汽車CAD-CAE論文

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1、汽車CAD/CAE ——基于CATIA的專用車副發(fā)動機(jī)傳動總成的設(shè)計 摘 要：以專用汽車副發(fā)動機(jī)的傳動總成的設(shè)計方案為研究對象，將CATUA平臺引入零部件的設(shè)計和建模領(lǐng)域，建立了傳動總成個部分的三維參數(shù)化設(shè)計。通過從內(nèi)到外的三維設(shè)計理念，對發(fā)動機(jī)的傳動總成進(jìn)行裝配，完成了諸如電磁離合器、連接軸、軸承、飛輪端的建模設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了傳動總成的三維模型化。 關(guān)鍵詞：CATIA；專用車副發(fā)動機(jī)傳動總成；可視化設(shè)計；參數(shù)化模型 Design of secondary engine transmission assembly in special purpose vehicle based on

2、CATIA Abstract: Based on the design proposals of secondary engine transmission assembly in special purpose vehicle,the CATIA platform was introduced into the design and modeling domain of parts, and establishment of 3D parametric models for each part in the assembly was realized .According to the

3、in-out view and panoramic perspective,a series of design processes were accomplished, such as establishment models for Band Clutch、connection axle, bearing, and 3D model design of transmission assembly was realized. Key words: CATIA; secondary engine transmission assembly in special purpose vehicle

4、; visual design;parametric model 引言 洗掃車是專用汽車公司研制開發(fā)的集掃路車和高壓清洗車功能于一體的高效環(huán)衛(wèi)車。具有路面清掃、路面清洗、路緣和路緣石立面刷洗、后噴霧等多種功能。特別適用于城市廣場、道路路面和路緣的高清潔度保潔作業(yè)，也適用于城市廣場、道路路面和路緣的清掃、清洗等普通保潔作業(yè)。在很大程度上覆蓋了掃路車與高壓清洗車，并且在許多條件下可完全取代掃路車和高壓清洗車。如圖1所示： 圖1 洗掃車 從專用汽車的結(jié)構(gòu)上看，副發(fā)動機(jī)主要為實(shí)現(xiàn)其特有功能提供動力，而傳動總成則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)動力的傳輸和終端。因此，在專用車的前期設(shè)計中，該轉(zhuǎn)動總成的車技是十分重要

5、扥環(huán)節(jié)之一，設(shè)計方案的優(yōu)劣以及其可行性都將直接影響專用汽車特殊功用的實(shí)現(xiàn)。隨著工程技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，傳動的二維設(shè)計方案適應(yīng)不了現(xiàn)代汽車設(shè)計中工作任務(wù)重、設(shè)計周期短和質(zhì)量要求高的特點(diǎn)。采用CATIA的三維實(shí)際放大來優(yōu)化設(shè)計過程，不僅可提高工程設(shè)計的效率和水平，更可以最大限度地節(jié)約人力物力，縮短周期。 1 研究的背景及意義 近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展以及我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，我國專用車市場也得到迅速發(fā)展呈現(xiàn)出繁榮的景象，對滿足國內(nèi)各種需求和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。諸如公路運(yùn)輸工程、建設(shè)油田、礦山電力、電信郵政、醫(yī)療環(huán)衛(wèi)、農(nóng)業(yè)水利、航空食品、公安消防司法

6、以及國防建設(shè)等各行各業(yè)都需要適合。本行業(yè)特點(diǎn)滿足本行業(yè)特殊功能需要的專用汽車，如醫(yī)療救護(hù)專用車包括救護(hù)車、醫(yī)療急救車、采血車防疫車、計劃生育車、血漿運(yùn)輸車和化驗(yàn)車等皆為了滿足醫(yī)療行業(yè)各種特殊功能需要. 尤其是在進(jìn)入21世紀(jì)，我國專營汽車企業(yè)引進(jìn)消化吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)和自主創(chuàng)新的能力都得到了快速提升，縮短了與世界水平的差距，同時，更加重視市場調(diào)研，合作開發(fā)出了市場繼續(xù)和性能更加先進(jìn)的產(chǎn)品。 隨著運(yùn)輸車輛的箱式化、重型化、專用化方向發(fā)展，專用汽車的技術(shù)含量不斷提高，實(shí)現(xiàn)了大噸位，節(jié)能以及輕量化。隨著鋁合金、不銹鋼材料罐體，機(jī)電氣液微電子一體技術(shù)，GPS等的應(yīng)用，專用汽車的水平與發(fā)達(dá)國家的差距進(jìn)

7、一步縮短。普通廂式車、罐式車、半掛列車、自卸車逐漸成為公路貨運(yùn)量和貨物周轉(zhuǎn)量的主力軍，加速了運(yùn)輸作業(yè)的機(jī)械化。此外，工藝、裝備發(fā)展速度加快，水下等離子切割機(jī)、整車噴砂噴丸機(jī)、涂裝線等先進(jìn)工藝大量引進(jìn)。近年來隨著勞動力成本的增加以及對垃圾清掃速度的要求，垃圾清掃車增長迅速。 洗掃專用車零部件的設(shè)計愈加重要，本文中講述的專用汽車副發(fā)動機(jī)總成是將付發(fā)動機(jī)的動力傳遞給風(fēng)機(jī)和油泵，同時依靠電磁離合器來實(shí)現(xiàn)動力的平穩(wěn)結(jié)合和中斷。 2 CATIA軟件的簡單介紹 CATIA是Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的縮寫。是世界上的一種主流

8、的CAD/CAE/CAM一體化軟件。Dassault Aviation在70年代成為了其第一個用戶，CATIA也應(yīng)運(yùn)而生。從1982年到1988年，CATIA相繼發(fā)布1版本、2版本、3版本，并于1993年發(fā)布了功能強(qiáng)大的4版本，現(xiàn)在的CATIA軟件分為V4版本和V5版本兩個系列。V4版本應(yīng)用于UNIX平臺，V5版本應(yīng)用于UNIX和Windows兩種平臺。V5版本的開發(fā)始于1994年。為了使軟件能夠易學(xué)易用，Dassault System于94年開始重新開發(fā)全新的CATIA V5版本,新的V5版本界面更加友好，功能也日趨強(qiáng)大，并且開創(chuàng)CAD/CAE/CAM軟件的一種全新風(fēng)格。 CATIA是法國

9、Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，居世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子、電器、消費(fèi)品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計與制造領(lǐng)域，其特有的DMU電子樣機(jī)模塊功能及混合建模技術(shù)更是推動者企業(yè)競爭力和生產(chǎn)力的提高。 CATIA提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要。包括：大型的波音747飛機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)到化妝品的包裝盒，幾乎涵蓋了所有的制造業(yè)產(chǎn)品。在世界上有超過13，000的用戶選擇了CATIA。CATIA源于航空航天業(yè)，但其強(qiáng)大的功能已得到各行業(yè)的認(rèn)可，在歐洲汽車業(yè)，已成為事

10、實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。CATIA的著名用戶包括波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳等一大批知名企業(yè)。其用戶群體在世界制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。波音飛機(jī)公司使用CATIA完成了整個波音777的電子裝配，創(chuàng)造了業(yè)界的一個奇跡，從而也確立了CATIA在CAD/CAE/CAM行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位。 圖2 滾動軸承結(jié)構(gòu)圖 3 零部件的建模 該傳動總成主要由電磁離合器、連接軸、雙聯(lián)皮帶輪、深溝球軸承、飛輪端蓋、螺栓構(gòu)成，但在此主要介紹軸承、連接軸以及雙聯(lián)皮帶輪的建模方法。 3.1 軸承的設(shè)計及建模 在所研究的傳動總成當(dāng)中采用的為滾動軸承，其具有所受摩擦阻力小、機(jī)械效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和運(yùn)動穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。滾動軸承

11、由4個部分組成：① 內(nèi)圈：套在軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動。② 外圈：裝在機(jī)座孔中，一般不固定不動或偶爾少許轉(zhuǎn)動。③ 滾動體：裝在內(nèi)、外圈的滾道中，滾動體可做成球或滾子狀。④ 保持架：用以均勻隔開滾動體，故又稱隔離圈。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示： 3.1.1 外圈和內(nèi)圈的實(shí)體建模 首先，單擊草圖，在ZX平面繪制零部件的截面圖，得到草圖1，后單擊旋轉(zhuǎn)體，以草圖1為旋轉(zhuǎn)截面圖形，以X軸為旋轉(zhuǎn)線，即可得到外圈和內(nèi)圈的模型圖，再對內(nèi)外圈的邊線倒圓角，點(diǎn)擊，并輸入圓角半徑1mm，可得到實(shí)體，即圖3所示。 圖3 軸承的內(nèi)圈和外圈 圖4 圓形陣列特征（滾球） 3.1

12、.2創(chuàng)建滾球 進(jìn)入“Mechanical Design（機(jī)械設(shè)計）”下的“線框和曲面設(shè)計”的工作界面，點(diǎn)擊創(chuàng)建球面，會彈出“球面曲面定義”的對話框，輸入球心的坐標(biāo)和半徑后，轉(zhuǎn)入零件設(shè)計的工作截面后，封閉曲面，即可得到一個封閉的曲面特征。利用圓形陣列，輸入實(shí)例和角度間距（分別為8和45deg），參考元素為X軸，可得到圓形陣列特征，即為滾求，如圖4所示： 3.1.3 創(chuàng)建保持架 單擊后，進(jìn)入草圖截面，繪制圓環(huán)（草圖2）后進(jìn)行“凸臺”拉伸后得到凸臺1，進(jìn)入草圖截面繪制半圓后旋轉(zhuǎn)180deg，之后再進(jìn)入草圖截面做較小的半圓后，選擇，可得到半球形的空殼。同樣的方法，單擊圓形陣列，輸入實(shí)

13、例和角度間距（分別為8和45deg），參考元素為X軸。此時需要插入新的幾何體，在草圖中繪制與草圖2相同的圓環(huán)后拉伸，通過布爾操作中的求相交的部分即可得到保持架的模型，如圖5所示： 圖5 保持件建模的思維過程 3.1.4創(chuàng)建軸承裝配體 CATIA裝配設(shè)計可以使設(shè)計師建立并管理基于3D零件機(jī)械裝配件。裝配件可以由多個主動或被動模型中的零件組成。零件間的接觸自動地對連接進(jìn)行定義，方便了CATIA運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行早期分析?；谙惹岸x零件的輔助零件定義和依據(jù)其之間接觸進(jìn)行自動放置，可加快裝配件的設(shè)計進(jìn)度，后續(xù)應(yīng)用可利用此模型進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計、分析、制造等。

14、 進(jìn)入裝配界面，選擇“開始”—““Mechanical Design（機(jī)械設(shè)計）”—“Assembly Design(裝配)”命令，進(jìn)入裝配的工作界面。添加外圈零件。單擊模型樹中的“Product 1”節(jié)點(diǎn)，然后是“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工具”工具欄中的“現(xiàn)有部件”按鈕，彈出“文件選擇”對話框，選擇之前完成的軸承外圈的零件，同樣的放法單擊后選擇軸承內(nèi)圈，繪圖區(qū)出現(xiàn)兩個共存的零件。但由于在實(shí)體建模是，內(nèi)圈和外圈的草繪位置是一致的，因此裝配后的兩個零件之間的位置符合裝配關(guān)系，但還是添加了同軸的約束。 添加軸承滾球，單擊模型樹中“產(chǎn)品1”節(jié)點(diǎn)，然后是“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工具”工具欄中的“現(xiàn)有部件”按鈕，彈出“文件選擇”

15、對話框，選擇軸承滾球零件，之后添加保持架，單擊模型樹中“產(chǎn)品1”節(jié)點(diǎn)，然后是“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工具”工具欄中的“現(xiàn)有部件”按鈕，彈出“文件選擇”對話框，選擇保持架零件。創(chuàng)建對稱特征，單擊對稱按鈕，彈出“裝配對稱向?qū)А睂υ捒?。系統(tǒng)彈出第一個提示：選擇對稱平面，在繪圖區(qū)或模型樹中單擊YZ平面，即選擇YZ平面為對稱平面。之后，“裝配對稱向?qū)А睂υ捒蝻@示第二個提示：選擇要變換的產(chǎn)品，在繪圖區(qū)或模型樹中選擇保持架即可。即得到了軸承的模型結(jié)構(gòu)，其詳細(xì)過程如圖6所示： 圖6 軸承的裝配過程 3.2連接軸的建模過程 圖7連接軸的建模 連接軸的建模較為簡單，在進(jìn)入界面后繪制截面輪廓后一圈，得到最

16、初的軸，之后再進(jìn)行挖洞和倒角，以及得到鍵槽，基本連接軸的末端已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。之后，單擊做孔，彈出對話框后輸入孔徑和孔深，以及通過草圖繪制來確定孔心的位置。單擊圓形陣列，輸入實(shí)例和角度間距（分別為8和45deg），參考元素為X軸。即可得到連接軸的模型。如圖7所示： 圖8雙聯(lián)皮帶輪的建模 3.3雙聯(lián)皮帶輪的建模 皮帶輪的建模沒有什么特別難的地方，需要注意的就是，外圈帶槽是通過畫三角形狀的刀沿著螺旋線切割出來的。 4 傳動總成的裝配 4.1 CATIA中裝配截面的介紹 一個產(chǎn)品通常是由多個零件組成的，簡單的產(chǎn)品是由多個零件組成的單一裝配件，復(fù)雜的產(chǎn)品一般

17、是由多次裝配形成的，其中的每一次裝配又是由多個零件構(gòu)成的。裝配設(shè)計模塊的主要作用就是將零件通過約束條件組合，形成完整的產(chǎn)品，并且可以對此產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)注等操作，裝配的重點(diǎn)在于如何適當(dāng)?shù)乩眉s束。 設(shè)計者要建立良好的自由度概念，才能正確地裝配產(chǎn)品，并進(jìn)一步在DMU模塊進(jìn)行樣機(jī)分析。裝配的基本過程如下：①新建或打開一個裝配②進(jìn)入裝配設(shè)計模塊③增加、刪除、替換部件④對各個元件施加固定約束，建立元件之間的約束關(guān)系。⑤使用“Compass”指南針移動已加上了約束的元件，檢查元件是否會根據(jù)加上的約束作出預(yù)計的反應(yīng)，檢查元件間可能存在的碰撞。⑥顯示材料清單BOM，設(shè)置與裝配結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息。⑦生成工程圖。 4

18、.2傳動總成的裝配 進(jìn)入裝配界面，選擇“開始”—““Mechanical Design（機(jī)械設(shè)計）”—“Assembly Design(裝配)”命令，進(jìn)入裝配的工作界面。添加外圈零件。單擊模型樹中的“Product 1”節(jié)點(diǎn)，然后是“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工具”工具欄中的“現(xiàn)有部件”按鈕，彈出“文件選擇”對話框，選擇之前完成的軸承的裝配件。同樣的放法單擊后選擇連接軸、雙聯(lián)皮帶輪、連接盤、連接軸平鍵、連接軸軸端端蓋等。 圖9 傳動總成的裝配過程 連接軸與軸承以及連接盤，軸承端蓋間均有同軸的約束，在連接盤與軸承之間，軸承與軸頸之間，連接軸端蓋與連接

19、軸軸端之間均為面接觸的約束。在裝配位置基本設(shè)置完成后，點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)樹中的零件并點(diǎn)擊右鍵，選擇屬性，進(jìn)入界面后更改零件的顏色，以便零件的認(rèn)知。最后，設(shè)置雙聯(lián)皮帶輪的透明度，可以看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，詳細(xì)的過程，如圖9所示。 5 結(jié)論 在之后的DMU的仿真中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題：①雙聯(lián)皮帶輪上的皮帶會和連接盤上的螺栓頭發(fā)生干涉②連接盤的厚度不足，不能承受足夠的轉(zhuǎn)矩。這些需要在以后的優(yōu)化設(shè)計中改進(jìn)。 參考文獻(xiàn) [1] 曹巖.CATIA V5 R12產(chǎn)品設(shè)計實(shí)例精解[C].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005. [2]魯軍尚，張安鵬，王書滿，等.無師自通CATIA V5之裝配設(shè)計與實(shí)時渲染[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2007. [3]張宏兵. CATIA V5 R18零件設(shè)計實(shí)例教程[C].北京：清華大學(xué)出版社，2009. [4]謝龍漢.CATIA建模教程[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化.2009.12:13-14.