（车辆工程专业论文）驱动桥总体方案自动生成系统研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文 驱动桥总体方案自动生成系统研究 abs tract t akin g driv i n g axl e asth e re se 眼h o bj e c t 阴d taki n g com p ut e r l ang 眨 ig e as1 0 0 1 ， the thesi s 物d y a so ft w are s y 难mfor 而v i n g ax l e b 砚 姆 d onc 八 了 ia( c o m 伴 此 r aid ed下 恤 e e d 加e n s i o 耐 b 血r 朗t i v e a p p i 沁 ation) . c a naisa u 廿 ee刁i mens i o n 日加g n e e n o g soft w ar e ， itcan pro v i 山 山 e 丘 m c t i 哪 ofthe t hr 比. d i m e nsi o . 目 sc u 】 p t i n g and the in 加 n 比 t i on for s e c o n d ar y dev e 】 o p m e nl s 。 the so n w ax e s y s t e mprovi dea q u l c kl y ， x 侧 泪 i e n t 】 y ad d 暇 山 a t e l y env i r o 刊 m e n t for e n g n e er. b ase don theson w 田 限即9 川 e e n 刀 gi d ea， the d es i gn i d e as for 而550丘 w 创 旧s y s t e m are e x p and e d info u r p a rt s : 印 n 沈 杯desi gn， v 州atio na l 血 s i gnofp 山 ts ， 七 s ta b l i shin fo n n at i on m o del ofasse m b l y an d p e t ri cg e n e 叫i v e p art s tl u c 仅 理 alana l y sis ofd ri v 吨 ax lep 越 钻 ， 6 加 u y g l v e the exaj . p l e of面s so fr w ar e s y st e m . e 月 免 以 i v e 即 p ro ac h e s are p u t fo r 胃 ax d认 七 i c hto山si gn v 幼日 石 。 耐 p artand e s o lb l i shin fo n 力 at i ollm ode l ofas se m b 】 y户 习 a 】 y 留the fo r ceofdriv i n g 司e p aits ， e s 切 b l is h the m odul e ofi n t e 川ityc h e c k ， p u t fo rw出 月 the i dea ofp ar ame 颐 cfi 垃 tee 】 e m e n t m e th o d ， use 面s m e l h odtoana l 犷 望the hous in g ofd 石 v e axle阳d axl e s h a ft w hi c h 此 fo rce is 。 m p l e x ， p r o v ide adv l ce or l 刘 ro n 如 at i o nfo r s t n 权 庄 el m p r o v e m e n tan d女 ri es desi gn. b y re l at i v ely c o rpo rati onu s i n g ， 由 e s o ft w ar e sy st e mac hi e v edp n m 田 ) d e m 肛 以 k 即word : driv i n g ax le ， the w hol e sc he玫 ie ， v a ri at i or 囚由 s i gn， a u 加 m at l c c re 而n g ， fi nite e l e n e n t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名:扒 、 介 妇妇 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容，可以向有关部门或机构送 交并授 权其 保存、借阅或上网公布 本学位论 文的 部分 或全部内 容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研一扛 沙 叫 弃 占 月诃 日 南京理工大学硕士学位论文姐动桥总体方案自动生成系统研究 绪论 1 . 1 论文的选题背景 为了 适应竞争日 益激烈的 市场需求， 企业 有必要在提高产品质量， 缩短 生产研发周期， 提高生产效率上下功夫， 这就迫使企业从设计阶段开始就应该考虑采用新的设计方法和手 段 来提高 产品的竞争力， c a d / c a e 技术就是现代设计方法之一。目 前， 一些大型商用c a d 软 件在企业的 应用正逐渐 得到普及， 但是多 数的商 用c a d 软件为了适合各 种产品的设计需 求，均将通用性作为软件设 计的目 标之一，因此也 就存在着针对性不强、 设计效率不高、 对专用产品的 设计显得繁 杂等一系列问 题。 同 样， 在驱动桥的生 产类型由 过去的单一、大 批量模式向多品 种小 批量高效生产模式 过渡的今天， 利用己 有的 产品 信息， 如何建立 起一 个既能 反映驱动桥生 产周期各阶段技术 的 需求，又能实现驱动 桥的 变量化设计，快 速响应 用户需 求的 专用集成 设计开发环境，是 现代驱动桥生产企业得以 生存发展的 法宝。 本课题就由 柳州五菱联合发 展有限 公司车 桥厂 为适 应目 前形势而提出的。 研究表明， 建立针对 汽车驱动桥的 c a d 设计系 统， 可以 通过 对商用 c a d 软件进行二次 开发， 利用c a d 软件的 开发环境， 集成驱动桥的 设计知识，以构 筑针对驱 动桥开发的快速 响应设计平台。 本课题的研究目 的， 就是拟将驱动桥设计者从繁杂的重复劳动中解放出来，以计算机 为工具， 在对驱动桥进行方案 分析的同时实现零部件的变量化建库， 为后续的精确成图、 动态设计以 及机构的运动 仿真、 模拟分析提供条件。因此，驱动桥总体方案自 动生成系统 以 及相关性能分析研究对进一步提高驱动桥的总体乃至零部件的柔性 化设计水平具有十 分重要的意义。 1 . 2驱动桥传统设计方法概述 1 . 21驱动桥的功用及设 计要求 驱动桥处于动力传动系的末端， 其基本功用是增大由 传动轴或变速器传来的转矩， 并 将动力合理地分配给左、 右驱动车轮， 承受作用于路面 和车架或车身之间的垂直力、 纵向 力 和横向力。驱动桥一 般由 主减速器、 差速器、 半轴、 驱动桥桥壳等组成 11 . 驱动桥是汽车传动系中主 要总成 之一，驱动桥的设计是否合理直接关 系到汽车使用性 能的 好坏，因此，设计中 要保证叭 ( 1) 所选择的主减速比 应保证汽车在给定使用条件下具有最佳的动力性和嫩料经济 l 南京理工大学硕士学 位论文驱动桥总体方案自动生 成系 统研究 性; (2 )当 左、 右两车轮的附 着系数不同时， 驱动桥必 须能 合理的解决左、 右车轮的转矩 分配问题，以充分利用汽车的牵引力; (3 )具 有必要的离 地间隙以 满足通过性的 要求; (4 )驱动桥的各零部件在满足足够的强 度和刚 度的 条件 下， 应力求做到质量 轻， 特别 是应尽可能 做到非簧载质量，以 改善汽车的 行使平顺性; (5 )能承受和传递作用于驱动车轮上的 各种力 和转矩; (6 )齿轮及其他传动部件应工作平稳， 噪声小; ( 7) 对传动件应进行良 好的润滑，传动效率要高; (8 )结构简单， 拆装调整方便; (9 )设计中 应尽量满足 “ 三化 a(产品系 列化、零部 件通用化、零件设计的标准化) 的要求。 1 . 2 . 2驱动 桥传统设计方 法 驱动桥传统设计方法和步骤包括: ( 1)驱动桥零部件选型 及主要受力件的设计; 选择驱动桥结 构型式， 主要是断开式和非断开 式驱动桥的选择; 选择主减速器结构型式， 微型汽车驱动 桥大多 数采用单级主减速器: 选择主减速器锥齿轮的 支承型式，主动 锥齿 轮主要是悬臂式和骑马式 两种; 计算选择主 减速器齿轮的 主要参数: 计算主减速器齿轮的 几何参数; 对主减速器齿轮进行强度校核; 选择差速器齿 轮主要参 数; 计算差速器齿 轮几何参数; 差速器锥齿轮的 强度校核: (2 )根据以 上的设 计计算画出 各零部件的三维视图; (3 )对样件进行各 种试验，以 确定设计是否合理; (4 )若不合理，反 馈给设计人员改 进设计; ( 5) 投入生产。 随着技术的发展和客户对汽车性能 要求的不断提高， 采用驱动桥的传统设计方法己 越 来 越不能满足市场的要求， 如创新能力不够、 c ad 软件的 应用水平落后等问题， 这就迫使 驱动桥设计人员要不断学习， 更新知识，提高自己 的业务水 平。 2 南京理工大学硕士学位论文奥动桥总体方案自动生成系统研究 1 . 3驱动桥设计方法的国内外研究现状 1 . 3 . 1国内研究状况 目 前国内对驱动桥的设计仍然沿 用传统的设计方法， 首先 进行驱动桥总体方案设计， 从二维图着手设计出各零件，做简单的强度校核、反复修改，最终得出一种比较完善的设 计方案。在设计时经常参考以 前设计出的 驱动桥并稍加修改 ( 主要是尺寸的变化) ，最终 形成系列 化的驱动桥。因此目 前驱动 桥的设计主要存在以 下 几个问 题: ( 1) 技术含量较低 采用传统的驱动设计方法，每一 步设计都按既定的 步骤完 成， 设计人员没有更多的思 考空间。同时， 我国的驱 动桥制造企 业技术力量参差不齐， 但不论是大中型企业还是小型 企业其产品设计水平和工艺制造水平都相对落后。因 此， 我国生 产的 汽车驱动桥普遍存在 嗓 音、 异 响、 漏油甚至更为严 重的有 抱死等问题。 严重地影响整 车的 性能和安全， . 是 客户 所不能接受的。 这充分表现了技术含量较低，不能完全满足使用 要求。 ( 2 ) 技术创新能力不 够 使用传统的设计方法对驱动桥进 行设计，不重视技术的 创新， 很多阶段的设计只停留 在对以 前产品的 修改上， 对驱动桥所出现的问 题 ( 如受力、 噪 音等) 不会分析， 只能照搬、 照套， 从根本上无法创新. ( 3 ) c a d 软件技术 应用落后 c a d 一般指以计算机作为辅助 工具的 各种应用技术， 是以 计算机外围设备及其系统软 件为基础， 包括二维绘图设计、三维 几何造型设计、 有限 元分析(f e a ) 及优化设计、数 控 加工编程(nc p)、 仿真模拟及产品数据管理( p d m ) 等内 容。 然而， 我国驱动桥生产企 业的 c a d 应用大部分只是停留在计算机 绘图阶 段， 产品设计还局限 于几何尺寸设计。 在产品 设 计过程中， 利用计算机技术及先进软 件，对汽车车桥的有限 元分析和动态仿真的 应用还极 为落后。 最近几年， 国内 驱动桥的 设计技术也得到了一定的 发展， 除了 设计人员的c a d 软 件应 用水平得到逐步提升外， 一些专业 技术人员还对这些大型商 用软件 ( 如c a t 认)软 件进行 二次开发， 使其完成某一 特定产品的设 计更为方便。 大型商 用软件的二次开发技术的应 用， 就是以大型通用c a d 软 件为 基础， 结合自 身实际情况， 进行不同 程度的用户化、本地化开 发，以建立本地化的应用绘图系统和数据库， 形成具有自 身 特色的 c a d 系统。 对大型商用三维c a d 软 件二次 开发虽 然得到了一定程度的 发展， 但国内在这方面软件 的 应用还是不多， 原因是二次开发的 应用软件大多附属于大型 商业c a d 软件平台并作为独 南京 理工大学硕士 学位论文奥动桥总体方案自 动生成系统研究 立 模块被商业 化， 或一些开发的特定产品设 计系统作为企业的 技术机密不向社会公开。我 国 虽有一 些文 献， 但技术层次比 较低， 缺乏系统的 研究资料。 在国内，四 川建安工业有限公司 在分 析传统驱动桥设计方法不足的基础上，借助于本 课 题组的 软件研发力t， 开发出针对微型 汽车驱动桥的 智能化设计 系统。 它是基于i d e a s 三维软件，结 合驱动桥设计的传统方法， 建立针对驱动桥的 快速响 应的 设计平台， 使得技 术人员在设计过程中大大缩短了 开发时间， 取得了明 显的 效果。 但该软件在使用过程中也 发 现一些明 显的 不足，例如仅能对微型车 驱动桥进行设计分析、 适应的 驱动桥的结构形式 较少，对设计出 的驱动桥零部件不能进行 干涉校验和有限 元分析 等等。 其中最重要的一点 是其附属的 ide a s 三维软 件公司已 被e d s 并购， 并无力对其升级更 新， 所以 在目 前的三维 软件市场上己 基本被淘汰， 而由 d as sa u l t 公司 开发的 c a d / c a e/ c a m 集成化系统c a na 逐渐 成为汽车行业三维设计软件的主流。 因此，本文改进以 上系统中出现的不 足， 并基于c 八 i i a 软件， 开发出了驱动桥总体方 案自动生成系统，为驱动桥设计人员提供一个专用的设计、分析平台。 1 . 3 . 2国外研究现状 西方发达国 家，由 于 c a d软件研究开发较早， 技术力量雄厚，已 投入了 大量的人力 物力发展c a d软件，出 现了 如 c a t l 气 、 p r o /e、 u g 、 i d e a s 等大 型且功能齐全的c a d 软件。汽车零部件企业根据自 身产品的具 体设计需 求， 纷纷通过变量化 设计技术研制出适 应本企业产品 开发的专用c a d软件系统 ( 如英国l x 此集团 采用的 制动器设计系统) ，使 得产品的设计周期大大缩短。 据报道， 日 本各汽车生产厂家最近纷 纷导 入rr技术， 其中最 明显的是使用计算 机完成设计并在此基 础上模拟产品安全性能实验。 各种软件的开发，使 得新车的性能得到很大地改善，开发时间已缩短到了一年左右，从而大幅度地节省了开发 时间和成本。 1 . 4面向对象的程序设计 面向对象的程 序设计技术o o p(0 bj ec t - 。 哟 即t ed p m gr 别 m 叮 u n g ) 是一 种以 信息或数据为 主 线， 把信息和 数据统一 起来的方法。 它的 基本思想是从现实世界中 客观存在的 事物出 发， 运用人类的自 然思 维方式来构造软件系统15 。 1 . 4 . 1面向对象的 墓本概念 面向对象的 方法强调运用人类在日 常 逻辑思维中经常采用的思 想方法与原 则，例如对 象、 分类、 封装、 继承等， 使开发者以 现实 世界中的事物为中 心来思考和认识问 题，并以 人们理解的方式 表达出来。 它处理的 基本信息单元是对象， 对象是数据( 事物的 属性) 及操 南京理工大学硕士学位论文驭动桥总体方案自 动生成系统研究 作( 事物的行为) 的统一体，并以对象间的信息传递来描述对象之间的相互作用。 ( 1 )对象 一般认为， 对象是包 含现实世界物体特征的抽象 实体， 反映了系统为之保存信息和( 或) 与 之交叉的能力。 对象是 一些属性及方法的封装体。 在程序设计领域， 可以 用 “ 对象二 数 据+作用于这些数据的 操 作” 这一公式来表达以 。 ( 2 )类 类是具有相同数据 格式( 属性) 和相同操作功能的 对象集合， 可以 看作抽象数据类型的 具 体实现。 从外部看， 类的行为可以 用新定义的操 作( 方法) 加以 规定。 类是对象集合的 抽 象，规定了这些对象的公共属性和方法。 ( 3 )封装 封装是对象和类概念的 主要特性。封装把过程 和数据封藏起来， 对数据的 访问 只能通 过己 定义的界面。封装保 证了 模块具有较好的 独立性， 使得程序维护修改 较为 容易， 对应 用程序的修改仅限于类的内 部，因而可以将应用程序的修改带来的影响 减少到最 低限度。 ( 4 )继承 继承是一种连接类与 类的 层次模型。继承允许和鼓励 类的重 用，提供了一种明确表述 共性的 方法。继承性很 好地解决了 软件的可重用性问题。 ( 5 )多态性 多态性是指允许不同类的对象对同一消息做出响应。多态性包括变量化多态性和包含 多态性。多态性语言具有灵活、抽象、行为共享、代码共享的优势，很好地解决了应用程 序函数同 名问 题。 1 . 4 . 2面向对象的程序设 计的 开发过程 面向 对象的 程序开发 方法是面向 对象方法在软件开发领域的全面运用， 涉及到从面向 对象分析 ( o o a ) 、 面向 对 象设计 ( o o d ) 、 面向 对象编程 ( o o p ) 、 面向 对象测试 ( o o t ) 到 面向 对象 软 件维护 (oo s m ) 的全过程 6 。 ( 1) 面向 对象分析 面向 对象的 分析就是 运用面向 对象的方法进行需求分析， 其主要任务是分析 和理解问 题域，找出 描述问题域 和系统责任所需的类及对象， 分析它们的内 部构成及外部 关系，建 立o o a模型。 (2) 面向 对象的设 计 面向对象的 设计就是 根据已 建立的分析模型， 运用面向 对象技术进行系统软件设计。 它 将o o a模型直接变成o o d模型， 并且补充一些与实现有关的 部分， 如人机界面、 数据 南京理工大学硕士学位论文驱动桥总体方案自动生成系统研究 存储、 任务管理等。 ( 3 )面向 对象的编程 面向 对象的编程 ( o o p ) 就是用一种面向 对象的 编程语言 将 o o d模型中的 各个成分 编写 成程序， 从以 a o o d o o p 的无 缝连接， 提高了 开发工作的效率 和质量。 (4) 面向 对象的测试 面向 对象的测试是指对于 运用 0技术开发的软 件， 在测试过程中继续运用0 0技术 进行以 对象概念为中心的软 件测试。 它以 类作为基本 测试单 位， 集中检查在类定义之内 的 属 性、 服务和有限的对外接口， 大大减少了 错误的影响范围。 ( 5 ) 面向 对象的软件维 护 软件维护的 最大难点在于 人们对软件的理解过程中 所遇到的障碍，在面向 对象方法 中 ， 务 阶 段 采 用的 表示是一 致的 ，从而大大降低了理 解的 难度， 无论从程序中的 错误追溯 到问 题域， 还是需要的变化需 要从问 题域追溯到程序， 整个过程都是平坦的。 另外，对象 的 封装使得一个对象的修改 对其他对象的影响很小，不 至于 牵一发而动全身。 1 . 4 . 3面向 对象的程序设计技 术优点 面向 对象的 程序设计技 术具有以 下优点15 : ( 1) 按照人类的自 然思 维方式， 面对客观世界建立软 件系 统模型， 有利于 对于问 题 域和系统责任的理解，有利于人员交流。 (2) 在整个开发过程中， 采用统一的 概念和模型表示，填 平了语 言之间的鸿 沟， 使 得开发活动之间过渡平滑. ( 3 )对象所具有的封 装性和信息隐蔽等特性，使其容易实 现软 件复用。对象 类可以 派生出新类， 类可以 产生实 例对象， 从而实现了 对象类的数据结 构和操 作代码的构 件复 用。 另外，面向 对象程序设计语言的 开发环境一般预定义了系统动 态链接库， 提供大量的公 用 程序代码， 避免重复编写， 提高了 开发效率和质量. “)在面向 对象的方法中， 系统由 对象构成，对象是一个 包含属性和操作两方面的 独立单元， 对象之间通过信息 联系。 这样的 系统一旦出错，容易定 位和修改， 系统的可维 护性好。 1 . 5 论文主要研究内容和方法 本课题主要针对目 前驱 动桥设计中 所存在的问题， 结合我国驱动桥设计生产的现状， 研究开 发了基于c 八 j ia软件平台的驱动桥总体方案自 动生成系 统。 该系统在已 提供的驱动 桥 变量件模型和变量件尺寸 参数库的 基础上， 在更简洁、专用的驱动桥设计环境下，从整 南京理工大李硕士 学位论文里动桥总体方案自 动生成系统研究 车出发对驱动 桥进行总 体方案设计， 或直接对零件进行设 计，实 现其自 动装配; 根据用户 需 求， 对驱动桥的主要受力件进行强度校核及有限元分析。 本文的主要研究内 容及方法如 下: ( 1) 驱动桥变量件库的建立与完 善:本课题研究的驱 动桥主要针对微型车驱动桥， 首先在各种微型车驱动桥的结构形式中，选出 几种具有代表性的 驱动桥结构形式作为模 板，这些模板必须能够反映该系列驱动桥常用零件中可能出 现的 结构; 对选出的 驱动桥外 形结构离散化并 提取出该驱动桥中各零部件的典型 特征， 称这 些零件为变量件。 在c 八 t i a 系 统中绘制各 类型驱动 桥变量件三维零件图并保存， 称之驱动 桥变量件库; 利用c 产 j i a的 尺 寸提取功能， 提取各变量 件的参数尺寸， 并最终把这些尺寸参量存为a c c e ss 格式， 作 为 驱动桥 变量件尺寸参 数库。 (2) 驱动桥装配信息模型研究: 对c a l l a进行二次 开发，提取驱动桥装配模型信息 参数， 从而建立起基于c 八 t l 气 的驱动桥装配模型， 为后续的 干 涉校验提供基础。 ( 3 ) 干涉校验: 对驱动桥各 零部 件之间的 约束关系进 行分析， 并利用c all a系统的 干涉检查功能对驱动桥装配体进行千涉检查。 “) 驱动桥零部件的 受力分析及强 度计算:为满足合 作单位的需要，针对微型车 驱 动桥的特定结构形式， 对其进行受力分析， 实现主要受力件 ( 如主减速器齿轮、差速器齿 轮等)的强度校核并程序 化。 (5)驱动 桥主要受力 件的有限元夺量化建模研究: 通过对驱动桥的受力分析可知， 对一些受力 情况比 较复杂的 零部件 ( 如 桥壳)进行常规的 强 度计算非常不准确，只有采 用 有限元分析法对其进行分析才能 精确体 现受力 件的受力形态。 有限 元变t化建模就是 把驱 动桥主要受 力件模型的材 料属性、 单元类型、 约束及载荷等作为变量输入， 然后利用c a t i a 系统自 带的 有限元分析模块， 对驱 动桥主 要受力 件进行有限 元分析， 为改进设计提供参考。 (6) 软件系统集成方法研究 通过设计应用程序与数据库之间、 应用程序不同 模块之间的接口 ，编写合理的系 统界 面，完成参数录入、变量化建模、自 动装配、传统强度计算、有限元分析等模块的 集成， 媛终实现驱 动桥总体方案自 动生成系统的 建立， 并通过应用 举例验证系统的合理性。 南京理工大学硕士学位论文驱动桥总体方案自动生成系统研究 2驱动桥总体方案自动生成系统概要设计 2 . 1驱动桥设计的 基本 要求 驱动 桥总体方案自 动生 成系统的开 发目 的 是为 驱动 桥设计 人员服务，为他们提供一个 快捷、 方便、 科学的驱 动桥开发平台。 所以 ，系统开发人员必须首先考虑到驱动桥设计的 关键技术问 题， 才能真正 地把本系统应用到 驱动桥开发中去。 ( 1) 驱 动桥零件的 标准化、 部件的 通用化、 产品的 系列 化 随着汽车工 业的发展以 及技术水平的 提高， 驱动桥的设计 制造日 益完善， 与汽车其它 总成一样， 驱动桥除了 广泛采用新技术外， 在结构设计中日 益朝着 “ 零件标准化、部件通 用化、产品 系列化”的方向 发展， 在我国 驱动桥生 产中 尤其以系 列化为突出。 驱动桥产品 的系列化就是以 典型结 构形式的驱动桥零部件为基础，以 不同的 组合方案和生 产方式为手 段，最终达到 其变型的目 的。 ( 2 ) 驱动桥桥壳应具有足够的强度和刚度 汽车在行驶过程中， 桥壳承受复杂的 载荷， 尤其当 汽车 通过不 平路面时，由于车轮与 地面间所产生的 冲击载荷，如果设计不当 或制造工艺有问 题，将会引 起桥壳变形或折断。 因 此在设计时 必须使桥 壳有足够的 强度和刚 度，以 保证汽车可靠地工 作。 ( 3 ) 满足汽车行驶的 通过性要求 微型车驱动桥一般都采用非断开结构形式，非断开式驱动桥的主 减速器装在桥壳内 部，由于行驶路况复杂， 为了 避免驱动桥与地面或其上的凸 起物相 碰撞而使零件损坏或使 汽车受阻，因此，桥中 部安装减速器处的 轮廓尺寸 不应太大，使之 有足够的离地间隙，以 满足汽车在通过性方面的要求。 ( 4 )降噪的要求 驱动桥的噪音主要来自 齿轮及其它传动机件，提高齿轮及其它传动零件的 加工精度， 增强齿轮的支承刚度， 采用运转平稳、 无噪音的 双曲面齿轮做主减速器齿轮， 增强桥壳及 主减速器壳的刚度以 避免其受载变形后破坏齿轮的正确啮合等等， 都是降低驱动桥工作噪 音的有效措施。 2 . 2系统需求分析 系统需求分析是连接用户和设计人员的一个桥梁，是整个系统生命周期的最前端过 程，也是最重要阶段。在这个阶段，设计人员必须与用户充分交流，获取用户的需求，使 南京理工大学硕士学位论文驱动桥总体方案自 动生成系统研究 系统既能达到用户的功能要求，又能在技术上得以实现。 但是， 在与厂方密切配合、 充分交流的 过程中 发现， 用户能够了解自己 所面临的问 题， 知道必须做什么， 但是 表达过于专业化， 设计者不能够完全理 解:而设计者知道怎么通过 软件编写程序实现用户的要求，但对特定用户的具体要求并不是完全清楚，因此，不仅要 在系统需求分析阶段， 甚至在系统的整个开发过程用户都必须与设计者充分交流，以 保证 用户需求是可实现的， 系统逻辑模型是合理可行的。 通过与柳州五菱联 合发展有限 公司车桥厂领导以 及设计人员进行广泛交流与深入探 讨，最终形成了完整、清晰、一致的系统需求: ( 1) 分析厂方所生 产的各种类型驱动桥的 结构形式， 选出 具有代表性的 微型车驱动 桥作为结构形式模板， 通过对这些驱动桥外形结构离散化处理， 建立驱动桥变量件图 形库。 根据驱动桥变量件图 形， 建立其变量件尺寸参数库， 并实现其数据库的浏 览、 增加、 删除、 修改。 (2) 在设计过程中 ，用户可根据需要添加、 删除驱动桥零件，同时实 现对驱动桥零 件的生 成、修改、添加、 浏览。 (3) 驱动桥零件的 变量化设计过程，即 在驱动桥变量件模型的基础上，根据变量化 设 计原理，生成该系列其它型号的驱动桥三维零件图 及二维工程图。 (4)分析 驱动桥装配体的装配信息模型， 实现驱动桥零部件的自 动装配，并对其进 行干涉校验。 ( 5 ) 根据厂 家要求， 能够实现对主减速器齿轮、 差速器齿轮强度的常规校核。 ( 6 ) 对驱动桥主要受 力件 ( 半轴、桥壳 等) 进行有限 元分析，把分析结果反馈到变 量化设计过程中，作为对设计结果进行修改的参考。 2 . 3系统预期实现目 标 通过与厂 方的多次探讨与协商，最终确定 驱动桥总体方 案自 动生成系统必须实现的 预 期目标包括 : ( 1) 建立针对微型车 驱动桥的初始模型变量 件库及各零部件尺寸数据库。 (2) 编写 数据库管理系统，使用户可以管理 驱动桥各零部件的具体信息。 (3) 用户可以按照设 计需求，在数据库中 添加新的驱动桥类型及零部件;由 驱动桥 的变量件模型对驱动 桥零 件进行变量化设计，生 成新的 驱动桥零件。 ( 4 ) 实现驱动桥零件的自 动装配，并在c a 刀 叭 系统环境下对其进行干涉检查。 ( 5) 可对驱动桥主要 受力 件进行强度校核 及有限 元分析，并把计算结果反 馈到 变量 南京理工大学硕士学位论文驱动桥总体方案自 动生成 系统研究 化设计过程中，作为对驱动桥零件尺寸进一步修改的参考。 (6)系统可输出设计好的零件三维图、总体装配图，也可以输出二维工程图。 2 . 4系统物理建模 2 . 4 . 1系统开发平台 建立一套软件系统必须 要考 虑系统应依附的平台， 本项研究的开发平台包括硬件平台 与软件平台。 硬件平台为: ( 1)微机要求主频1 66 阳2以 上; ( 2 ) 3 d 图形 加速卡; (3 ) 硬盘1 沉 以上; ( 4 )内存 5 1 纵 以上。 软件平台为: ( 1)操作系统: w 加 d o ws2 000/w 知 d o ws xp ; ( 2 ) 数据库: ms a 以 笼 5 5 2 0 0 3 ; 本系统是针 对驱动 桥设 计而开发的 辅助功能系统， 数据内 容只涉及到驱动桥各零部件 的 参数特征，数 据类型比 较简单， 所以 要求选择的数据库 简单易用。 m s a c c ess 加03是 微软公司推出的中小型网 络数据库服务系统， 其方便易 用的 图形界面和灵活稳定的 数据管 理，以 及强 大的安全处理 机制使其成为本系统数据库的必然 选择。 (3 )图形处理软件: c a t l a 集成软 件系统。 c a t i a 系统覆盖了 产品从概念设计到使用维护的 全过程， 是目 前最完善的 面向 虚拟产 品的设计系统。 c 八 t 认系统所具 有的高度集成化体系、 支持并行工程设计的系统结构、独 特的 装配设计和管 理、强 大的数据抽取功能以及易用的有限 元分析功能，使其在当 前众多 的三维软件行业中 处于不 败之地。 (4 ) 编程语言: 巧5 . 目b asic6. 。 ; 巧5 . al b as ic6. o 与 c a t i a 系统具有无缝接口，从而使 基于 c a t i a 系统的二次开发更加 便捷。 用v b 编程语言可以 实现直接创建对象来调用c 人 j 认系统， 并且c ati a 系统中的 宏命 令就是用v b s c ri pt 语言 编写。 2 . 4 . 2系统框架结构 系统的框架结构就是对系统的功能需求进行分析，然后对软件进行模块划分，确定各 模块的功能及模块间的 调用关系。一个合理的 模块划分，要 满足以 下原则: 南京理工大学硕士学 位论文驱动桥总体方案自 动生成系统研究 ( 1) 内 部联系强， 模块间尽可能 独立， 接口明 确、简单， 有适当的 共用性。 ( 2 ) 尽量使得模块的内聚度高、 模块间的 祸合 度低。 (3) 模块的大小 适中。 (4) 模块的调用深度不宜过大。 (5) 模块的扇入应尽t大，扇出不宜过大。 一个模块的扇入是指直接调用该模块的 上级模块的个数。一个模块的扇出是指该 模块直接调用的下级 模块的 个数。 扇入大表示 模 块的复用程度高，扇出 大表示模块的复杂 程度高。 (6) 尽量采 用单入口 和单出口 的 模块。 ( 7 ) 模块的作用域应在控制域内。 本系统共包含四大模块:驱动桥选型 模块、驱动桥设计模 块、 强度校核及有限元分 析 模块、辅助功能 模块。 这四大模块之间的 数据交换通过数据库技 术进行有效的互连。各 种 数 据表的建立是 这四大模块工作和运行的 基础， 是彼此协同 工作的纽带。首 先，驱动桥 选 型 模块对驱动 桥结构进行选型，然后进入 驱动 桥详细设计模块，对 驱动桥的主要零部件 进 行结构性能的 详细设计; 强度校核及有限 元分析模块是对设计好的驱 动桥零部件主要是 桥 壳 进行强度校核 及有限 元分析，并把分析结果反 馈到详细设计过程中， 使设计人员进一步 对零部 件进行 修改完普。 具体模块功能图如图2 . 1 所示。 南京理工大学硕士学位论文驭动桥总体方案自动生成系统研究 图 2. 1 驱动桥总体 方案自 动生成系统模块功能图 2 . 4 . 3界面布篮 用户界面的 设计是程序设计中的 一个重要环节， 是衡量软件系统易用性的一个重要指 标。 如果 用户界面不友好， 用户容易产生厌倦情绪，影响设计的工作效率，软件本身的 功 能 将得不到有效的发挥。因此，在界面设计时要满足一定的原则1.: ( 1) 界面设计的一致性。一致性原则就是软件所有界 面的总体风格包括布局、色彩 文字必须一致。 ( 2 )常用功能 操作的便捷性。常用操作的使用频率大，应该减少 操作序列的长度。 例如， 文件的常用操作如打开、存盘、 另存为等可设置快捷键。 使常用操作具有捷径，不 仅会提高 用户的工作效率， 还使得界面在功能实现上的简洁和高 效。 (3)较好的容 错能力。 系统能 够提供简单的错误处理能力，在操作出现错误时， 系 统能够检立即测出，并且提供简单和容易理 解的错误处理功能。 错误出 现后系统的 状况不 发生变化，或者系统提供错误恢复的 指导。 “)提供信息 反馈。对常用操作或简单的操作可不作反馈要求， 但是对不常用操作 l 2 南京理工大学硕士学位论文一驱动桥总体方案自动生成系统研究 数 据 流图 (data f 1 0 wdi叫 歹 aj . ，d f d ) 描述系统的数据流向，是 一种用来表示信息 流程 和信息变换过程的图 解方 法，它 把系统 看成是由 数据流联系的各种功能的组合， 它可以方 便地描述用数据流的流动 联系的 各种功能， 通过每种功能的 输入数据 瀚 出 结果， 进而表示 现有系统或待开发系统的 功能16) . 通常把软件系统看成一个整体，画出图2 .s所示的 输入输出 图，把输入输出图的各数 据处理模块详细分解成若 干个小 模块， 并用数 据流将这些模块连接起来，使得输入输出图 中的 输入数据流经一连串的 加工处理， 最终变换成输入输出图中的输出 数据流， 这样就形 成了 如图2. 6 所示的系统数据流图。 有限元分 析结果 图2.6系统数据流图 由图2. 6 可 知， 系统从外界接受的信息主要来自 驱动桥设计人员， 它包括: 选型参数， 驱动桥设 计原始参数，驱动桥的 主要受 力件强 度校核参数以 及有限元分析原始数据; 输出 的信息 主要给生 产或设计人员， 包括选型方案、驱动桥的各 零件三维零件图、二维工程图 以 及整体装配图、强度计算结果、有限 元分析结果以及其它一些信息。因为系统输出 模式 是 在c 八 t i a系统平台上给定的， 所以 必须把驱动 桥总体方案自 动生成 系统与c 冉 t i a紧密 接合， 因此在分析数 据流图时可将驱动桥总体 方案自 动生成系统与c a n a系统看成一体。 根据系统设计目 标以 及数据流图， 驱动桥总体方案自 动生成系 统可被 分解成五个数据 处理模块: 生成选型 方案、选中 符合方案的零件、变量件设计、生 成建模 接口 文件、生成 强度校核及有限元分 析结果。 五个数据处理模块主要功用阐 述如 下: ( 1) 生成选型方案。处理设计人员输入的选型参数，产生相应的选型方案。由于设 计人员的某些选型方案是不符合逻辑的或者此选型方案驱动桥总体方案自 动生成系统暂 l ， 南京理工大学硕士学位论 文驱动桥总体方案自动生成系统研究 不支持， 因 此输出 的选型方案有两种可能， 正确的 和不正确的: 若是正 确的则 进入下一步， 若不正确，则提示设计者出错信息. (2) 选中符合方案的零 件。在输入正 确的 选型方案之后， 根据选型方 案选中变量件 库中 所需的零 件，以 表的形式体现， 表中 每个变量件有一个 id 号。 选中 一个零件就在表 中作选中标志。 ( 3) 变量 化设 计。 变量化设计是整个系统 数据处理的核心部分。设计 者将输入所有 所需要的原 始参数，如发 动机最大扭矩、车轮滚动半 径、最 低档速比、 传递效率 等。 驱动 桥所有零件几何尺寸的计 算也在此加工生成，并 将其 写入到 参数表中。 (4)生成建模 接口 文件。c a i a系统按照设计参数， 生成建模接口 文件， 为以后驱 动桥主要受力 件的强 度校核以 及有限 元分 析提供变量化模型。 (5)生成强 度校核及有限元分析结果。驱动桥主要受力 件强度校核是由设计人员编 写程序， 按照常规的 强度校核模式进行， 用户直接输入参数可以 得到受力件的应力计算结 果， 无需 再进行繁重的 公式计算; 有限 元分析是由c 八 j l a 系统自 带的 有限元分析模块实现， 设计人员通过输入有限元分 析所需参数， 如材料属性、单元格类型、 载荷等，有限元接口 文件读出 这些数据的值以 后， 在 cat i 人系统的 gen e r a t i v es t r u c t u r a 1a n a l y s i s 模块中 对选中的驱动桥零件进行 有限 元分析，并把分析结果反馈到变量化设计过程， 作为对变量 化驱动桥零件设计结果修改的参考. 另外， 在生成所设计的 驱动桥零件图 时， c a n a系统需要读取变量件库中的变量件模 型保存位置，打开变 量件图 后， 利用尺寸参数库中对应的值对其进行尺寸驱动， 所以 驱动 桥变量件尺寸参 数库的 输出 将直接指向c 声 i i a系统， 驱动桥总 体方案自 动生 成系统不对变 量件尺寸参数库进行操作. 2 5 . 3系统程 序流程分析 根据以上 各数据处理模块的功用，系 统依次 按驱动桥选型、参数设计、 三维零件图 输 出、 强度计算、 主要受力件有限元分析、自 动装配及干涉校验的流程进 行。 在选型过程中， 系统对选型方案进行判断， 若选型方案不正确， 则给出 错误提示，并 返回到驱动桥选型模 块: 强度校核及主要受力 件有限 元分析模块分别对驱动桥主 要受力件 进行分析计算， 并把 结果反 馈到驱动桥零件的设 计过程中: 干涉校验模块通过对驱动桥装配体进行千涉校验， 得出合理的驱动 桥结 构形式。 系统具体流程如图2. 7 所示。 南京理工大学硕士学位论文驱动桥总体方案自动生成系统研究 图2 . 7系 统程序流程图 2 . 6系统研究的几个关键技术 所谓关键技术主要是指系统开发过程中影响系统性能以及开发过程中的重点与难点， 本项研究的关键技术包括 变量件库的建立及变量件中尺寸参数提取、装配信息模型的 建 立、数据库设 计以及系统的 集成技术。 2 . 6 . 1变量件库的建立及变量件中 尺寸参数的提取 变量件库的 建立主要分为变量件模型的建立以 及变量件参数库的建 立。 其中 变量件模 型的建立是建 立图形库的首要工作， 变量件模型的 好坏直接关系到后续工 作的 进展， 对以 后的装配约束， 有限元模型的建立起着至关重要的 作用。变量件模型是指那些几何尺寸改 变而几何约束关系变化很小的产品模型。 变量件模型常通过编制程序生 成以 及应用变量化 图形工具生成两种方法最具代表性。 ! 7 南京 理工大学硕士学位论文驱动桥总体方案自 动生成系统研究 ( 1) 通过编制程序来生 成变量件模型技术 编制程序生成模型技术就是指针对某一特定零件对象编制 专用的绘图程序， 利用 变量 件参数库中 提供的尺寸参数值和 c 冉 t ia 系统的图形计 算能 力， 通过变量化编程来实 现变 量件模型的 图形变量化， 达到自 动绘图 的目 的。 在编制变量件生成程序之前，要明确分析变量件模型的几何 特征，确定变量件模型的 生成方法。 对于图 形特征分 解之后， 根据c a n a提供的 造型功能 模块确定每个特征的生成 方法。 对于每 类特征的生成 方式， c 声 1 认有不同的接口函 数和参数形式。 在特征 分解并确 定特征生成方式以 后， 根据变量件的形状参数和形状的儿何约束关系， 编程确定 零件模型。 (2) 变量化图形工具生成技术 变量化图形工具生成技术是指直接利用c a t i a系 统所提供的 变量化造型功能， 交互建 立和管理每一类变量件的变量化模型。 具备变量化图 形工具的c 八 t i a系统中不 可缺少的 三 个主要功能模块分别为: 模型管理、 参数驱动和参数管理。 c 声 t i a系统在调用变 量件模型 时，应用变量件外形尺寸驱动变量化模型， 生成所需 零件。 其中 “ 模型管理” 和 “ 参数驱 动” 由 c 户 丁 i a系统平台 直接提供， 而 “ 参 数管理” c 八 丁 ia 软 件只提供部分支持， 针对实 际情况需要自 行开发。 通过两种典型方法的比 较，应用变量化图 形工具来建立零件资源方便高效， 变 量件库 的开发、使用、管理和维护都比较方便。因此，驱动桥总体方案自动生成系统采用图形变 量化工具生成技术。 变量件尺寸参数库的 建立是在变量件模型建立之后， 通过c 八 t i a软件自 身的 参数提 取 功能提取各变量件的参数信息， 并 存为e x c e l 格式。 由于e x c e l作为电 子表 格， 可以 与 acce ss直接关联， 从而把e x c e l 中保存的驱动桥各变量 件参 数信息转换为a 以 滩 55格式， 易于系 统调用处理。具体实现参照第三章。 2 . 6 . 2装配信息模型的建立 装配信息 模型的建立是驱动桥实现自 动装配的基 础。 一个好的 装配信息模型 主要包括 描述装配体中 各零部件实体以 及它们之