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1、汽車CAD/CAE ——基于CATIA的專用車副發(fā)動機傳動總成的設計 摘 要：以專用汽車副發(fā)動機的傳動總成的設計方案為研究對象，將CATUA平臺引入零部件的設計和建模領域，建立了傳動總成個部分的三維參數(shù)化設計。通過從內(nèi)到外的三維設計理念，對發(fā)動機的傳動總成進行裝配，完成了諸如電磁離合器、連接軸、軸承、飛輪端的建模設計，實現(xiàn)了傳動總成的三維模型化。 關鍵詞：CATIA；專用車副發(fā)動機傳動總成；可視化設計；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 從專用汽車的結構上看，副發(fā)動機主要為實現(xiàn)其特有功能提供動力，而傳動總成則負責實現(xiàn)動力的傳輸和終端。因此，在專用車的前期設計中，該轉動總成的車技是十分重要

5、扥環(huán)節(jié)之一，設計方案的優(yōu)劣以及其可行性都將直接影響專用汽車特殊功用的實現(xiàn)。隨著工程技術的進步和發(fā)展，傳動的二維設計方案適應不了現(xiàn)代汽車設計中工作任務重、設計周期短和質(zhì)量要求高的特點。采用CATIA的三維實際放大來優(yōu)化設計過程，不僅可提高工程設計的效率和水平，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)濟的快速發(fā)展、基礎設施建設的迅猛發(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)各種需求和促進國民經(jīng)濟的發(fā)展作出了重要的貢獻。諸如公路運輸工程、建設油田、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、以及國防建設等各行各業(yè)都需要適合。本行業(yè)特點滿足本行業(yè)特殊功能需要的專用汽車，如醫(yī)療救護專用車包括救護車、醫(yī)療急救車、采血車防疫車、計劃生育車、血漿運輸車和化驗車等皆為了滿足醫(yī)療行業(yè)各種特殊功能需要. 尤其是在進入21世紀，我國專營汽車企業(yè)引進消化吸收國內(nèi)外先進技術和自主創(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)和性能更加先進的產(chǎn)品。 隨著運輸車輛的箱式化、重型化、專用化方向發(fā)展，專用汽車的技術含量不斷提高，實現(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，機電氣液微電子一體技術，GPS等的應用，專用汽車的水平與發(fā)達國家的差距進

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量和貨物周轉量的主力軍，加速了運輸作業(yè)的機械化。此外，工藝、裝備發(fā)展速度加快，水下等離子切割機、整車噴砂噴丸機、涂裝線等先進工藝大量引進。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計愈加重要，本文中講述的專用汽車副發(fā)動機總成是將付發(fā)動機的動力傳遞給風機和油泵，同時依靠電磁離合器來實現(xiàn)動力的平穩(wěn)結合和中斷。 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也應運而生。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版本應用于UNIX平臺，V5版本應用于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，功能也日趨強大，并且開創(chuàng)CAD/CAE/CAM軟件的一種全新風格。 CATIA是法國

9、Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，居世界CAD/CAE/CAM領域的領導地位，廣泛應用于航天航空、汽車制造、造船、機械制造、電子、電器、消費品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設計與制造領域，其特有的DMU電子樣機模塊功能及混合建模技術更是推動者企業(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)領域的大、中、小型企業(yè)需要。包括：大型的波音747飛機、火箭發(fā)動機到化妝品的包裝盒，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)，但其強大的功能已得到各行業(yè)的認可，在歐洲汽車業(yè)，已成為事

10、實上的標準。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)的領先地位。 圖2 滾動軸承結構圖 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 軸承的設計及建模 在所研究的傳動總成當中采用的為滾動軸承，其具有所受摩擦阻力小、機械效率高、結構緊湊和運動穩(wěn)定性好等優(yōu)點。滾動軸承

11、由4個部分組成：① 內(nèi)圈：套在軸上，隨軸一起轉動。② 外圈：裝在機座孔中，一般不固定不動或偶爾少許轉動。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。其具體結構如圖2所示： 3.1.1 外圈和內(nèi)圈的實體建模 首先，單擊草圖，在ZX平面繪制零部件的截面圖，得到草圖1，后單擊旋轉體，以草圖1為旋轉截面圖形，以X軸為旋轉線，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，點擊，并輸入圓角半徑1mm，可得到實體，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 進入“Mechanical Design（機械設計）”下的“線框和曲面設計”的工作界面，點擊創(chuàng)建球面，會彈出“球面曲面定義”的對話框，輸入球心的坐標和半徑后，轉入零件設計的工作截面后，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，進入草圖截面，繪制圓環(huán)（草圖2）后進行“凸臺”拉伸后得到凸臺1，進入草圖截面繪制半圓后旋轉180deg，之后再進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

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裝配設計可以使設計師建立并管理基于3D零件機械裝配件。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行定義，方便了CATIA運動機構產(chǎn)品進行早期分析?；谙惹岸x零件的輔助零件定義和依據(jù)其之間接觸進行自動放置，可加快裝配件的設計進度，后續(xù)應用可利用此模型進行進一步的設計、分析、制造等。

14、 進入裝配界面，選擇“開始”—““Mechanical Design（機械設計）”—“Assembly Design(裝配)”命令，進入裝配的工作界面。添加外圈零件。單擊模型樹中的“Product 1”節(jié)點，然后是“產(chǎn)品結構工具”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，然后是“產(chǎn)品結構工具”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，然后是“產(chǎn)品結構工具”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構，其詳細過程如圖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，在進入界面后繪制截面輪廓后一圈，得到最

16、初的軸，之后再進行挖洞和倒角，以及得到鍵槽，基本連接軸的末端已經(jīng)實現(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成的。裝配設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)品進行標注等操作，裝配的重點在于如何適當?shù)乩眉s束。 設計者要建立良好的自由度概念，才能正確地裝配產(chǎn)品，并進一步在DMU模塊進行樣機分析。裝配的基本過程如下：①新建或打開一個裝配②進入裝配設計模塊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)加上的約束作出預計的反應，檢查元件間可能存在的碰撞。⑥顯示材料清單BOM，設置與裝配結構相關的信息。⑦生成工程圖。 4

18、.2傳動總成的裝配 進入裝配界面，選擇“開始”—““Mechanical Design（機械設計）”—“Assembly Design(裝配)”命令，進入裝配的工作界面。添加外圈零件。單擊模型樹中的“Product 1”節(jié)點，然后是“產(chǎn)品結構工具”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。在裝配位置基本設置完成后，點擊結構樹中的零件并點擊右鍵，選擇屬性，進入界面后更改零件的顏色，以便零件的認知。最后，設置雙聯(lián)皮帶輪的透明度，可以看到內(nèi)部結構，詳細的過程，如圖9所示。 5 結論 在之后的DMU的仿真中，發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題：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，不能承受足夠的轉矩。這些需要在以后的優(yōu)化設計中改進。 參考文獻 [1] 曹巖.CATIA V5 R12產(chǎn)品設計實例精解[C].北京：機械工業(yè)出版社，2005. [2]魯軍尚，張安鵬，王書滿，等.無師自通CATIA V5之裝配設計與實時渲染[M].北京：航空航天大學出版社，2007. [3]張宏兵. CATIA V5 R18零件設計實例教程[C].北京：清華大學出版社，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.