碳纖維競(jìng)速躺車制作工藝流程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

馬麗娜 何天超 盛旭輝 陳貴江

摘要：在傳統(tǒng)個(gè)人DIY躺車的過程中，對(duì)于車架的制作，大部分使用泡沫內(nèi)模具工藝，精度不高且可靠性較差，同時(shí)，在躺車的騎行過程中，過彎速度較低會(huì)容易側(cè)傾，由于躺椅角度設(shè)置帶來的視野較窄等問題也困擾大部分設(shè)計(jì)者。為此，依據(jù)目前趟車所出現(xiàn)的問題，團(tuán)隊(duì)從穩(wěn)定性和安全性等方面創(chuàng)新設(shè)計(jì)出碳纖維競(jìng)速躺車并制造，對(duì)于無法用機(jī)械補(bǔ)足的部分，團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了一整套電子輔助系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：躺車；碳纖維；真空；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G718 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9129（2018）07-0121-01

Absrtact： in the process of the traditional personal DIY lie down car， most of the car frame making， using foam inside the mould process， the accuracy is not high and the reliability is not good. At the same time， in the ride of the lie down car， the low bend speed will be easy to lean forward， because of the angle setting of the lounge chair caused by the narrow vision also most of the designers. To this end， according to the current problems of the bus， the team innovated the design and manufacture of carbon fiber racing lie-in from the aspects of stability and safety. For the parts that can not be supplemented by machinery， the team developed an electronic auxiliary system.

Key words： lie down car； Carbon fibre； Vacuum； design

近年來，隨著運(yùn)動(dòng)自行車在中國(guó)的蓬勃發(fā)展，相對(duì)于傳統(tǒng)的競(jìng)速公路車，躺車特有的環(huán)保性、舒適性及對(duì)騎行者脊椎的健康性和保護(hù)性逐漸突出。越來越多的競(jìng)速型騎行愛好者選擇了躺車作為其追求速度、挑戰(zhàn)自我的工具。同時(shí)，因?yàn)樘绍嚨母呤孢m性及相較于傳統(tǒng)公路車更高的補(bǔ)給搭載能力，使得躺車更能勝任200～300km的中短途高速騎行或訓(xùn)練任務(wù)。

但由于躺車的高度較低，坐姿極為躺平，過彎速度≤10km/h時(shí)易發(fā)生側(cè)傾，上坡時(shí)需要使用較大的力量進(jìn)行蹬踏。對(duì)于這類固有缺陷，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了各方面研究和討論，最終進(jìn)行了新一代躺車的設(shè)計(jì)與制造。

1 創(chuàng)新躺車設(shè)計(jì)制作流程

1.1 3D打印輔助設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)流程區(qū)別于傳統(tǒng)躺車制作所采用的泡沫熱切割法制作的內(nèi)模具，或設(shè)計(jì)及成型后cnc加工金屬鋼模。考慮到精度重量及加工成本，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套切實(shí)有效且成本低廉的方案——采用UG-SolidWorks聯(lián)合建模，3d打印技術(shù)制作車體模具，將其精準(zhǔn)度控制在0.02mm以內(nèi)。

1.2 3D打印模具玻璃鋼翻模

經(jīng)過實(shí)際檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)整體效果尚可，但表面效果沒有達(dá)到預(yù)期，后叉三角處存在設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。同時(shí)最關(guān)鍵的問題是由于模具本身表面的精度問題，脫模過程中非常困難，最終不得不使用破壞模具的方法強(qiáng)制脫出。對(duì)此團(tuán)隊(duì)商討出兩種方案，一是在模具表面完全鋪上膩?zhàn)哟蚱?，二是在模具表面鋪上一層玻璃鋼，再輔以模具膠衣，讓模具脫模變得容易。

在整體實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，完整的鋪平膩?zhàn)訒?huì)產(chǎn)生角落處無法利用工具快速打磨的問題，對(duì)于后叉與車架連接的折角，只能使用海綿砂紙一點(diǎn)點(diǎn)手工修平，對(duì)于1.5m長(zhǎng)的一體化模具，效率太低。鋪玻璃鋼方案又會(huì)在細(xì)節(jié)處損失精度，若使用真空袋強(qiáng)制吸附，則會(huì)產(chǎn)生褶皺處樹脂堆積問題。

在打印完成車架內(nèi)模具后，利用積木制作出模具槽，石膏澆底，在與車架接觸5mm處開始使用環(huán)氧樹脂澆筑，利用環(huán)氧樹脂低收縮率及低變形量，使車架翻模保持精度極高。車架內(nèi)模具脫模后，經(jīng)檢測(cè)，模具精度控制在0.2mm內(nèi)，表面輔以膠衣后可供翻模20次以上。在經(jīng)過團(tuán)隊(duì)三年內(nèi)不斷的的實(shí)驗(yàn)和修改，目前制作出第三代躺車HTC design Mark3。

2 智能躺車輔助系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與開發(fā)

根據(jù)調(diào)查了解到目前市面上的躺車能使用的輔助系統(tǒng)均來自與傳統(tǒng)的自行車用系統(tǒng)，專為躺車進(jìn)行開發(fā)，滿足躺車使用需求的產(chǎn)品幾乎為0，因此在新一代躺車框架下，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一整套躺車用智能輔助系統(tǒng)，由樹莓派主機(jī)進(jìn)行控制運(yùn)算，并采用市面上成熟可靠的傳感探測(cè)系統(tǒng)，使研發(fā)成本大幅下降，系統(tǒng)可靠性、耐用性大幅上升。其主要功能如下：

2.1 躺車用HUD抬頭顯示系統(tǒng)

為了解決躺車視線易受大尺寸碼表干擾，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了躺車用HUD抬頭顯示系統(tǒng)，來顯示本系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)，利用磁吸感應(yīng)加GPS復(fù)合測(cè)速定位系統(tǒng)使抗干擾能力更強(qiáng)，數(shù)據(jù)顯示更加精準(zhǔn)。

2.2 副翼自穩(wěn)調(diào)平系統(tǒng)

由于躺車為獲得最大化的氣動(dòng)效果，在車體整體布置了大型導(dǎo)流罩，大側(cè)風(fēng)時(shí)易受風(fēng)切影響，因此設(shè)計(jì)出躺車專用的防側(cè)傾系統(tǒng)，利用六軸陀螺儀檢測(cè)車輛側(cè)傾的數(shù)據(jù)，在車輛發(fā)生側(cè)傾時(shí)平衡儀發(fā)出修正信號(hào)，從而舵機(jī)控制副翼的方向及時(shí)修正車身。

2.3 躺車用全車燈光控制系統(tǒng)

道路預(yù)照明系統(tǒng)，在拐彎時(shí)利用GPS定位系統(tǒng)檢測(cè)前方路段路況--道路的照明情況及曲率變化，利用舵機(jī)控制光源旋轉(zhuǎn)將其前方道路照明。另外利用六軸陀螺儀和手動(dòng)開關(guān)控制整體車身的大燈，轉(zhuǎn)向燈和剎車燈。

2.4 緊湊型多功能躺車車把

此次新一代躺車設(shè)計(jì)全新的躺車手把，使手把的結(jié)構(gòu)更加緊湊，拐彎騎行時(shí)不會(huì)影響到腿部膝蓋的運(yùn)動(dòng)，從而使躺車運(yùn)動(dòng)范圍更大，行駛時(shí)身體協(xié)調(diào)更加靈活。同時(shí)全車的機(jī)械及電子部分走線均可隱藏，使外觀更為簡(jiǎn)潔。

隨著對(duì)躺車研究的不斷深入，團(tuán)隊(duì)逐步完善了新型碳纖維躺車的設(shè)計(jì)制作，測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)車的平路速度峰值達(dá)到了69km/h，巡航速度接近45km/h。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)超公路自行車平均的35km/h。設(shè)計(jì)完成的智能輔助系統(tǒng)性能良好，可靠性極高，在共計(jì)2000km的測(cè)試中，故障率低于1，完成了多次大側(cè)風(fēng)及風(fēng)切變環(huán)境下的車輛平衡。本文對(duì)新一代碳纖維躺車的制造和功能系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)， 分別對(duì)安裝躺車輔助系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出了理論與應(yīng)用方面有待進(jìn)一步研究的幾個(gè)主要問題，對(duì)于從事這方面研究的人員具有一定的參考價(jià)值。