冯宝全

（沈阳汽车工业学院，辽宁 沈阳 110015）

汽车教育

AutoCAD中的“放样”在汽车转向摇臂零件设计中的运用

冯宝全

（沈阳汽车工业学院，辽宁 沈阳 110015）

运用AutoCAD软件对汽车转向摇臂进行三维模型创建、质量特性分析设计。介绍了AutoCAD放样建模的原理、方式；汽车转向摇臂的功用、结构及对其进行放样建模的方法与步骤；放样建模要注意的问题。表明了利用已有的二维图形信息来辅助创建三维模型可提高三维建模效率。

AutoCAD；放样；汽车转向摇臂；建模

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

引言

AutoCAD是早已应用于机械领域的微机平台绘图软件系统，其实体建模技术的显示零部件形状、检查装配干涉、进行物体的特性计算等对缩短产品设计周期，提高设计质量，以及工作效率作用显著。AutoCAD从1994年的AutoCAD R13版中正式内嵌入ACIS三维造型，随后其功能不断增强，2007版增加了“放样”建模，可用于构建较复杂机械零件形体[1]。一些属于“机械”范畴的汽车零部件结构复杂，本文通过汽车转向摇臂设计中建模实例，探讨AutoCAD “放样”功能在其中的运用。

1、AutoCAD放样建模释义

在《中国百科大辞典》中，指放样是建筑施工过程中，按实际尺寸或按比例将部件或构件放成大样，确定出正确的轮廓或位置，以便于施工[2]。在《中国土木建筑百科辞典》中，指放样是根据施工图的图形和标志尺寸，按1∶1的比例在放样平台上或操作台上放实样的工序[3]。在《机械加工工艺辞典》中，指放样是根据构件图样，用1:1的比例在放样台上画出其所需图形的过程[4]。其实，放样概念来自于古希腊造船，造船时，先造支撑框架，再在框架上造外壳，使得船身横截面逐层变化，往框架上安装外壳叫做放样。这一概念被当今3D设计软件引用为“放样建模”。 AutoCAD放样是通过对包含两条或两条以上横截面曲线的一组曲线来创建三维实体或曲面，即在横截面之间的空间内绘制实体或曲面[5]。使用放样命令时，至少必须指定两个横截面。横截面定义了结果实体或曲面的轮廓（形状）。横截面可以是开放的（如圆弧），也可以是闭合的（如圆）。如果对一组闭合的横截面曲线进行放样，则生成实体。如果对一组开放的横截面曲线进行放样，则生成曲面。注意：放样时使用的曲线必须全部开放或全部闭合，不能使用既包含开放曲线又包含闭合曲线的选择集[5]。

图1 使用“放样”的“路径”创建实体

图2 使用“放样”的“导向”创建实体

AutoCAD放样的方式有三种：其一是“仅横截面”，用于只使用截面进行放样。可以用作横截面的对象：直线、圆及圆弧、椭圆及椭圆弧、二维多段线、二维样条曲线、平面、三维面、面域、二维实体等。其二是“路径”，可以创建单一路径曲线以定义实体（或曲面）的形状，如图1所示。路径曲线必须与所有放样横截面相交，且横截面不能与路径共面。可以用作放样路径的对象：直线、圆及圆弧、椭圆及椭圆弧、二维多段线、三维多段线、螺旋线等。其三是“导向”，可以创建多条曲线以定义实体或曲面的轮廓，指定控制放样实体或曲面形状的导向曲线。使用导向曲线可用来控制点如何匹配相应的横截面以防止出现实体或曲面中的皱褶，如图2所示。每条导向曲线必须满足以下条件才能正常工作：1)与每个横截面相交。2)始于第一个横截面。3)止于最后一个横截面。可以为放样曲面或实体选择任意数量的导向曲线。可以用作导向的对象：直线、圆及圆弧、椭圆及椭圆弧、二维多段线、三维多段线、二维样条曲线、三维样条曲线等[6]。

2、汽车转向摇臂的功用及结构

汽车转向摇臂是控制汽车前轮转向的重要零件，其功用是把转向器输出的力和运动传给转向纵拉杆和转向横拉杆，进而推动转向轮偏转，是保证安全的关键件。本例所设计的转向摇臂材料为45钢，由锻造再加上多工序机械加工而成。它由大端头部、小端头部及杆部三部分构成，其产品设计视图见图3。

图3 汽车转向摇臂视图

3、汽车转向摇臂三维建模

3.1 转向摇臂小端头部建模方法与步骤

汽车转向摇臂属于叉架类零件，此转向摇臂小端头部小外径为φ28 mm，内有1：8锥度的通孔，大的一侧尺寸为φ 17.8 mm，通孔用于安装球头销与转向纵拉杆连接。由于是靠小端头部摆动去带动转向纵拉杆运动，故转向摇臂小端头部称为工作部分。建模时，先调用在AutoCAD中已做好的二维图形（图3）—转向摇臂视图，删除其他内容，保留需要部分并调到三维建模工作空间,图形见图4（a），定义成面域，最后再利用建模“旋转”命令将二维对象旋转成三维实体，见图4（b）。

图4 转向摇臂小端头部建模

3.2 转向摇臂大端头部建模方法与步骤

此转向摇臂大端头部小外径为φ46 mm，内有1∶16锥度的花键孔，花键孔在指定断面处分度圆直径为φ28.92 mm，整个转向摇臂靠花键孔固定在转向臂轴零件上，由于其仅是随转向臂轴做一定的转动，故转向摇臂大端头部称为固定部分。

（1）创建大端头部外部形状。采用与小端头部建模相同的方法创建外部形状，见图5（a）。

（2）创建花键放样截面图形。在AutoCAD三维建模工作空间创建截面平面图形时应注意三方面：①因为只可以在XY平面上画图，故需要根据图形所处空间平面位置调整用户坐标系，以便于图形的绘制和截面位置的准确；②创建的放样平面图形必须连续封闭，才能放样成三维实体模型，否则将放样成曲面模型；③尤其注意，不要把多线条围成的平面图形做面域，要把线条合并成多段线，否则将放样成空心体。具体创建：调用二维图形（图3）—花键齿局部放大图，补全花键齿并按比例缩回到A-A断面处实际尺寸，调到三维建模工作空间，此转向摇臂A-A断面距花键孔左端尺寸为5mm、距右端尺寸为20mm，用“缩放”命令之“参照”方式按1：16锥度分别创建花键齿两端面图形，见图5(b)。

（3）花键放样建模。用loft 命令先依次选左右两个截面图形，输入“路径”放样方式后，再选两个截面间的轴心线，放样生成三维实体模型，见图5(c)。

（4）将图5(a)三维实体模型与图5(c)三维实体模型放置到一起，利用实体的布尔差集运算完成转向摇臂大端头部建模，见图5(d)。

图5 转向摇臂大端头部建模

3.3 转向摇臂杆部“放样”建模方法与步骤

转向摇臂杆部连接大、小端头部，称为连接部分。此转向摇臂杆部各横截面形状均是椭圆，且离大、小端头部不远处有两处折弯，靠近大端头部中心36mm处横截面椭圆长轴长40mm、短轴长20mm，靠近小端头部中心22mm处横截面椭圆长轴长25mm、短轴长16mm，图3中的两个移出断面图表示的就是这两个椭圆横截面。杆部弯曲且截面形状有大小变化，属于较复杂的形体，在AutoCAD中使用一般的三维命令是不好创建其实体模型的。用loft命令对转向摇臂杆部具体建模：

（1）创建转向摇臂杆部放样截面图形。调用在AutoCAD中已做好的二维图形（图3）—转向摇臂主、左视图，调到三维建模工作空间，用三维旋转命令将左视图旋转90°、两个移出断面图旋转90°，如图6(a)所示，做辅助线段ab并沿坐标轴方向左右平移复制两条，平移距离为10mm，原因是大端头部至36mm断面处各截面椭圆短轴长不变，均为20mm。利用“椭圆”命令通过a、b及左右两辅助线的中点作出转向摇臂杆部上方放样截面图形。按照同样的方法，作出下方截面图形。

（2）放样导向曲线。本转向摇臂杆部放样采用四个截面如图6(b)所示，把杆部分成中间、上、下三段进行。主视图杆部两侧的轮廓曲线作为中间段的放样导向曲线，左视图杆部两侧的轮廓曲线作为上、下两段的放样导向曲线，要注意导向曲线一定要位于各截面图形边界上，否则放样是不能进行的。

（3）转向摇臂杆部放样建模。1）用loft 命令先依次选中间两个断面截面图形，输入“导向”放样方式后，再选两侧的轮廓曲线，放样生成杆部中间段的三维实体模型；2）用loft 命令先依次选上方ab处、大的断面处两个截面图形，输入“导向”放样方式后，再选ac、bd两轮廓曲线，放样生成杆部上段的三维实体模型；3）用loft 命令按照同样的方法，放样生成杆部下段的三维实体模型；三次放样见图7(a)。4）将三段三维实体模型放置到一起，利用实体的布尔并集运算完成转向摇臂杆部的放样建模，见图7(b)。

图6 转向摇臂杆部建模(一)

图7 转向摇臂杆部建模（二）

图8 连接整合转向摇臂并作质量特性分析

4、连接整合转向摇臂并作质量特性分析

将前面所创建的小端头部、大端头部和杆部三维实体模型布尔并集成一个整体—转向摇臂三维实体模型，见图8(a)。对该转向摇臂实体对象，可以通过菜单选择“工具”—“查询面域/质量特性”（MASSPRON）命令，分析实体模型的体积、质量（使用材料密度为1）、重心、惯性矩等质量特性[7]。MASSPRON命令对转向摇臂三维实体模型进行计算后，在文本窗口中显示所计算出的质量特性，见图8(b)。

5、结语

三维建模是现代汽车设计中不可缺少的，原因是不仅需要直观地表达设计效果，还需要分析产品的特性。汽车零件形状各异且有的结构复杂，汽车产品开发中变截面三维零部件设计很关键。汽车研发人员中掌握AutoCAD软件的非常多，后增加的放样功能，改变了以往难以或无法创建变截面弯曲三维对象的状况。本汽车转向摇臂带有在空间弯曲且椭圆形截面大小不断发生变化的部分，对整体“两部分”、“六截面”、“四次”使用了“放样”功能，建模进而对其质量特性分析，提高了设计质量，是一典型案例。

[1] 郭平.AutoCAD中的“放样”在叉架类零件三维造型设计中的应用［J］.计算机与现代化,2011(7):186-188．

[2] 中国百科大辞典编委会编;袁世全,冯涛 主编.中国百科大辞典.北京:华厦出版社.1990.第1189页.

[3] 陈雨波,朱伯龙主编.中国土木建筑百科辞典·建筑结构.北京：中国建筑工业出版社.1999.第80页.

[4] 丁年雄 主编.机械加工工艺辞典.北京:学苑出版社.1990.第632 页.

[5] 余桂英,郭纪林主编．AutoCAD2008基础教程［M］.大连:大连理工大学出版社,2008:360-362.

[6] 曾刚编著.AutoCAD2009典型案例设计.北京:电子工业出版社.2009.105-106.

[7] 姜岳键．AutoCAD中应用“放样”建立连杆三维模型的方法［J］．机械研究与应用,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

冯宝全，汉族，高级讲师，就职于沈阳汽车工业学院。主要从事教学与设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.078