度（边界方程）获得大的值，而对于大速度（流体动力状态）假定为低值。在边界层和流体动力状态之间的过渡阶段，摩擦系数梯度，或称速度特性呈现大的负值，这带来刮片滑动的不稳定性，从而导致尖峰振动。由于过渡状态发生在低滑动速度（大约0.1m / s），因此在刮雨器反转之前和之后能观察到振动。
许多研究已经将摩擦引起的振动作为研究对象，因为在若干工程应用中能够观察到这种现象。我们参考文献[2-4]中详细的综述，已分别面向行业应用和建模研究。有关挡风玻璃刮雨器产生的尖峰噪声研究，已经开发了不同的模型。在文献[5]中已经提出了简单的一个自由度系统，这个系统由一个在摩擦表面上运动的质量块，以及对它进行约束的弹簧和缓冲器组成。采用平衡求解方法得到滑动速度的范围是不稳定的，而这个速度范围已经通过Lyapunov稳定性分析得到确定，并且与实验得到的数据范围极为接近。这已经证实尖峰噪声是由于摩擦诱导引起振动，诱导的原因是流体从静态到动态的过渡阶段中产生陡峭的摩擦梯度。在文献[6]中，绘制了刮雨器唇部横截面示意图，用刚性棒以及固定在支座上约束刚性棒的弹簧组成结构表示。这个刚性棒可以在移动表面上滑动。系统的动力性能由一个自由度（one-dof）方程描述，方程中的粘性系数取决于摩擦速度特性。对于足够大的负速度特性，粘性系数变为负值，其解是自激振动，再现了尖峰噪声。自激粘滑振动也被研究，采用文献[7,8]中的一个自由度模型或文献[9]中的多个自由度模型。
抖振或蜂鸣噪声是低频振荡（lt;100HZ），大多发生在粘滑模式中。这种振动产生的原因主要是几何因素的影响，这个几何因素在于不合理的弯曲构型，这种构型是基于假设刮雨器曲度与玻璃表面的法线有关而得到。该倾斜度，也称为攻角可以被测量，定义为刮雨器横截面的对称轴与玻璃表面外法线矢量之间的角度。倾斜构型也可能是基于刮雨器唇部永久塑性变形的考虑。只有当擦拭运动的方向为其在表面上的投影方向时，才发生这种振动。
在文献[10,11]中，当第一弯曲模式表现出颤振不稳定时，有限元模态分析表明发生颤动。特别地，在文献[11]中，已经研究了迎角、施加在臂和刮片上法向力的不稳定性的影响。在[12]中通过简化的四自由度模型进行了类似的参数调查。在文献[13]中通过一个考虑了大变形的有限元模型研究了橡胶腰密封在玻璃窗上的滑动引起的颤动不稳定性。整个雨刷系统动力性能的有限元分析已在[14]中报道，并已被用于开发一个被动式振动控制器。在文献[15]中，通过一个简单的两个dof模型再现了包括两个刮片的整个雨刷系统中产生的粘滑振动噪声。
最后，当刮雨器反转其运动方向时，发生反转噪声。在反转时，法向反作用力极快速地变化，作为冲击力作用在扫掠表面上，在极短的后续时间间隔中引起振动。基于实验和分析的对反转噪声的全面研究已经在文献[16]中进行。在这项分析研究中的一维刚体系统，被认为与本文提出的系统非常相似。
本研究的目标是用简化动力学模型再现上述振动，突出引起噪声的原因，并且最终提出减少或避免它们的补救措施。
刮雨器横截面系统示意图由图1(b)所示。由于刮片“唇部”刚性高于“颈部”刚性，所以该“唇部”被认为是刚性摆，并且其所有的弯曲变形性通过旋转弹簧集中在“颈部”。摆锤在其端点处具有质量，通过弹簧和缓冲器将其与刚性支撑件连接而被约束，解决了模拟刮片“头部”和刮雨器“臂部”的动作，并且其与摩擦表面接触，摩擦表面的运动再现擦拭运动。摆锤端部对表面的可能影响由泊松定律[17,18]模拟，其恢复冲动允许反弹。
图1 (a) 挡风玻璃刮雨器刮片部分；(b) 模型的几何方案
该模型类似于在文献[19]中提出和研究，以及在文献[20]中数值研究的摩擦冲击振荡器。它们的不同之处在于，摩擦冲击振动器在铰链处具有质量，并且除了旋转弹簧之外，其具有旋转缓冲器，在本系统中忽略该旋转缓冲器。此外，在[19,20]中考虑的引力场，在本文研究中被忽略。然而，引入了两个补充参数使模型更真实。首先，旋转弹簧的两个不同系数被用来记录不同刚度，当唇部与擦拭器“头部”的底端“肩部”接触时，以及当它不处于这种情况时（参见图2所示）。第二个新参数是表征移动表面和杆尖端之间接触的摩擦系数。根据Stribeck曲线，它被假设取决于相对水平速度，描述了挡风玻璃润湿条件下的摩擦情况[1]。虽然得到的系统是基于简化的假设，它能够捕获挡风玻璃刮水器的复杂的随时间变化的动力性能的基本特征，即三种不同运动方式的组合（自由飞行，滑动和粘附）。以这种方式，该模型成功地再现了实际中观察到的所有各种噪声。就作者的知识，文献中提供的简化模型[5-8,12,16]描述了单个特定振动现象，并且它们不具有所提出模型描述的多功能性。
图2 恢复弹性力矩的曲线图
具有冲击和/或具有摩擦的非平滑系统已经成为深入研究的对象，因为它们经历大量的非线性动力性能现象[21-26]。在这里，我们专注于挡风玻璃刮雨器的应用，旨在捕获它们独特的振动现象。所有系统参数与普通挡风玻璃刮雨器的特定几何和材料属性相关，然后它们被适当地取为定值。采用模拟捕获所有三种不同类型的运动，并且清楚地识别引起它们的原因。尖峰噪声表现为粘滑振荡，这是由大摩擦速度特性引起的。这已由稳定性分析的分析结果证实。不同地是，刮片对称轴的几何倾斜度引起低频振动（振颤），这取决于刮片倾斜角，这是粘滑振荡或涉及反弹的更复杂的振荡。最后，法向力的大增量已经被识别是产生反转噪声的原因。
所提出的模型（例如，关于更复杂的有限元模型[10-14]）的显著优点是其取几何和材料参数影响较小。因此，可以进行简单的参数研究，可以获得使不期望的振动最小化的适当设置。进行深入的分析以确定参数对振荡持续时间和幅度的影响，并且其提供了设计降低或避免噪声的刮雨器的实用建议。因此，该模型代表了一个简单和敏捷工具，用于刮雨片的初步设计和对其做更详细分析的前期准备。
本文的内容安排如下。在第2节中，介绍了模型，描述不同的运动方式和相应的控制方程。在2.2节中，注意滑动模式下平衡配置的稳定性，并且分析推导出摩擦引起的不稳定性的条件。第3节专门用于数值模拟。首先，在3.1节中设置模型参数，然后在3.2节中给出关于尖峰和反转噪声的数值结果，并且在3
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