1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一.选题背景

题目：汽车CAD系统#8212;#8212;转向器计算校核模

CAD／CAM技术是随着计算机技术的发展而发展起来的，虽然这项技术的发展时间不长，但它的发展速度很快，而且广泛被机械行业所需求。目前它已经成为新一代生产技术的核心，被公认为提高制造业生产率和产品竞争力的关键。CAD／CAM系统在其形成和发展过程中，针对不同的应用领域、用户需求和技术环境，表现出不同的发展水平和构造模。本文根据设计对象的需要，对通用软件进行二次开发，将汽车零件的专业设计知识与软件功能紧密结合，研究开发具有一定通用性、自动化的计算机复制设计软件，有利于提高设计水平和缩短设计周期。而我的专业是汽车专业，可以就此课题加强自己的专业知识，提高自己对汽车转向器的认知，因此选此课题作为研究对象。

二.汽车的发展及现状

1.世界汽车的发展

国外的汽车引领着世界的汽车潮流，只有认识到不足才能更好地前进。

汽车的发展有一个漫长的历程，总的说来，汽车发展史可能分为蒸汽机发明前、蒸汽汽车的问世、大量流水生产汽车开始等三个阶段。

在1705年，纽可门首次发明了不依靠人和动物来作功而是靠机械来作功的实用化蒸汽机。这种蒸汽机用于驱动机械，便产生了划时代的第一次工业革命。随着蒸汽驱动的机械即汽车的诞生，人类社会中便拉开了永无休止的汽车发展的序幕。

1769年，法国人N.J.居纽(Cugnot)制造了世界上第一辆蒸汽驱动三轮汽车。到1804的年，脱威迪克(Trouithick)又设计并制造了一辆蒸汽汽车，这辆汽车还拉着十吨重的货物在铁路上行驶了15.7公里。

1831年，美国的哥德史沃奇.勒(ColdsworthyGur-ney)将一台蒸汽汽车投入运输，相距15公里格斯特夏和切罗腾哈姆之间便出现了有规律的运输服务，这台运输车走完全程约需45分钟。此后的三年内，伦敦街头也出现了蒸汽驱动公共汽车。

由于蒸汽汽车本身又笨又重，乘坐蒸汽汽车又热又脏，为了改进这种发动机，艾提力.雷诺(EtienceLenor)在1800年制造了一种与燃料在外部燃烧的蒸汽机(即外燃机)所不同的发动机，让燃料在发动机内部燃烧，人们后来称这类发动机为内燃机。

1876年康特.尼古扎.奥托(CountNicholasOtto)又发明了对进入汽缸的空气和汽油混合物先进行压缩，然后点火，提高了发动机效率。这种发动机具有进气、压缩、作功、排气四个行程，为了纪念奥托的发明，人们把这种循环改称为奥托循环。

1879年德国工程师卡尔.苯茨(KartBenz)，首次试验成功一台二冲程试验性发动机。1883年10月，他创立了”苯茨公司和莱茵煤气发动机厂”，1885年他在曼海姆制成了第一辆苯茨专利机动车，该车为三轮汽车。与此同时在1893年就与威廉.迈巴特合作制成了第一台高速汽油试验性发动机的德国人戴姆勒(Daimler)又在迈巴特的协助下，又于1886年在巴特坎施塔特制成了世界上第一辆”无马之车”。

由于上述原因，人们一般都把1886年作为汽车元年，也有些学者把卡尔.苯茨制成第一辆三轮汽车之年(1885)，视为汽车诞生年。苯茨和戴姆勒则被尊为汽车工业的鼻祖。这是汽车发展史上的第二件大事。

进入20世纪以后，汽车不再仅是欧洲人的天下了，特别是亨利.福特(HeneryFord)在1908年10月开始出售著名的”T”型车时，这种车产量增长惊人，短短19年，就生气1500辆。此间的1913年福特汽车公司还首次推出了流水装配线的大量作业方式，使汽车成本大跌，汽车价格低廉，不再仅仅是贵族和有钱人的豪华奢侈品了，它开始逐渐成为大众化的商品。也是此时开始，美国汽车便成为世界宠儿，福特公司也因此成为名副其实的汽车王国。所以，人们说，汽车发明于欧洲，但获得大发展那是在本世纪初30年代的美国。福特采用流水作业生产汽车，在汽车发展史上树起了第三块里程碑。

短短几年时间，汽车已经从一种实验性的发明转变为关联产业最广、工业技术波及效果最大的综合性工业。因此，汽车工业的发展不仅依赖于汽车行业本身的技术进步，而且也取决于汽车工业应用这些技术的投资能力和世界汽车市场的投放容量，两者相互影响并受到整个经济形势的发展，及人们对环境要求和能源及原材料供应、意外变化及国家政策等的影响。汽车、钢铁、建筑这三大工业曾被誉为”三大支柱”，而汽车工业更是美国工业骄傲的象征，长期以来，他们一直以研究豪华小汽车为主。但当1973年首次发生石油危机时，美国汽车工业便受到很大的冲击，而日本似乎对此早有察觉，他们大量研制生产的是小型节油汽车，结果终于在1980年把美国赶下了”汽车王国”的宝座，取而代之。

日本真可谓”后起之秀”，当历史进入20世纪，日本才出现第一部汽车，几年后日本人才开始研制汽车。但谁又能料到1925年才第一次出口汽车(向我国上海)的日本，60年后竟然出口汽车达6400万辆，登上了汽车王国的宝座。这件事引起了全世界的广泛关注，成为汽车发展史上一个特大新闻。当然美国也决不会就此罢休，到底鹿死谁手还很难预料。未来的汽车市场仍是世界市场中竞争最为激烈的市场。有人以美国汽车之王通用汽车公司为例，它平均每15分钟用于汽车生产的投资就高达180万美元，这真是令人惊讶的数字。因此，人们预料在将来，只有资金庞大的汽车公司才能有这样的投资能力，不过由于有政府等各界支持，未来汽车舞台也不是大公司唱独有戏，中小型汽车公司也会有很大的发展。

2中国汽车的发展

中国汽车工业发展进入新阶段中国汽车工业发展我认为大致可以分成三个阶段。

第一个阶段：中国汽车工业1953诞生到1978年改革开放前。初步奠定了汽车工业发展的基础。汽车产品从无到有。

第二个阶段，1978年到20世纪末。中国汽车工业获得了长足的发展，形成了完整的汽车工业体系。从载重汽车到轿车，开始全面发展。这一阶段是我国汽车工业由计划经济体制向市场经济体制转变的转型期。这一时期的特点是：商用汽车发展迅速，商用汽车产品系列逐步完整，生产能力逐步提高。具有了一定的自主开发能力。重型汽车、轻型汽车的不足得到改变。轿车生产奠定了基本格局和基础。我国汽车工业生产体系进一步得到完善。随着市场经济体制的建立，政府经济管理体制的改革，企业自主发展、自主经营，大企业集团对汽车工业发展的影响越来越大。汽车工业企业逐步摆脱了计划经济体制下存在的严重的行政管理的束缚。政府通过产业政策对汽车工业进行宏观管理。通过引进技术、合资经营，使中国汽车工业产品水平有了较大提高。摸索了对外合作、合资的经验。

而第三个阶段，在进入21世纪以后。中国汽车工业在中国加入WTO后，进入了一个市场规模、生产规模迅速扩大；全面融入世界汽车工业体。开始了迅速的发展之路。

三.CAD技术应用及发展

1.CAD系统的简介

CAD技术起步于50年代后期。进入60年代，随着在计算机屏幕上绘图变为可行而开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。此时CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。

在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非现在我们经常讨论的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发 展。早期应用较为广泛的是CADAM软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是 Autodesk公司的AutoCAD软件。在今天中国的CAD用户特别是初期CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。

2.CAD系统的优势

CAD三维机械设计有利于解决复杂的几何造型问题。它可以由简单几何实体通过布尔运算等功能组合出各种复杂的几何实体，并能自动生成相贯线和截交线，大大减轻了设计作量，缩短机械设计周期近1／3，大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零部件进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设计的效率提高了3．5倍。

使用三维CAD系统软件，可以在装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既方便又快捷，还可保证新零件与相邻零件的精确配合，避免了单独设计零件出现错误而导致装配的失败。比如可以在装配环境中根据箱体的形状及其他的配合要求快速准确地设计出所需要的箱盖来。零件环境中有查找器，在完成机械零件造型时，资源查找器同时列出了完成该零件的所有命令，点击这些命令就可以很清楚地了解完成该零件的每个步骤，并利用资源查找器中的零件回放把零件造型的全过程通过动画连续地演示出来，使人一目了然。修改零件时，也可以点击资源查找器中相对应的命令来完成，更方便地是在装配环境中也可以进行零境来完成零件的修改。

运用不同的装配关系可以把各个机械零件装配起来。在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确或发生干涉，查找器即予以显示，同时可对零件的装配进行静干涉的检查，如果发现干涉就可及时对零件等进行修改，以保证设计的正确性。另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件后，可清楚地看到内部的装配结构。在整个机器或某个部件装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，对于在静态下不发生干涉而在运动中出现碰撞的也可检验出来，从而及时对设计进行更改，保证设计的正确性，避免了机产品生产后才发现问题需要修改甚至报废。同时还可以进行运动仿真，能清楚地看到机器运动的全过程。直接在计算机上对设计出的零件进行虚拟加工和装配试验，检查零件加工工艺性和装配质量(有否干涉、松动等)，从而减少昂贵的产品试验模型费用。

由于机械产品与信息技术相融合，同时采用了CAD设计方法和CIMS组织生产，使机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法，如优化、有限元受力分析等，保证了产品的设计质量。同时，大型企业数控加工手段较完善，再采用CAD／CAPP／CAM进行机械零件加工，一致性很好，保证了产品的质量。三维机械设计不仅可以方便地描述对象的形状、大小和位置等几何特征，而且还可以赋予设计对象以颜色、纹理、体积、重心、惯性矩等多种信息，达到对设计对象几何形状确切的数学描述和工作状态的物理模拟，从而更充分、准确、全面、真实地表达设计者的意图。

3.CAD技术的发展趋势

人类已经步入知识经济和信息化的时代，随着世界自由贸易体制的不断完善，全球统一大市场的形成以及全球信息高速公路网络和交通运输体系的建立，制造业将得以借助全球互联网络、计算机通汛和多媒体技术实现全球或异地制造资源（知识、人才溃金、软件、设备等）的共享与互补。制造业、制造产品和制造技术走向国际化，制造自动化系统也进一步向网络化、全球化方向发展。基于因特网的全球制造将在不久的将来变成现实，敏捷制造企业和虚拟公司将应运而生，真正的虚拟制造系统和敏捷制造系统也在21世纪面世。

为了适应未来制造业的发展， CAD／CAM及其相关技术有了新的需求：

1）集成化 更强调技术、人和管理的集成。在开发制造系统时强调”多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成、资源集成、过程集成、技术集成及人员集成。

2）智能化 应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、发货、支持用户到产品报废回收等）各个环节的智能化，实现生产过程包括组织、管理、计划、调度、控制等）各个环节的智能化，也要实现人与制造系统的融合及人的智能的充分发挥。

3）网络化 网络技术包括硬件与软件的实现。各种通讯协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等是实现各种制造系统自动化的基础。

4）分布式并行处理技术 分布式并行处理技术实现制造系统中各种问题的协同求解、获得系统的全局最优解，实现系统的最优决策。

5）多学科、多功能综合产品开发技术 机电产品的开发设计不仅涉及到机械科学的理论与知识（力学、材料、工艺等），而且还涉及到电磁学、光学、控制理论等。不仅要考虑技术因素，还必须考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。

6）虚拟现实技术 利用虚拟现实技术多媒体技术及计算机仿真技术，实现产品设计制造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真。

7）人一机一环境系统技术 将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益：研究的重点是：人机环境的体系结构及集成技术、人在系统中的作用及发挥、人机柔性交互技术、人机智能接口技术、清洁制造等

四.汽车CAD系统的发展现状

当今CAD系统的几个实例

1.基于参数化特征建模的汽车转向器CAD系统

转向器是汽车的重要部件，汽车转向器性能的好坏与转向器的机构和性能直接有关。随着中国加入WTO和科技的飞速进步，汽车零部件制造业为适应瞬息万变的市场需求，就必须采用先进的信息技术提升传统制造业，以信息化带动企业的现代化，实现技术的跨越式发展。目前，汽车零部件行业市场竞争激烈。这为汽车零部件制造业带来了市场竞争压力，但同时也带来了机遇。

根据转向器结构特点，用基于参数化特征建模的CAD技术开发了系统开发环境，参数化特征图库，设计模块，校核模块，绘图模块五部分，实现获得专门CAD软件的二次开发方法及实现途径，建立和开发专用CAD软件#8212;EPS系统辅助设计系统，建立标准件和通用件的参数化库，建立各种绘图及标准库并实现3D图形向2D图形的转换，针对设计对象建立设计过程程序等目标。

采用基于参数化特征建模方法开发了汽车转向器CAD系统，并在转向器厂投入实际使用，系统自动化程度高，对工作效率有显著提高，输出的图形规范、标准，系统采用模块化，系统自动化程度高，便于维护；研制系统的基本原理和方法具有普遍的意义，系统所包含的基本几何图形库具有较强的通用性和实用性。特征建模包含完备信息，特别是工艺加工信息，为与CAPP/CAM集成打下良好基础。

2.基于Pro/E的离合器参数化CAD系统

传统产品设计往往首先依靠工程师的经验，设计出一个方案，试制后检验，如果性能达不到要求，就根据试验结果修改设计。这样循环多次，产品才能定型，周期很长。对于离合器这样结构较为复杂的部件来说，开发周期往往长达一至两年。近年来，市场竞争的压力使得先进的企业开始寻求采用基于知识的参数化设计技术，以及数值模拟的手段代替原来的”试错”方法，以期缩短产品研发周期。

而这套基于Pro/E的离合器参数化CAD系统，可以充分利用VC 6.0编程平台的优点，编写应用程序界面，实现智能设计。采用Pro/Toolkit异步模式，设计员不需与Pro/E软件的交互操作。软件开发采用面向对象的思想。

这套系统具有以下特性：

1）友好性：这系统界面友好，提供按钮、菜单、快捷键等多种手段，让用户实现傻瓜式操作。

2）可扩展性：这参数设计系统中的零件可以随时增加，不需要修改程序，只需要在数据库中增加相应的记录和制作想要图片以及模板文件，工作量小。系统不仅仅适用于离合器设计系统，也可以在不修改程序的基础上扩展应用于其他机构的设计。

3）健壮性：系统允许用户在多个环节出错，对错误操作做相应的处理，不对用户的操作系统构成致命威胁，不造成用户其他软件非正常运行。

4）智能性：当令箭相互之间的尺寸存在一定关系式，输入其中一个尺寸，系统能相互提醒输入另一个尺寸的范围或者数值，减少用户输入错误或者由于粗心大意造成的设计失误。

3.自卸汽车CAD系统

自卸汽车经过多年的开发应用，已形成了成熟的设计方法。现阶段对自卸车的研制大多是针对不同用户需求的变形产品开发或针对某些产品因素改变而进行的适应性设计。这些设计都是以原有的成熟产品为基础，采用基本相同的设计流程及结构方案，然后按照功能需求的变化对具体结构进行调整，以产生适应性的变形产品。

4.基于AutoCAD二次开发后的齿轮刀具CAD系统

齿轮刀具CAD系统主要由两部分组成，即为Visual FoxPro 和AutoCAD部分。（1）Visual FoxPro部分。主要负责齿轮刀具数据的录入、保存、修改、查询、输出等工作，为AutoCAD提供数据支持。（2）AutoCAD部分。主要理由AutoLISP语言，读取Visual FoxPro提供的数据，并用于自动画图，生成所需的工程图及进行各项标注，然后输出，保存。这样就完成了自动查找齿轮刀具数据，自动绘图的功能，这也是齿轮刀具CAD系统的特点。

这系统有两点优点：

1）这系统注重工程应用，将可见的设计计算与辅助绘图集成在同一的环境中，从而实现了设计与绘图一体化，明显提高了产品的设计效率。、

2）开放性好。这系统模块化结构，从而使用户可以扩展CAD系统，例如加入新的零件类而不会影响其他模块的运行和工作，这使用户可在CAE的基础上做进一步的开发工作。

五.汽车转向器

汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，转向轮往往也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向，这一套用来改变或保持汽车行驶方向的机构称为汽车转向系统。

汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统。借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。

汽车转向器的基本类型:

1.机械式转向器：汽车的转向运动由驾驶员操纵方向盘，通过转向器的机械运动实现汽车的转向。特点：转向原动力由驾驶员提供，驾驶员劳动强度大。

2.液压转向器：在机械转向系统基础上增加了液压助力系统。特点：转向由液压助力系统提供，减轻驾驶员劳动强度。工作原理：中立状态从油泵送过来的油经换向阀流回油箱,此时转向器左右的油压相等。

图1 图2

向左打方向时:换向阀的孔就会向左打开,从油泵送过来的油通过这个孔经过油管B进入转向器右侧油腔,推动活塞向左运动,左腔油室的油经过油管A进入换向阀返回油箱,完成向左转向。

图3

路面反力小時，路面反力小時、输入轴和换向阀之间的油路是左右均等在中立位置的状态。这时、各油路均等的全都打开着，因此、从油泵的进油圧力在输入轴内部的回路经过旁路返回储油罐。因此、油缸左右的油圧很小而且均等、路面反力小时或者高速走行或者直進時转向辅助量很小。

图4

3：电动转向器：在机械转向系统基础上增加了电动助力系统；特点：转向由电动助力系统提供，减轻驾驶员劳动强度，并能根据各种行驶工况提供最佳助力，提高汽车的主动安全性。代表转向器的未来发展前景。

而在汽车中，转向器功用是增大转向盘传到转向节的力，并改变力的传递方向。转向器是转向系的减速传动装置,一般有1#8212;2级减速传动副。汽车上广泛采用的有齿轮齿条式、循环球式、循环球曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式等几种结构形式。

转向器包括齿轮齿条式转向器，循环球式转向器，蜗杆曲柄指销式转向器等等。下面简介下齿轮齿条式转向器：由于齿轮齿条式转向器具有结构简单，紧凑，质量轻，刚性大，转向灵敏，制造容易，成本低，正逆效率都高以及便于布置等优点，而且特别适合于烛式和麦弗逊式悬架配用，因此目前在轿车和微型，轻型货车上得到了广泛应用。

齿轮齿条式转向器的结构

其结构图如下：

图5齿轮齿条式转向器

1#8212;转向齿轮 2#8212;转向齿条 3#8212;弹簧 4#8212;调整螺钉 5#8212;锁紧螺钉

6#8212;压块 7#8212;防尘罩 8#8212;油封 9#8212;轴承 10#8212;壳体

工作原理：当转动转向盘时,转向齿轮转动, 转向齿条沿轴向移动，在转向齿条的中部用螺栓与转向拉杆的托架联接，转向左、右横拉杆的外端与转向节臂相连，左、右横拉杆带动左右转向节转动，使转向轮偏转，以实现汽车转向。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

我毕业设计的任务是设计 ”汽车cad系统#8212;转向器计算校核模块”,我打算采用visual basic 6.0和autocad 2004集成的系统开发环境，以visual basic语言为编程工具, 把it行业当今最流行的数据库、图形集成、显示技术同国内外现有的汽车设计规范、设计方法及计算公式相结合,来设计制作这个课题,在设计制作计算模块的过程中我会参考各种所需的参数、结构等,也会参考各种流行的计算机cad模块的设计思路和方法进行设计。