摩托车设计介绍(教程)-(摩托车_动画)

1 结构分析

1.1 摩托车结构分析
1.1.1 摩托车结构层次
在拆装过程仿真系统设计之前必须了解摩托车的结构层次，摩托车系统主要是由制动、传动、悬挂系统等部件组成，如图1.1所示，只有清楚了解这些组成部分后才可以合理的分析各零部件的作用，设计出让学生一目了然的教学软件[3]。

1、制动系统
摩托车的制动系统包括前刹车，后刹车两个重要的部分，紧急情况下要通过制动系统来制止摩托车向前开行，后刹车的主要的制动，前刹车是辅助。一般情况下都是采取后刹车方式，只有在摩托车很慢时才单独。现在摩托车上的制动系统一般都采用比较流行的ABS防抱死系统。

2、传动系统
摩托车的发动机是其的动力源，发动机是摩托车唯一的运动源，摩托车的发动机的组成如图1.2所示。

图1.2 发动机的组成

发动机结构复杂，组件繁多，为了便于学生认识零件，增加对柴油机的感性认识，可以使用三维软件制作三维立体图来模拟一部分零部件如图3-3所示，建立零件库。由于 柴 油 机中的一些机构的工作过程、工作原理在现实中都难以观察到，这对学生正确的理解和掌握相关知识有很大的障碍。
因此，教学软件中对相关过程、原理使用计算机模拟出来;例如四冲程柴油机的工作原理，通过图1.3演示，学生就能更清楚地观察到四冲程柴油机进气、压缩、作功以及排气全过程，同时还能观察到进、排气气门开启、关闭的时机、重叠的角度等方面知识，既形象生动易理解，也便于记忆[2]。

还可以对教学中用到的VCD,录像带上有关内容通过视频剪切成相应的片段，并进行程序控制实时播放。它的配关系三维动画如图1.4所示[2]。

3、悬挂系统
摩托车悬挂装置包括车架与车轮(轴)之间的所有零部件一般由弹J性元件、阻尼元件和导向转向机构组成。悬挂装置对摩托车行驶的平顺性、操纵稳定性、乘骑舒适性有很大影响。悬挂装置的选择主要考虑以下几方面:
（1）使摩托车的固有频率接近人所习惯的1.0--1.3HZ范围，保证摩托车具有良好的行驶平顺性和乘坐舒适性。
（2）具备适当的刚度，保持前后车轮方向的一致性及整车驾驶平顺性所必须的车体尺寸，抑制车辆跳动，改善轮胎对路面的接地性。
（3）具有抗“前倾”和“后倾”能力，提高行驶的平顺性[2]。

1.1.2
摩托车传动链
因为发动机和摩托车后轮之间的距离相对比较远且要保持固定的传动比，相互对比各种传动机构后，选择链轮来传动。摩托车的传动链是由发动机经过链轮传动副传至摩托车的后轮上，其中链传动副的变速（减速传动）[3] [4]。其传动原理图如图1.5所示。

1.2 摩托车结构简化

完整的模型包括了摩托车整车的所有零件，所以零件数目非常多。如果使用全部零件建立虚拟样机模型，这个虚拟样机模型将会非常大，仿真的时间很冗长，根本没有必要。本课题只需要得到主要构件的运动学与动力学关系，没有必要知道每一个零件之间的结构关系。另外，构造一个虚拟样机模型有着很重要的一点准则，就是模型尽可能的简单，把想要了解构件的动力学模型建造出来，其它构件尽量简单化。所以，要将摩托车三维模型进行必要简化。

摩托车模型简化原则是：以车架为主体，主要考虑前后轮、油箱、发动机主要构件、前后减震器、后货架的参数，其它零构件仅考虑将质量附加在车架上，其它因素忽略。对于油箱和发动机两个构件，其三维造型太复杂，所以在UG 中，用一个四方体模型来代替，但是保持了油箱和发动机的质量、转动惯量、质心位置等重要信息。一般摩托车都有后货架，也用简单的四方体模型来代替。简化后的摩托车模型结构简单面不失真，主要构件有前轮、后轮、前减震器、后减振器、后平叉、车架、车把、发动机、油箱、后货架。

1.3 摩托车整车布置的特点

整车布置的主要工作是选择并调用各总成图形，在摩托车整车图中生成三维图形文件。由于摩托车是由许多零部件组成的，摩托车的性能好坏、外形、重量、生产成本如何不仅取决于各零部件的性能好坏、外形、重量、生产成本，而且还取决于各零部件的布置协调[2]。因此，摩托车的整车布置是一项十分重要的工作。要十分重视整车的布置，其各部件的布置如图1.6所示[5]

摩托车整车布置主要包括以下内容:

1、 发动机的布置。摩托车各总成的布置一般从发动机总成开始。对应于不同的车架，发动机一般分前置式、中置式和后置式三种。根据车架的不同结构形式，布置发动机的定位点也不同:摇篮式车架一般需三点定位，发动机完全在车架内;脊梁式车架以悬挂的方式将发动机装于脊梁下部，一般设计成2-3点定位;单管式车架和坐式摩托车车架将发动机、后摇臂、驱动装置及后轮轴组合成一个刚体，发动机与车架仅仅需要一点定位。如图1.7所示。

2、 后轮组合的布置。后轮组合包括后摇臂、后减震器、后轮传动、后轮和后制动器等。这些总成随后摇臂的摆动而摆动，因此在布置时要注意按最大摆角确定外廓轮迹，以留出足够的空间。

3、前轮组合的布置。前轮组合包括前轮、前制动器及前悬挂等。前轮和前制动都安装在减震器上，其位置关系主要由减震器的类型、尺寸等参数决定。

4、油箱和坐垫的布置。在跨式摩托车上，油箱处于前后衔接的位置，布置时需注重其造型。坐垫的高度主要考虑到乘员在行驶中的姿势，应以乘骑舒适为主要目标。

2 零件设计

将结构分析后各个零件用相应的软件建模完成为拆装过程仿真所需的运动体，必将所有的结构零件用机械设计软件对其辅助设计CAD，本次毕业设计采用的机械设计软件是UG NX4.0
2.1 UG的概述

UG软件是美国开发的当今世界上应用最广泛之一最具有权威的机械CAD/CAE/CAM的软件，其功能强大，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线[6]。

工程师、设计人员利用UG软件能够建模、装配各拆装仿真，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。它的操作界面如图2.1所示

2.2 设计原则

1、参数化

设计参数化是CAD系统十几年来所追求的目标，参数化设计能够极大地提高机械设计效率，通过尺寸驱动，既能直观准确建模，又能随时对设计对象加以更改。如图2.2所示摩托车头部分箭头所曲状扶手管，

它是由图 4.3 所示那的两段线串按UG NX4.0r的沿导线扫掠操作所得，其中圆是剖面线串，曲线串是引导线串；如果要改变这个曲状扶手管的形状用光标双击该曲线，编辑后这个曲状扶手管也随之改变；如人要改变曲状扶手管的直径，就双击图2.3中左边的圆再编辑。[7]

2、最简化

因为完整的模型包括了摩托车整车的所有零件，所以零件数目非常多。如果使用全部零件建立虚拟样机模型，这个虚拟样机模型将会非常大，仿真的时间很冗长，根本没有必要。也有的部件一般不能简化如图2.4所示

本课题只需要得到主要构件的运动学与动力学关系，没有必要知道每一个零件之间的结构关系。另外，构造一个虚拟样机模型有着很重要的一点准则，就是模型尽可能的简单，把想要了解构件的动力学模型建造出来，其它构件尽量简单化。所以，要将摩托车三维模型进行必要简化。

2.3 设计方法

1、从下到上

从下到上是先设计摩托车的所有的零件，然后再装配，对不符合要求的零件再进行修改。这种方法简单，但设计出来的零件不能一次符合要求。

2、从上到下

从上到下就是先从整车考虑，进行空间网格划分，每一个零件部件在个个空间上占用的体积，这种方法比前者复杂，但后面装配就不用边装配修改[8]。

3 装配与渲染

3.1 装配

3.1.1
装配概述

UG 装配过程是在装配中建立部件之间的链接关系。它是通过关联条件在部件间建立约束来确定部件之间的位置。UG 装配中的零件在装配中的零件在装配中是被引用，而不是复制到装配体中，各级装配文件仅保存该级的装配信息，不保存其子装配及其装配零件的模型信息。不管如何编辑部件在何处编辑部件。整个装配部件保持关联性，如果某部件修改，则引用它的装配自动更新，反映部件的最新变化。图3.1所示是装配工具栏。[8]

3.1.2装配类型

装配类型用于确定装配中的约束关系，UG中有多种装配类型：

1、装配

该装配类型定位两个同类对象相一致。对于平面对象，用装配约束它们共面且法线方向相反，其创建过程如下：

在[装配条件]对话框中单击如图5-1中的[配对组件]按钮，首先选择图5.2所示的平面左边橙红色的平面，再选择右边橙红色的平面，这是系统将在视图区中显示该约束的自由度，按[确定]组件沿两个平面法线方向的平移运动被约束如图3.3所示，这两个面生命，而其他的均自由。对于圆锥面，系统首先先检查其角度是否相等，则对齐其轴线，其创建过程与平面对象装配约束的创建过程相同[8]。

2、对齐

该装配类型对齐相关对象。当对齐平面时，使两个珍面共面且法线方向相同；当对齐图柱、圆锥和圆环面等对称实体时，是使其轴线相一致；当对齐边缘和线时，是使两者共线。

3、角度

该装配类型是在两个对象间定义角度尺寸，用于约束装配组件到正确的方位上。角度约束可以在两个具有方向矢量的对象间产生，角度是两个方向矢量的夹角，这种约束允许关联不同类型的对象。

角度约束有两种类型：二维角度和三维角度。二维角度约束需要一根转轴，两个对象的方向矢量与其垂直。

4、平行

该装配类型约束两个对象的方向矢量彼此平行。

5、垂直

该装配类型约束两个对象的方向矢量彼此垂直

6、中心

该装配类型约束两个对象中心，使其中心对齐，也称为同轴约束。如图3.4 螺栓与螺母。

7、距离

该装配类型约束用于指定两个相关联对象间的最小三维距离，距离可以是正值也可以是负值，正负号确定相关对象是在目标的哪一边。

8、相切

该装配类型约束两个对象相切。

3.1.3
部件的约束状态

每一个对象都有6个自由度，分另是沿x-y平面的移到、沿y-z平面的移动、沿x-z平面的移动和绕xyz三轴的转动。部件可分为三种状态[8]：

1、完成约束状态

完成约束状态是指部件的6个自由度都被约束了。

2、非约束状态

非约束状态是指部件没有一个自由度被约束到，可沿x-y平面的移到、沿y-z平面的移动、沿x-z平面的移动和绕xyz三轴的转动。

3、部分约束状态

部分约束状态是指完成约束状态和非约束状态以外的状态。

3.1.4
综述

在这套拆装过程仿真中，是介绍摩托车的模拟拆装过程的拆装过程仿真，所有设计好的零件装配成一辆有机的机器，这样才可以进行接下来的工作。所有的运动分析和拆装模拟都是在这个有机体上操作的，也只有在装配时才能发现各零件之间的关系，才能证明各个零件的尺寸是否合理，如果合理就让其通过，否则就要找出不合理的原因，回到UG NX4.0的CAD模块对零件的尺寸进行修改，这是一项比较繁琐的工作，也是软件设计的关键步骤。因此在装配摩托车时一定要细心，及时发现问题即时解决。

3.2 三维渲染

渲染就是对零部件加以着色，和改变背景，使可视化效果更真实。在没有渲染前所有的零件都是一种单一的颜色，色素单调视觉效果好差；通过渲染不同的零件或部件采用不同的色素或同一个零件的不同部分涂上不同的颜色，美观且具有引诱力。三维渲染包括[9]：

3.2.1
材料与纹理设置

材料与纹理调色板是用来设计在部件在内将材料和纹理付给几何，同时也能对此进行编辑。材料与纹理界面包括以下几个方面：

1、可以进入材料和纹理功能的资源条

2、材料和纹理档案库功能

3、用于材料和纹理的材料编辑器

UG的材料库非常强大,主要分为如图3.5所示的这几大类，每一个类都有上千种材料和纹理，同时出可以根据用户的需要定义相应的材料和纹理。

3.2.2
视觉效果

对场景进行设置的最后一个步骤是增加视觉效果，例如前景、背景以及特殊的光学效果。[9]

如图3.6所示为应用背景的一个渲染实例。

摩托车整车!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

好教程，，，，希望都发出来，，，

4 三维动画

三维动画是最了目了然的输出，随着计算机图形学和硬件技术的高速发展，我们己经可以用计算机生成高质量的图像来丰富我们拆装过程仿真。

4. 1 计算机动画技术

4.1.1
计算机动画的定义

简单地讲 ，计算机动画是指用绘制程序生成一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧的部分修改。动画是运动中的艺术，运动是动画的要素.当然这里所讲的运动不仅指物理学的运动，还包括虚拟摄像机的运动，纹理、色彩的变化等。所以，计算机动画中的运动泛指使画面发生改变的动作。这里所指的三维计算机动画，而非传统的卡通动画，计算机动画所生成的是一个虚拟的世界，画面中的物体并不需真正去构建，物体、虚拟摄像机的运动也不会受到计算机的限制，动画师几乎可以随心所欲地编织他的虚拟世界。

4.1.2
计算机动画的方法

从计算机图形学的角度出发，计算机动画的分类方法很多，这里将从关键帧的动画、变形物体的动画、过程动画、关节动画和人体动画、基于物理的动画等几个方面对计算机动画作一个较全面的论述[10]。

1、关键帧动画

关键帧动画是动画设计师常用的设计动画的方法，熟练的动画设计师设计关键画面，也即所谓的关键帧，然后一般的动画画面由计算机自动生成，在三维计算机动画中，中间帧的生成由计算机来完成，所用的方法为插值。图4.1所示是UG中动画帧的定义对话框[10]。

所有影响画面图像的参数都可成为关键帧的参数，如位置、旋转角、纹理的参数等。关键帧技术是计算机动画中最基本并且应用最广泛的方法。另外一种方法是样条驱动动画，在这种方法中，用户指定物体运动的轨迹，求物体在某一帧的位置。选择物体运动的轨迹一般由参数样条来表示。从原理上讲关键帧插值问题可归结为参数插值问题，传统的插值方法都可应用到关键帧方法中。为了很好地解决插值过程中的时间控制问题，UG等提出了用双插值的方法来控制运动参数。

2、变形物体的动画

一般的刚体动画，虽然也能给人带来眼花缭乱的效果，但总是缺乏生气。变形物体的动画能以形状变形来渲染某些夸张的效果，大部分变形方法与物体的表示有密切的关系，如通过移动物体的顶点或控制顶点来对物体进行变形，对于多边形表示的物体，物体的变形可通过移动其多边形顶点来达到.但是多边形的顶点以某种内在的关系相关，不恰当的移动很容易导致三维走样问题。

3、过程动画

过程动画指的是用一个过程去控制物体的动画。过程动画经常牵涉到选择体的变形。在过程动画中，物体的变形则基于一定的数学模型或物理模型。

4. 2 拆装过程仿真动画的制作

4.2.1
概述

拆装过程仿真动画的制作主要是依赖UG NX4.0中的运动仿真（CAE）模块来制作的动画。运动仿真模块是CAE应用软件，用于建立运动机构模型，分析其运动规律。运动仿真模块自动复制主模型的装配文件，并建立一系列不同的运动仿真。每一个运动仿真均可独立修改，而不影响装配主模型，一旦完成优化设计方案，就可直接更新装配主模型，以反映优化设计的结果。

4.2.2
拆装过程仿真动画的制作过程

可以认为机构是一组连接在一起运动的连杆的集合，UG可用下面3步产生一个运动仿真：

1、创建连杆

UG可在运动机构中创建代表运动件的连杆，可以是一个零件，也可以是一个部件图4.2所示是连杆的定义[10]。

2、创建运动付

UG可创建约束连杆运动的运动付。在某些情况下，可同时创建其他的运动约束特征，如弹簧、阻尼、弹性衬套各接触[11]。图4.3所示是创建运动付的对话框

3、定义运动驱动

运动驱动使机构产生运动。每个运动付可包含5种可能的运动驱动中的一种：无运动驱动、运动函数、恒定驱动、简谐运动驱动和关节运动驱动。因为在这次拆装过程仿真设计中涉及到的是摩托车拆装过程所以用的最多的是运动函数，特别是step语句。如图4.4所示

4.3 动画的导出

UG也有动画的导出，但是导出来效果不好，所以在制作了模拟摩托车工作过程、工作原理和各部件的拆卸和装配过程的三维动画时；运用录屏专家软件的功能录屏导出摩托车拆装过程的所有动画。

做设计最主要的是设计思想,这些软件只是一种工具!

全部的教程,做得好你跟大家说,做得不好跟我说,哈哈!

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