眼鏡夾片雨刮器的設(shè)計(jì)和研究

楊均超　周詩韻　劉楚輝　賓曉林　馮鑫

【摘 要】根據(jù)眼鏡夾片雨刮器的運(yùn)動(dòng)要求，結(jié)合對(duì)三種基本類型的平面四桿機(jī)構(gòu)的對(duì)比分析，選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為眼鏡夾片雨刮器的工作機(jī)構(gòu)，通過連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)確定了眼鏡夾片雨刮器的各組成部分的材料和尺寸，并通過運(yùn)動(dòng)分析和傳動(dòng)性能的分析，驗(yàn)證了眼鏡夾片雨刮器功能和結(jié)構(gòu)的可行性。

【關(guān)鍵詞】雨刮器；夾片；連桿機(jī)構(gòu)；傳動(dòng)性能

0 引言

日前，我國(guó)現(xiàn)有近視患者已超過四億人，占世界近視總?cè)藬?shù)的33%，尤其是青少年的患病率極高。全國(guó)學(xué)生體質(zhì)健康調(diào)研最新數(shù)據(jù)表明，我國(guó)小學(xué)生近視眼發(fā)病率為22.8%，中學(xué)生為55.2%，高中生為70.3%。而這些青少年基本的代步工具往往又是自行車和電動(dòng)車，下雨天上學(xué)回家或者外出，雨點(diǎn)灑落在眼鏡上時(shí)，視線受到阻礙，車輛、行人和景物都變得模糊不清，這對(duì)出行十分不利，極有可能因無法看清道路交通情況，導(dǎo)致制動(dòng)不及、躲閃不及等而發(fā)生事故?，F(xiàn)在市面上普遍使用的防雨工具，比如雨衣，遮雨帽雖然可以遮雨，但是眼鏡上仍會(huì)被雨點(diǎn)掃到，并且依然會(huì)起霧，并不能很好的解決雨天視線受阻這一問題。本文參考汽車雨刮器的結(jié)構(gòu)與工作原理，研究設(shè)計(jì)了一種眼鏡夾片雨刮器，其一方面改善戴眼鏡雨天出行的麻煩，為近視患者提供一個(gè)相對(duì)清楚的視線，方便出行；另一方面降低外界不可控因素給我們生活帶來的不便以及安全隱患，從而減少各種因雨點(diǎn)覆蓋鏡片而導(dǎo)致的事故發(fā)生，提高人們生活質(zhì)量。

1.電動(dòng)機(jī)；2.連接桿；3.眼鏡夾片；4.雨刮器；5.眼鏡；6.電池座

1 眼鏡夾片雨刮器的結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，眼鏡夾片雨刮器主要由驅(qū)動(dòng)部分和連桿機(jī)構(gòu)組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)連架桿使搖桿做變速往復(fù)擺動(dòng)，使得固定于搖桿上的雨刮器在眼鏡鏡面上做往復(fù)擺動(dòng)，從而達(dá)到清除雨霧的目的。

眼鏡夾片雨刮器的連桿機(jī)構(gòu)的自由度為1，只需一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)帶兩轉(zhuǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從根本上減輕重量，使其使用方便。連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證雨刮器反端可在0～90°范圍內(nèi)擺動(dòng)，搖桿末端設(shè)計(jì)成90°彎曲結(jié)構(gòu)，以使其刮雨范圍能更好地滿足清除鏡面雨霧的要求。

雨刮器的微彎設(shè)計(jì)可以使刮雨效率略增，同時(shí)能使得刮雨范圍盡可能大。此外，微彎設(shè)計(jì)也能使其處于起始位置時(shí)不妨礙人的視線。連桿機(jī)構(gòu)的連桿要求輕便堅(jiān)固，能夠防水并耐腐蝕，以延長(zhǎng)眼鏡夾片雨刮器的使用壽命，ABS（丙烯晴）塑料具有高剛度、低吸水性、耐熱、不易劃傷與變形、在低溫條件下具有高抗沖擊韌性等特征，用于制作連桿能起到很好的支撐和保護(hù)作用。

2 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 連桿機(jī)構(gòu)類型選擇

平面四桿機(jī)構(gòu)主要有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)三種，其中曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性符合眼鏡夾片雨刮器的動(dòng)作要求，因此，選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為眼鏡夾片雨刮器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以曲柄為原動(dòng)件，將曲柄的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刮雨所需的運(yùn)動(dòng)。

2.2 連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)眼鏡鏡片的大小和眼鏡雨刮器的工作要求，可確定眼鏡夾片雨刮器結(jié)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿長(zhǎng)度L3，擺角ψ和行程速度變化系數(shù)K。由給定的行程速度變化系數(shù)K可以求出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的極位夾角θ。

如圖3所示，當(dāng)眼鏡夾片雨刮器刮雨搖桿的長(zhǎng)度L3=19.0mm，行程速度變化系數(shù)K=1.4，搖桿擺角ψ=60°時(shí)，按上述設(shè)計(jì)過程計(jì)算可得：極位夾角θ=30°，曲柄長(zhǎng)度L1=10mm，連桿長(zhǎng)度L2=15mm，機(jī)架長(zhǎng)度L4=23mm。經(jīng)驗(yàn)算，該四桿機(jī)構(gòu)滿足曲柄存在的桿長(zhǎng)條件，且最短桿為連架桿，屬于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，能滿足眼鏡夾片雨刮器的要求。

2.3 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

眼鏡夾片雨刮器的曲柄由減速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)作順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2所示，當(dāng)曲柄從B1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到B2時(shí)，搖桿從C1位置擺動(dòng)到C2位置，曲柄繼續(xù)從B2順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到B1時(shí)，搖桿從C2位置回到C1位置。

當(dāng)機(jī)構(gòu)處于如圖4所示位置時(shí)，∠BAD=80°，若曲柄AB的角速度為ω2為0.25rad/s，由上式可求得ω4=0.196 rad/s，即雨刮器的旋轉(zhuǎn)角速度為11.24°/s，滿足工作要求。

2.4 連桿機(jī)構(gòu)傳力性能分析

為保證機(jī)構(gòu)有較好的傳力性能，通常要求最小傳動(dòng)角γmin≥40°。由圖5所示的幾何關(guān)系可知：最小傳動(dòng)角為γ′和γ″中的較小者。根據(jù)圖5所示的幾何關(guān)系，用余玄定理即可求得γ′和γ″的余弦函數(shù)值，利用反余弦函數(shù)即可求得γ′和γ″的角度值。

已知設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)各桿尺寸為a=10 mm，b=15 mm，c=19 mm，d=23 mm；采用上述方法求得γmin=42.98°>40°，說明該機(jī)構(gòu)傳力性能較好，運(yùn)轉(zhuǎn)輕便，傳動(dòng)效率較高。

2.5 連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)

眼鏡夾片雨刮器采用直流永磁減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出軸通過聯(lián)軸器與四連桿機(jī)構(gòu)的曲柄軸相連。眼鏡夾片雨刮器的驅(qū)動(dòng)部件要求輕便小巧，盡可能減輕對(duì)鼻梁的壓力，且減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速要在運(yùn)行的范圍之內(nèi)。經(jīng)分析與制作檢驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)選擇了GA12-N20微型減速電機(jī)，為減速電機(jī)供電的電池選用小巧輕便的CR1220紐扣電池。GA12-N20微型減速電機(jī)的額定電壓為3V-6V，空載轉(zhuǎn)速為15r/min，額定負(fù)載轉(zhuǎn)速為10r/min，減速比為500：1。

2.6 支撐與固定

眼鏡夾片雨刮器的固定架如圖1所示。支撐物為眼鏡夾片，夾片中有彈簧，可以使夾片開閉方便，并可靠固定在眼鏡框上。減速電動(dòng)機(jī)使用電機(jī)固定架固定在眼鏡夾片手按開合處的左側(cè)，其長(zhǎng)度和體積不會(huì)影響到人的視野。同時(shí)為CR1220紐扣電池配置電池座，以將其固定于電機(jī)固定架下方，方便接線的同時(shí)也進(jìn)一步增加其的防雨性能。

3 結(jié)束語

眼鏡夾片雨刮器可以為近視患者雨天出行提供一個(gè)相對(duì)清楚的視線，減少因雨點(diǎn)覆蓋近視鏡片而導(dǎo)致的事故發(fā)生。本文根據(jù)眼鏡夾片雨刮器工作所要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軌跡，在對(duì)比三種基本類型的平面四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為眼鏡夾片雨刮器的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，按照給定的行程速度變化系數(shù)等條件設(shè)計(jì)確定了其各桿的尺寸。通過對(duì)眼鏡夾片雨刮器的運(yùn)動(dòng)分析和傳力性能分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

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[責(zé)任編輯：侯天宇]