AutoCAD中的“放樣”在汽車轉(zhuǎn)向搖臂零件設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

馮寶全

（沈陽(yáng)汽車工業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

汽車教育

AutoCAD中的“放樣”在汽車轉(zhuǎn)向搖臂零件設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

馮寶全

（沈陽(yáng)汽車工業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

運(yùn)用AutoCAD軟件對(duì)汽車轉(zhuǎn)向搖臂進(jìn)行三維模型創(chuàng)建、質(zhì)量特性分析設(shè)計(jì)。介紹了AutoCAD放樣建模的原理、方式；汽車轉(zhuǎn)向搖臂的功用、結(jié)構(gòu)及對(duì)其進(jìn)行放樣建模的方法與步驟；放樣建模要注意的問(wèn)題。表明了利用已有的二維圖形信息來(lái)輔助創(chuàng)建三維模型可提高三維建模效率。

AutoCAD；放樣；汽車轉(zhuǎn)向搖臂；建模

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-243-04

引言

AutoCAD是早已應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域的微機(jī)平臺(tái)繪圖軟件系統(tǒng)，其實(shí)體建模技術(shù)的顯示零部件形狀、檢查裝配干涉、進(jìn)行物體的特性計(jì)算等對(duì)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，以及工作效率作用顯著。AutoCAD從1994年的AutoCAD R13版中正式內(nèi)嵌入ACIS三維造型，隨后其功能不斷增強(qiáng)，2007版增加了“放樣”建模，可用于構(gòu)建較復(fù)雜機(jī)械零件形體[1]。一些屬于“機(jī)械”范疇的汽車零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文通過(guò)汽車轉(zhuǎn)向搖臂設(shè)計(jì)中建模實(shí)例，探討AutoCAD “放樣”功能在其中的運(yùn)用。

1、AutoCAD放樣建模釋義

在《中國(guó)百科大辭典》中，指放樣是建筑施工過(guò)程中，按實(shí)際尺寸或按比例將部件或構(gòu)件放成大樣，確定出正確的輪廓或位置，以便于施工[2]。在《中國(guó)土木建筑百科辭典》中，指放樣是根據(jù)施工圖的圖形和標(biāo)志尺寸，按1∶1的比例在放樣平臺(tái)上或操作臺(tái)上放實(shí)樣的工序[3]。在《機(jī)械加工工藝辭典》中，指放樣是根據(jù)構(gòu)件圖樣，用1:1的比例在放樣臺(tái)上畫出其所需圖形的過(guò)程[4]。其實(shí)，放樣概念來(lái)自于古希臘造船，造船時(shí)，先造支撐框架，再在框架上造外殼，使得船身橫截面逐層變化，往框架上安裝外殼叫做放樣。這一概念被當(dāng)今3D設(shè)計(jì)軟件引用為“放樣建?！薄?AutoCAD放樣是通過(guò)對(duì)包含兩條或兩條以上橫截面曲線的一組曲線來(lái)創(chuàng)建三維實(shí)體或曲面，即在橫截面之間的空間內(nèi)繪制實(shí)體或曲面[5]。使用放樣命令時(shí)，至少必須指定兩個(gè)橫截面。橫截面定義了結(jié)果實(shí)體或曲面的輪廓（形狀）。橫截面可以是開放的（如圓?。部梢允情]合的（如圓）。如果對(duì)一組閉合的橫截面曲線進(jìn)行放樣，則生成實(shí)體。如果對(duì)一組開放的橫截面曲線進(jìn)行放樣，則生成曲面。注意：放樣時(shí)使用的曲線必須全部開放或全部閉合，不能使用既包含開放曲線又包含閉合曲線的選擇集[5]。

圖1 使用“放樣”的“路徑”創(chuàng)建實(shí)體

圖2 使用“放樣”的“導(dǎo)向”創(chuàng)建實(shí)體

AutoCAD放樣的方式有三種：其一是“僅橫截面”，用于只使用截面進(jìn)行放樣。可以用作橫截面的對(duì)象：直線、圓及圓弧、橢圓及橢圓弧、二維多段線、二維樣條曲線、平面、三維面、面域、二維實(shí)體等。其二是“路徑”，可以創(chuàng)建單一路徑曲線以定義實(shí)體（或曲面）的形狀，如圖1所示。路徑曲線必須與所有放樣橫截面相交，且橫截面不能與路徑共面。可以用作放樣路徑的對(duì)象：直線、圓及圓弧、橢圓及橢圓弧、二維多段線、三維多段線、螺旋線等。其三是“導(dǎo)向”，可以創(chuàng)建多條曲線以定義實(shí)體或曲面的輪廓，指定控制放樣實(shí)體或曲面形狀的導(dǎo)向曲線。使用導(dǎo)向曲線可用來(lái)控制點(diǎn)如何匹配相應(yīng)的橫截面以防止出現(xiàn)實(shí)體或曲面中的皺褶，如圖2所示。每條導(dǎo)向曲線必須滿足以下條件才能正常工作：1)與每個(gè)橫截面相交。2)始于第一個(gè)橫截面。3)止于最后一個(gè)橫截面?？梢詾榉艠忧婊?qū)嶓w選擇任意數(shù)量的導(dǎo)向曲線?？梢杂米鲗?dǎo)向的對(duì)象：直線、圓及圓弧、橢圓及橢圓弧、二維多段線、三維多段線、二維樣條曲線、三維樣條曲線等[6]。

2、汽車轉(zhuǎn)向搖臂的功用及結(jié)構(gòu)

汽車轉(zhuǎn)向搖臂是控制汽車前輪轉(zhuǎn)向的重要零件，其功用是把轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳給轉(zhuǎn)向縱拉桿和轉(zhuǎn)向橫拉桿，進(jìn)而推動(dòng)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，是保證安全的關(guān)鍵件。本例所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向搖臂材料為45鋼，由鍛造再加上多工序機(jī)械加工而成。它由大端頭部、小端頭部及桿部三部分構(gòu)成，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)視圖見圖3。

圖3 汽車轉(zhuǎn)向搖臂視圖

3、汽車轉(zhuǎn)向搖臂三維建模

3.1 轉(zhuǎn)向搖臂小端頭部建模方法與步驟

汽車轉(zhuǎn)向搖臂屬于叉架類零件，此轉(zhuǎn)向搖臂小端頭部小外徑為φ28 mm，內(nèi)有1：8錐度的通孔，大的一側(cè)尺寸為φ 17.8 mm，通孔用于安裝球頭銷與轉(zhuǎn)向縱拉桿連接。由于是靠小端頭部擺動(dòng)去帶動(dòng)轉(zhuǎn)向縱拉桿運(yùn)動(dòng)，故轉(zhuǎn)向搖臂小端頭部稱為工作部分。建模時(shí)，先調(diào)用在AutoCAD中已做好的二維圖形（圖3）—轉(zhuǎn)向搖臂視圖，刪除其他內(nèi)容，保留需要部分并調(diào)到三維建模工作空間,圖形見圖4（a），定義成面域，最后再利用建?！靶D(zhuǎn)”命令將二維對(duì)象旋轉(zhuǎn)成三維實(shí)體，見圖4（b）。

圖4 轉(zhuǎn)向搖臂小端頭部建模

3.2 轉(zhuǎn)向搖臂大端頭部建模方法與步驟

此轉(zhuǎn)向搖臂大端頭部小外徑為φ46 mm，內(nèi)有1∶16錐度的花鍵孔，花鍵孔在指定斷面處分度圓直徑為φ28.92 mm，整個(gè)轉(zhuǎn)向搖臂靠花鍵孔固定在轉(zhuǎn)向臂軸零件上，由于其僅是隨轉(zhuǎn)向臂軸做一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，故轉(zhuǎn)向搖臂大端頭部稱為固定部分。

（1）創(chuàng)建大端頭部外部形狀。采用與小端頭部建模相同的方法創(chuàng)建外部形狀，見圖5（a）。

（2）創(chuàng)建花鍵放樣截面圖形。在AutoCAD三維建模工作空間創(chuàng)建截面平面圖形時(shí)應(yīng)注意三方面：①因?yàn)橹豢梢栽赬Y平面上畫圖，故需要根據(jù)圖形所處空間平面位置調(diào)整用戶坐標(biāo)系，以便于圖形的繪制和截面位置的準(zhǔn)確；②創(chuàng)建的放樣平面圖形必須連續(xù)封閉，才能放樣成三維實(shí)體模型，否則將放樣成曲面模型；③尤其注意，不要把多線條圍成的平面圖形做面域，要把線條合并成多段線，否則將放樣成空心體。具體創(chuàng)建：調(diào)用二維圖形（圖3）—花鍵齒局部放大圖，補(bǔ)全花鍵齒并按比例縮回到A-A斷面處實(shí)際尺寸，調(diào)到三維建模工作空間，此轉(zhuǎn)向搖臂A-A斷面距花鍵孔左端尺寸為5mm、距右端尺寸為20mm，用“縮放”命令之“參照”方式按1：16錐度分別創(chuàng)建花鍵齒兩端面圖形，見圖5(b)。

（3）花鍵放樣建模。用loft 命令先依次選左右兩個(gè)截面圖形，輸入“路徑”放樣方式后，再選兩個(gè)截面間的軸心線，放樣生成三維實(shí)體模型，見圖5(c)。

（4）將圖5(a)三維實(shí)體模型與圖5(c)三維實(shí)體模型放置到一起，利用實(shí)體的布爾差集運(yùn)算完成轉(zhuǎn)向搖臂大端頭部建模，見圖5(d)。

圖5 轉(zhuǎn)向搖臂大端頭部建模

3.3 轉(zhuǎn)向搖臂桿部“放樣”建模方法與步驟

轉(zhuǎn)向搖臂桿部連接大、小端頭部，稱為連接部分。此轉(zhuǎn)向搖臂桿部各橫截面形狀均是橢圓，且離大、小端頭部不遠(yuǎn)處有兩處折彎，靠近大端頭部中心36mm處橫截面橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)40mm、短軸長(zhǎng)20mm，靠近小端頭部中心22mm處橫截面橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)25mm、短軸長(zhǎng)16mm，圖3中的兩個(gè)移出斷面圖表示的就是這兩個(gè)橢圓橫截面。桿部彎曲且截面形狀有大小變化，屬于較復(fù)雜的形體，在AutoCAD中使用一般的三維命令是不好創(chuàng)建其實(shí)體模型的。用loft命令對(duì)轉(zhuǎn)向搖臂桿部具體建模：

（1）創(chuàng)建轉(zhuǎn)向搖臂桿部放樣截面圖形。調(diào)用在AutoCAD中已做好的二維圖形（圖3）—轉(zhuǎn)向搖臂主、左視圖，調(diào)到三維建模工作空間，用三維旋轉(zhuǎn)命令將左視圖旋轉(zhuǎn)90°、兩個(gè)移出斷面圖旋轉(zhuǎn)90°，如圖6(a)所示，做輔助線段ab并沿坐標(biāo)軸方向左右平移復(fù)制兩條，平移距離為10mm，原因是大端頭部至36mm斷面處各截面橢圓短軸長(zhǎng)不變，均為20mm。利用“橢圓”命令通過(guò)a、b及左右兩輔助線的中點(diǎn)作出轉(zhuǎn)向搖臂桿部上方放樣截面圖形。按照同樣的方法，作出下方截面圖形。

（2）放樣導(dǎo)向曲線。本轉(zhuǎn)向搖臂桿部放樣采用四個(gè)截面如圖6(b)所示，把桿部分成中間、上、下三段進(jìn)行。主視圖桿部?jī)蓚?cè)的輪廓曲線作為中間段的放樣導(dǎo)向曲線，左視圖桿部?jī)蓚?cè)的輪廓曲線作為上、下兩段的放樣導(dǎo)向曲線，要注意導(dǎo)向曲線一定要位于各截面圖形邊界上，否則放樣是不能進(jìn)行的。

（3）轉(zhuǎn)向搖臂桿部放樣建模。1）用loft 命令先依次選中間兩個(gè)斷面截面圖形，輸入“導(dǎo)向”放樣方式后，再選兩側(cè)的輪廓曲線，放樣生成桿部中間段的三維實(shí)體模型；2）用loft 命令先依次選上方ab處、大的斷面處兩個(gè)截面圖形，輸入“導(dǎo)向”放樣方式后，再選ac、bd兩輪廓曲線，放樣生成桿部上段的三維實(shí)體模型；3）用loft 命令按照同樣的方法，放樣生成桿部下段的三維實(shí)體模型；三次放樣見圖7(a)。4）將三段三維實(shí)體模型放置到一起，利用實(shí)體的布爾并集運(yùn)算完成轉(zhuǎn)向搖臂桿部的放樣建模，見圖7(b)。

圖6 轉(zhuǎn)向搖臂桿部建模(一)

圖7 轉(zhuǎn)向搖臂桿部建模（二）

圖8 連接整合轉(zhuǎn)向搖臂并作質(zhì)量特性分析

4、連接整合轉(zhuǎn)向搖臂并作質(zhì)量特性分析

將前面所創(chuàng)建的小端頭部、大端頭部和桿部三維實(shí)體模型布爾并集成一個(gè)整體—轉(zhuǎn)向搖臂三維實(shí)體模型，見圖8(a)。對(duì)該轉(zhuǎn)向搖臂實(shí)體對(duì)象，可以通過(guò)菜單選擇“工具”—“查詢面域/質(zhì)量特性”（MASSPRON）命令，分析實(shí)體模型的體積、質(zhì)量（使用材料密度為1）、重心、慣性矩等質(zhì)量特性[7]。MASSPRON命令對(duì)轉(zhuǎn)向搖臂三維實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算后，在文本窗口中顯示所計(jì)算出的質(zhì)量特性，見圖8(b)。

5、結(jié)語(yǔ)

三維建模是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中不可缺少的，原因是不僅需要直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)效果，還需要分析產(chǎn)品的特性。汽車零件形狀各異且有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，汽車產(chǎn)品開發(fā)中變截面三維零部件設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。汽車研發(fā)人員中掌握AutoCAD軟件的非常多，后增加的放樣功能，改變了以往難以或無(wú)法創(chuàng)建變截面彎曲三維對(duì)象的狀況。本汽車轉(zhuǎn)向搖臂帶有在空間彎曲且橢圓形截面大小不斷發(fā)生變化的部分，對(duì)整體“兩部分”、“六截面”、“四次”使用了“放樣”功能，建模進(jìn)而對(duì)其質(zhì)量特性分析，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，是一典型案例。

[1] 郭平.AutoCAD中的“放樣”在叉架類零件三維造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2011(7):186-188．

[2] 中國(guó)百科大辭典編委會(huì)編;袁世全,馮濤 主編.中國(guó)百科大辭典.北京:華廈出版社.1990.第1189頁(yè).

[3] 陳雨波,朱伯龍主編.中國(guó)土木建筑百科辭典·建筑結(jié)構(gòu).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1999.第80頁(yè).

[4] 丁年雄 主編.機(jī)械加工工藝辭典.北京:學(xué)苑出版社.1990.第632 頁(yè).

[5] 余桂英,郭紀(jì)林主編．AutoCAD2008基礎(chǔ)教程［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社,2008:360-362.

[6] 曾剛編著.AutoCAD2009典型案例設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社.2009.105-106.

[7] 姜岳鍵．AutoCAD中應(yīng)用“放樣”建立連桿三維模型的方法［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用,2010(2):110-111．

The Application of “Lofting” by Way of Auto CAD in the Design of Automotive Steering Arm Component

Feng Baoquan
( Shenyang Institute of Automobile Industry, Liaoning Shenyang 110015 )

The author uses the software AutoCAD to conduct three-dimensional model creation and quality characteristic analysis and design on automotive steering arm. The paper introduces the principle and pattern of AutoCAD loft-modeling, the function and structure of automotive steering arm, the way and procedure of conducting loft-modeling as well as the problems of loft-modeling that should be paid attention to. This shows that making use of the existing two-dimensional graphic data to assist to create three-dimensional model can improve the efficiency of three-dimensional modeling.

AutoCAD; lofting; automotive steering arm; modeling

U462.1

A

1671-7988(2016)07-243-04

馮寶全，漢族，高級(jí)講師，就職于沈陽(yáng)汽車工業(yè)學(xué)院。主要從事教學(xué)與設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.078