汽车前盖和方向盘的三维造型设计.docx
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汽车前盖和方向盘的三维造型设计
汽车前盖和方向盘的三维造型设计
摘要
汽车前盖与方向盘是汽车中不可缺少的一部分,方向盘是操纵汽车行驶方向的轮状装置。
最初的汽车是用舵来控制驾驶的。
舵不能说不好,但是它会把汽车行驶中产生的剧烈振动传导给驾驶者,增加其控制方向的难度。
当发动机被改为安装在车头部位之后,由于重量的增加,驾驶员根本没有办法再用车舵来驾驶汽车了。
方向盘这种设计便应运而生,它在驾驶员与车轮之间引入的齿轮系统操作灵活,很好地隔绝了来自道路的剧烈振动。
不仅如此,好的方向盘系统还能为驾驶者带来一种与道路亲密无间的感受。
本次设计主要通过对现有的汽车前盖与方向盘的结构进行分析和计算并应用SoildWorks的3D模拟仿真技术进行设计,使设计具有可视化效果,从而在设计中也能更好的进行分析,以提高设计的准确性。
关键词:
前盖;方向盘;结构;分析
AutoFrontWheelAndTheThree-dimensionalModellingDesign
Abstract
Author:
Tutor:
Autofrontandsteeringistheindispensablepartinautomobilevehiclecontrol,thesteeringwheelisinthedirectionofthedevice.Thecarwasinitiallywithruddercontrolofdriving.Ruddercannotsay,butitwilltakethecardriver,violentvibrationtoincreasethedifficultyofitsdirection.Whentheengineisinstalledinthefrontpositioninstead,duetotheincreasedaftertheweight,thepilotisnowaytodriveacarZaiYongCherudder.Thedesignofsteeringwheel,itwillcomeintobeinginthedriverandthewheelsofthegearsystemintroducedflexibleoperation,goodisolationfromthepathofviolentvibration.Notonlysuch,goodsteeringsystemalsocanbringadriverandintimatefeelings.
Thedesignoftheexistingmainlythroughthecoverandthesteeringwheelstructureanalysisandcalculationandapplicationof3DsimulationtechnologySoildWorksdesign,makevisualeffect,whichisdesignedinthedesigncanbeanalyzed,inordertoimprovetheaccuracyofthedesign.
Keywords:
Thefrontcover;Thesteeringwheel;Structure;Analysis
目录
1前言1
2汽车方向盘和前盖结构分析2
2.1汽车方向盘结构分析2
2.2汽车方向盘材料分析2
2.3前盖结构的分析6
3SolidWorks的汽车前盖设计10
3.1汽车前盖草图的绘制10
3.2汽车前盖三维造型的生成及修改10
3.3汽车前盖上色三维造型图12
4SolidWorks的方向盘设计13
4.1方向盘的绘制13
4.2汽车方向盘三维造型的生成及修改13
4.3汽车方向盘上色三维造型图15
结束语16
致谢17
参考文献18
1前言
汽车前盖与方向盘是汽车中不可缺少的一部分。
方向盘作为汽车上最重要的安全部件之一,是确保汽车沿正确路线行驶的关键。
除需要具有一定强度、硬度,并能承受一定扭转力及弯曲应力外,还需要具有一定的柔韧性。
这样不仅美化外观,还能使驾驶员感到舒适,更重要的是当遇到碰撞等紧急事故时能起到缓冲作用,确保驾驶员的安全。
鉴于此,方向盘通常是由强度、刚度相对较高的金属骨架外加具有一定韧性的包覆层制作而成。
常用的方向盘骨架是由碳钢、铝合金、硬质塑料、镁合金等通过冲压、焊接、压铸、注射成形等方法制成,包覆层则常用聚氨酯、聚丙烯、木材等通过注射成形、镶嵌等方式包覆在金属骨架上,这样才能实现内强外韧,达到方向盘所要求的特定使用性能。
本文简要介绍了生产方向盘骨架、外包覆层的常用材料及相应的成形方法,对材料性能及成形方法的优劣进行了深入探讨,并进一步展望了今后研究的方向和重点。
汽车前盖是汽车引擎的保护装置,同时也在汽车受到撞击时起到缓冲撞击力,保护乘坐人员的作用,所以在设计中要注意汽车前盖材料的选择,强度设定,降噪,通风等因素。
本文是基于Solidworks软件的三维造型设计,该软件在三维造型方面比较突出,设计出的图形,流行性更强,颜色靓丽,具有很强的3D效果,便于分析设计中缺陷,增强设计的准确性。
2汽车方向盘和前盖结构分析
2.1汽车方向盘结构分析
方向盘通常是由强度、刚度相对较高的金属骨架外加具有一定韧性的包覆层制作而成。
常用的方向盘骨架是由碳钢、铝合金、硬质塑料、镁合金(材料性能见表2-1)等通过冲压、焊接、压铸、注射成形等方法制成,包覆层则常用聚氨酯、聚丙烯、木材等通过注射成形、镶嵌等方式包覆在金属骨架上,这样才能实现内强外韧,达到方向盘所要求的特定使用性能。
汽车方向盘应满足以下要求:
①表面光泽均匀,不刺眼、手感舒适;②足够的强度,优良的耐磨损性能;③耐汽油、柴油、汗液的腐蚀;④良好的耐热及耐寒性能。
方向盘骨架一般是由轮缘、辐条和轮毂3部分构成。
制作骨架的本体材料不同,成形的方法也不同。
表2-1铸造镁合金、铸造铝合金、工程塑料及铸钢的性能比较
材料类别
比重g/cm3
弹性模量GPa
比弹性模量GPa
拉伸强度MPa
比拉伸强度MPa
导热系数W/(m·K)
减震系数(35MPa),%
铸钢
7.8
210
26.9
400~650
51.3~83.3
46
10~17
铝合金
2.7
70
25.9
200~350
73~138
247
2~5
工程塑料
1.5~2.0
15~25
10~12.5
100~250
50~167
20~50
na
镁合金
1.74
45
25.86
200~300
118~172
157
30~60
2.2汽车方向盘材料分析
2.2.1碳钢
碳钢具有较高的强度、硬度和良好的韧性,作为本体材料,在汽车方向盘的应用上一直占据着主导地位,但碳钢硬度较高决定了其难于用单纯的压力加工等方法成形。
钢质方向盘骨架的成形方法通常是经过取材、下料等工序,然后把制作好的钢圈、辐条(或辐板)和轮毂通过焊接而成为一个整体。
选用材料为11-12-GB905-82冷拉20-YBl94-75号钢筋,通过卷圆、切断、对焊、锤接头、校平、校圆等步骤加工轮缘,然后选用材质为3402F5-021-A的轮毂、3402Fs-023的辐条,进行油污清洗、焊接得到骨架总称。
该工艺程序比较复杂,对工人的技术水平要求较高,因此精确度羞、规模化程度较低。
多年来国内外许多汽车及零配件生产厂家不断投入大量人力、物力进行钢质方向盘骨架的开发和研制,其中比较知名的有美国的通用公司、国内的浙江玉环方向盘厂和顺达(芜湖)汽车饰件有限公司等,其生产的方向盘骨架种类繁多。
期间也涌现出了许多设计或发明专利,以金属钢为本体材料通过改进设计或优化工序等制作了各种不同的方向盘骨架,使得方向盘骨架样式更加多样化。
尽管如此,仍摆脱不了通过下料、焊接等多种复杂工序进行制作的本质。
另外,碳钢比重较大、减震系数低,不利于汽车减重且手感较差(与其他材料的性能比较见表2-1)。
碳钢本身的特性难于通过成分优化等得到很大的改进,因此在汽车轻量化的进程中,随着性能优良的轻量化材料的研制成功及相应成形工艺的合理应用,碳钢方向盘在微型汽车上将逐步淡出舞台,被重量和性能俱佳的新材质方向盘所取代。
但在强度要求较高、工作环境恶劣的重型汽车等车辆上,碳钢骨架仍会得到广泛的应用。
2.2.2镁合金
镁合金被誉为“21世纪最具前途的绿色工程塑料”,其比重小,比钢轻3/4,比铝轻1/3;衰减系数高,具有良好的减震、吸噪及阻尼性能。
在方向盘上使用镁合金可以顺应汽车结构向轻量化和节能化的方向发展。
文献认为,镁合金应用于方向盘不但可实现轻量化,而且能降低路面对控制系统的震动,同时,在发生意外时镁合金方向盘可吸收更多的能量,保证驾驶员的安全,因而具有低碳钢、工程塑料等传统方向盘无法比拟的性能优势。
现在通用的镁合金方向盘是由碳钢通过焊接制成的,导致重量大、韧性低、结构复杂。
因此探索新的适合镁合金骨架生产的成形工艺势在必行。
沈阳工业大学刘正等开发了采用一片式压铸工艺,将原来的7个焊接结构件集成到一块,制成了高韧性镁合金方向盘骨架。
该镁合金方向盘骨架在实现减重3/4的同时,冲击韧性得到很大提高,而且还具有明显的减震性,方向盘骨架达到汽车专业标准,同时也使一片式压铸工艺降低了成本。
郎玉山刀发明了一种汽车镁合金方向盘的生产方法,生产的方向盘包括1个含有环形的上部盘缘、下部底座以及其间的若干条辅筋压铸成的一个整体结构的镁合金骨架盘体,且无变形出现,产品质量可靠。
由于取消了焊接工艺,提高了工效,产品的成本相对下降。
目前已涌现出许多生产镁合金方向盘的厂家,据报道,杭州富春镁合金制品有限公司2004年达到80万件汽车镁合金方向盘骨(Armatures)的生产能力。
另据报道,严格按照国家标准GBll557-1998《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》及企业标准Q/LZW2403-1998《微型汽车转向盘技术条件》要求,重庆镁业为上汽通用五菱股份有限公司配套生产的A240l-002镁合金方向盘,目前通过国家汽车检验权威机构——国家轿车质量监督检验中心检测,结果表明,转向盘遭撞击时吸收能量的静扭强度、静弯曲强度、冲击等指标均达到国家标准及企业标准。
据悉,重庆镁业已向上海通用提供A2401-002镁合金方向盘7000余件。
图2-1是重庆镁业生产的镁合金方向盘骨架。
图2-1镁合金方向盘骨架
2.2.3硬质塑料及其他材料
除碳钢、铝合金、镁合金等金属材质外,适于生产方向盘骨架的材料还有聚乙烯、聚氨酯硬质塑料和玻璃钢等,这些材料制作的方向盘外观和手感都较差,生产和应用较少,本文不作重点论述。
2.2.4包覆层材料及成形方法
方向盘包覆层最早采用酚醛塑料模压制造,后来采用HDPE和改性PP注塑成形,目前使用最多的是PU料RIM制造工艺。
这些常用的塑料主要有以下特征:
比重小,一般为钢铁的1/4、铝的1/2,约为大多数有色金属的1-8~1-5,有利于减重、节能,比强度和耐热性高,化学稳定性好,电绝缘性、机械性能优良,在较宽的温度范围内,具有优异的抗冲击、耐疲劳和减摩、耐磨及自润滑性能,易于成形且具有优良的尺寸稳定性。
其中聚氨酯是目前方向盘上用得最广泛的一种塑料。
聚氨酯方向盘集装饰与功能于一体,其特点是手感舒适、能吸收驾驶员头部及胸部的碰撞能量,提高安全性,并且耐磨、不易开裂、使用寿命长。
该方向盘国外应用得较早,而我国起步较晚。
20世纪90年代李帮山报道了采用反应注射模塑成形工艺(RIM)研制的聚氨酯硬质塑料方向盘,成功地应用于斯太尔重型货车上。
其制造工艺过程是,将异氰酸氨(R-Nc0)、聚醚(R-OH)以及其他一些辅助材料,如聚醚多元醇、硅油、交联剂、催化剂、发泡剂计量混合后,经高压注入模腔,继而产生表皮密实的产品。
对轮圈及轮毂部位聚氨酯密度、轮圈部位硬度、冲击弹性、压力残余变形、聚氨酯抗拉强度及延伸率、耐臭氧性、耐磨性、耐溶剂性、耐热交变性、转向力和轴向力等性能进行检测,结果均达到了基本指标。
不足之处是外观比较粗糙、花纹不美观、骨架居中较差、聚氨酯材料强度及延伸率相对较小。
为适应方向盘发展的需要,随后,王伟明等又报道了一种先进的聚氨酯自结皮方向盘(PolyurethaneIntegralSkin-foamSteeringwheel,又称PU方向盘)生产技术,它是在金属骨架外面用反应注射成形方法形成一层具有自结皮的聚氨酯发泡材料,这种发泡结构能够形成带有天然皮革花纹及韧性的表皮,在这层表皮下面逐渐过渡到具有弹性的泡沫体。
与硬质塑料方向盘相比,PU方向盘在确保基本功能的前提下,实现了外韧内软,其操作使用性能、安全性能及外观都有很大改进,从而使方向盘具有多种优良性能。
到目前为止,世界主要汽车生产厂家均采用PU方向盘。
另外,程基华等采用金属骨架轮缘外镶嵌木质包覆层的方法制成木质方向盘,在保证和提高机械强度的同时,起到了装饰效果,具有刚性好、安全可靠、豪华高贵、美观大方等特点。
也有人在骨架钢箍外包覆由锯末和树脂粘合剂混合加压和木屑压制等制成的盘轮,这种方向盘能用于各种不同的车辆,且对安全行驶起到了良好的作用,但都没形成规模生产。
图2-2其他材料方向盘
2.3前盖结构的分析
2.3.1概述
一般来讲,前盖由多个冷冲压成型的薄板金属件以骨架的形式构成。
外观上可看到的部分称为外板,在某些车型的外板上会安装风挡洗涤喷嘴和部分装饰部件。
打开前盖后内部可见的部分称为内板,在内板上一般会布置很多部件的安装结构,包括铰链、撑杆、密封条、锁扣及隔音垫等。
在外板与内板之间还会有一些启加强作用的加强板。
内板和加强板共同对外板起到支撑和增强刚性的作用。
在连接方式上,先由内板与加强板采用点焊的形式组合在一起,然后再整体与外板通过包边连接成为前盖总成。
前盖应该是可以打开和关闭的。
打开时,前盖一般向后翻转,也有小部分是向前翻转的。
向后翻转的过程中,前盖与周边部件不得发生干涉。
前盖应可以打开至某一位置并在此固定,以满足车辆维修的需要。
打开至最大开启角度时,与前档风玻璃至少保留15毫米的最小间距。
为防止在车辆行驶过程中,由于振动而使前盖误开启(遮挡驾驶员前方视野),要求在前盖前端安装有安全锁钩锁止装置。
2.3.2结构分析
前盖除了具备重要的装饰性作用外,它还起到对机舱内部部件和外界阻隔的作用,一方面可阻止外界因素进入机舱产生侵蚀;另一方面,可阻止机舱内污浊、湿热空气的外泄,同时还具备一定的隔音和隔热功能。
另外,其对行人碰撞中的头部保护方面也起到很大的作用。
前盖不仅要有合适的强度,还要具备一定抗扭转和弯曲的能力。
另外也要经受一定条件下的高温、低温和腐蚀等环境对其的考验。
在满足上述要求的情况下,自身重量要尽量小,一方面有益于提高燃油经济性,另外也可以减小打开前盖的操作力,便于操作。
2.3.3安全性的要求
对汽车前盖的安全性能有以下几点要求:
(1)前方视野GB11562-1994《汽车驾驶员前方视野要求及测量方法》规定,前盖在竖直方向上,不得高于前风挡玻璃透明区域范围以满足下视野的要求(不得小于5°),见图2-3;
图2-3前盖的高度要求
(2)外部凸出物为降低在碰撞时被车身擦、碰的人员的伤害程度,GB11566-1995《轿车外部凸出物》要求,车身外表面凸出零件的圆角半径不得小于2.5mm。
前盖的后缘属于外部凸出物考核的部位,故在后缘采用水滴型包边的形式以满足相关标准。
结构断面如图2-4所示;
图2-4水滴型包边
(3)碰撞保护当车辆以规定的速度和条件下发生正面碰撞时,为防止前盖受力后侵入乘员舱而对乘员产生伤害,要求前盖向特定方向(向上)折弯,如图2-5所示。
为达到这一目的,可在前盖内板上布置一处或多处有凹槽来实现,参见图2-6。
另外在行人碰撞保护中,前盖要起到一定的对行人头部保护的作用,这就要求前盖与机舱内部件保持一定的间隙。
若此间隙较小,则可采用上弹式的前盖系统:
在车辆撞到行人后0.03秒左右的时间内,前盖后部上掀约10cm,以增大前盖与机舱内部件之间的间隙。
图2-5前盖碰撞后弯曲
图2-6前盖碰撞凹槽
3SolidWorks的汽车前盖设计
3.1汽车前盖草图的绘制
利用SolidWorks设计汽车前盖,首先要绘制前盖三维造型所需要的三维构造草图,如图3-1所示:
图3-1前盖三维草图
3.2汽车前盖三维造型的生成及修改
在草图的基础上,对前盖草图进行放样,得到基体,如图3-2所示:
图3-2汽车前盖放样草图
在此基体上进行进抽壳处理,得到前盖面板状结构,如图3-3所示:
图3-3汽车前盖基体抽壳图
在此壳体上进行外观设计,切除多余的部分,并对切除的边角进行圆角处理,得到图3-4:
图3-4外型修饰后的前盖
至此,前盖外型基本完成。
3.3汽车前盖上色三维造型图
图3-5上色后的前盖三维造型图(左前)
图3-5上色后的前盖三维造型图(上)
4SolidWorks的方向盘设计
4.1方向盘的绘制
利用SolidWorks设计汽车方向盘,首先要绘方向盘盖三维造型所需要的三维构造草图,如图4-1所示:
图4-1方向盘草图
4.2汽车方向盘三维造型的生成及修改
在草图的基础上,对方向盘草图进行旋转基台,得到饼状结构,如图4-2所示:
图4-2方向盘饼状结构
在此饼状结构的几处上,进行拉伸切除,得到图4-3。
图4-3拉伸切除后的方向盘造型
对此方向盘结构进行圆角处理及修饰,最终得到草图4-4。
图4-4外型修饰后的方向盘
4.3汽车方向盘上色三维造型图
图4-5方向盘上视图
图4-5方向盘上下等二轴侧图
结束语
经过大学三年的学习,我已经掌握了一定的专业知识,但在实际中的运用还不是很熟练。
为了能够体现自己在大学三年里所学的知识,同时自己也对三维设计比较感兴趣,因此就选择了AutoCAD和SolidWorks的3D模拟仿真技术进行方向盘与前盖的设计。
这次毕业设计不仅能够将以前所学的专业知识包括进来如:
汽车发动机构造及维修、汽车底盘构造及维修、机械制造基础等课程有机的结合在一起,还能够使自己的设计思维能够有一个很好的提高,从以往的二维设计理念向三维设计思维的转变。
这次设计,虽然内容不是很丰富,但是它能够锻炼自己独立思考、自学的能力,还学会了找资料和运用资料的水平,为以后的工作、学习打下坚实的基础。
致谢
参考文献
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