產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)在彈力方程式賽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

遲瑞豐 張文兵

摘要：產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期概念的驗(yàn)證以及后期加工制造中，運(yùn)用非常廣泛。企業(yè)陸續(xù)推出新產(chǎn)品，使產(chǎn)品更新?lián)Q代，得益于產(chǎn)品的創(chuàng)新，創(chuàng)新是企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。產(chǎn)品的快速開發(fā)在其中也起到了關(guān)鍵性作用，快速成型技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、可制造性方面起到了非常重要的作用。文章以筆者親自設(shè)計(jì)并參加的Formula-E彈力方程式賽車國(guó)際設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽中賽車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和零件制造為例，簡(jiǎn)要探究一下產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)在彈力方程式賽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：彈力方程式賽車 產(chǎn)品創(chuàng)新快速開發(fā) 快速成型 零件加工

引言

E級(jí)方程式國(guó)際設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽由世界著名設(shè)計(jì)院校美國(guó)藝術(shù)設(shè)計(jì)中心學(xué)院（Art Center College of Design，簡(jiǎn)稱ACCD）于2006年創(chuàng)辦，至今已連續(xù)舉辦11屆。這項(xiàng)比賽源自該學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)研究生課程，旨在培養(yǎng)未來(lái)全球設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)者們?cè)诋a(chǎn)品開發(fā)戰(zhàn)略、科學(xué)與工程技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造、品牌、溝通、以及活動(dòng)策劃方面的綜合素質(zhì)，之后發(fā)展成為一項(xiàng)激動(dòng)人心的比賽，一次熱情活躍的交流，一場(chǎng)設(shè)計(jì)的嘉年華，成為未來(lái)設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)者和設(shè)計(jì)師們十分重視的一場(chǎng)綜合性賽事。在賽事中，可以提高CA.及團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)戰(zhàn)略能力、實(shí)踐創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維、鍛煉設(shè)計(jì)綜合素質(zhì)、培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。

在國(guó)內(nèi)此項(xiàng)比賽主要是由北京工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院與阿森特（北京）藝術(shù)設(shè)計(jì)中心負(fù)責(zé)承辦，比賽地點(diǎn)是在北京工業(yè)大學(xué)，比賽場(chǎng)分為三個(gè)賽段，分別是爬坡競(jìng)速賽、障礙競(jìng)速賽和拉力競(jìng)速賽，賽道如圖所示（如圖1）所示。

比賽所用賽車的前進(jìn)動(dòng)力只能來(lái)自于大賽組委會(huì)提供的皮筋彈性形變產(chǎn)生的彈性勢(shì)能。每輛車不允許使用超過(guò)兩個(gè)無(wú)線遙控系統(tǒng)（兩通道遙控器），每個(gè)系統(tǒng)可以進(jìn)行單自由度或雙向運(yùn)動(dòng)，也可以裝備個(gè)性控制系統(tǒng)。賽車允許改變的結(jié)構(gòu)包括：皮筋纏繞方式及圈數(shù)，緩沖保護(hù)和防撞；賽車的尺寸、材料和制造工藝無(wú)要求和限制；賽車可以使用購(gòu)買的零件，包括轉(zhuǎn)向軸、車輪、車輛支撐結(jié)構(gòu)等，也可自行設(shè)計(jì)加工零件。

一、賽車的創(chuàng)新與快速開發(fā)

2017年6月，筆者根據(jù)往年參賽經(jīng)驗(yàn)，帶領(lǐng)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)參加了在北京舉辦的2017年E級(jí)方程式國(guó)際設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽中國(guó)賽區(qū)的比賽。參賽作品（如圖2）所示。

創(chuàng)新是設(shè)計(jì)的根本動(dòng)力，參賽使用的賽車也和市場(chǎng)上的玩具賽車大不一樣，因?yàn)楸荣愐?guī)則的限制，這就要求參賽隊(duì)伍需要全新設(shè)計(jì)并制作自己參賽的賽車，這也證明了產(chǎn)品創(chuàng)新在設(shè)計(jì)中的重要性。比賽所用賽車是賽車手親自設(shè)計(jì)并加工制造出來(lái)，制作過(guò)程中，零件及車殼的加工多使用快速成型技術(shù)制作而成。對(duì)比市場(chǎng)上現(xiàn)有的車模與比賽所用賽車，無(wú)論在結(jié)構(gòu)還是在動(dòng)力方面都有所不同，現(xiàn)有車模型的零件無(wú)法直接使用，這就要求各賽隊(duì)需要自行設(shè)計(jì)賽車的結(jié)構(gòu)，并制造加工零件，以完成賽車的制作，順利參加比賽。

（一）車體結(jié)構(gòu)方案擬定

經(jīng)過(guò)前期的草圖推導(dǎo)，結(jié)構(gòu)的推敲，確定了最初的車輛結(jié)構(gòu)。采取中間放置皮筋作為動(dòng)力，前輪轉(zhuǎn)向，皮筋經(jīng)軸連接兩個(gè)成90度夾角的傘齒并連接后輪實(shí)現(xiàn)整車的驅(qū)動(dòng)。前后各一個(gè)舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向與剎車，通過(guò)電池供電，接收器接收遙控器發(fā)出的信號(hào)，進(jìn)行比賽車輛的遙控。

（二）樣車制作

經(jīng)過(guò)方案的確定，在pro-e軟件進(jìn)行建模仿真，確定模型的可靠性與可行性，之后進(jìn)行車輛零部件的購(gòu)買與制作。車身碳纖維管、遙控器、接收器、舵機(jī)、轉(zhuǎn)向拉桿、傘齒、傳動(dòng)軸是通過(guò)網(wǎng)上購(gòu)買，連接所需的零部件則是通過(guò)快速成形技術(shù)進(jìn)行加工制作。

（三）調(diào)試與試驗(yàn)

樣車制作完成后，要對(duì)其進(jìn)行整車操作實(shí)驗(yàn)。首先要進(jìn)行遙控器與接收器的配對(duì)，以實(shí)現(xiàn)遙控功能；其次進(jìn)行皮筋上勁，是通過(guò)扭力進(jìn)行上勁；然后進(jìn)行剎車的控制，上滿動(dòng)力之后，要用剎車進(jìn)行控制，要保證賽車放置于起跑線上時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)；最后釋放動(dòng)力，競(jìng)速實(shí)驗(yàn)，過(guò)程中要測(cè)試轉(zhuǎn)向功能的靈敏度。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要對(duì)實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)行相關(guān)的記錄，并且要對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，才能更好地優(yōu)化賽車的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如下（如表1）。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，皮筋匝數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)都是可變因素，對(duì)車輛速度的影響都很大，有一個(gè)相對(duì)最優(yōu)值，所以還要在這個(gè)值附近進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試分析，并不是圈數(shù)越多，速度越快。因此要根據(jù)第—次測(cè)試的值進(jìn)行第二次的測(cè)試，要對(duì)皮筋匝數(shù)進(jìn)行改變，重新測(cè)試車輛的速度。在結(jié)構(gòu)方面，傘齒輪的傳動(dòng)比，也要有相應(yīng)的改變，做出相應(yīng)的測(cè)試，第一次是1：1傳動(dòng)，下—次測(cè)試則換成1：2傳動(dòng)比測(cè)試，以便確定哪種傳動(dòng)比更合適。

在經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試之后，選取最優(yōu)方案，進(jìn)行最終車輛模型的優(yōu)化，在材料以及零件加工方面，都要做到精益求精，以便在比賽時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)。

二、快速成形技術(shù)在零件加工中的應(yīng)用

由于快速成型技術(shù)在模型加工的過(guò)程中，有著成型快、成本低的特點(diǎn)，所以采用快速成型技術(shù)進(jìn)行零件的加工與制造，從而快速得到試驗(yàn)樣車，驗(yàn)證并優(yōu)化賽車的性能及結(jié)構(gòu)。由圖可見，賽車部分零件是由3D打印機(jī)打印而成，比如車殼、車輪、轉(zhuǎn)向座、轉(zhuǎn)向杯、碳管與車身零件的連接零件、舵機(jī)支架、后軸齒輪支架等（如圖3）所示。加工完成之后，進(jìn)行后處理，并組裝成賽車（如圖4）所示。

在零件加工過(guò)程中，運(yùn)用到實(shí)體建模、驗(yàn)證優(yōu)化、快速成型等技術(shù)支持。由于快速成型制造技術(shù)的優(yōu)越性和明顯效益，較傳統(tǒng)加工技術(shù)更為先進(jìn)，所以在制作樣車的過(guò)程中，優(yōu)先選用快速成型技術(shù)進(jìn)行零件的制作與驗(yàn)證優(yōu)化。

在實(shí)體建模方面，運(yùn)用pro-e三維實(shí)體建模軟件進(jìn)行零件的建模，建立三維實(shí)體模型，然后將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為stl格式文件，運(yùn)用3D打印機(jī)軟件將stl格式文件進(jìn)行切片處理，設(shè)置打印選項(xiàng)及參數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入到3D快速成型打印機(jī)，進(jìn)行實(shí)體模型的制作。

在設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化方面，設(shè)計(jì)師利用快速成型技術(shù)快速制作加工產(chǎn)品的模型，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)師的想法，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。較傳統(tǒng)方法而言，節(jié)省了大量的時(shí)間和費(fèi)用。加工零件需要進(jìn)行零件的功能性試驗(yàn)，如模擬仿真、受力分析、流體和空氣動(dòng)力學(xué)分析等，快速成型技術(shù)快速制作的模型可以用來(lái)模擬產(chǎn)品的工作情況，從而迅速完善產(chǎn)品相應(yīng)制作工藝及所需模具的設(shè)計(jì)。對(duì)新產(chǎn)品的研發(fā)，零部件的制造和裝配非常關(guān)鍵，快速成型技術(shù)和裝配制造設(shè)計(jì)相配合，對(duì)零件批量加工前的裝配制造檢驗(yàn)尤為重要。在新產(chǎn)品正式投產(chǎn)制造或下生產(chǎn)訂單制造之前，采用快速成型技術(shù)制作非功能性樣品，制作產(chǎn)品的展覽樣品或攝制產(chǎn)品樣本照片，能更好地檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的完整性。

在生產(chǎn)制造方面，快速成型技術(shù)加工的模型可以通過(guò)各種技術(shù)轉(zhuǎn)換為最終零件。例如，利用硅膠模、環(huán)氧樹脂與精密鑄造等工藝結(jié)合制造模具，經(jīng)過(guò)一次或多次轉(zhuǎn)換制造最終產(chǎn)品。或?qū)⒖焖俪尚偷玫降哪Ｐ椭苯佑米鳟a(chǎn)品的試制模具，或者將此模型當(dāng)作母模，制作生產(chǎn)用模具，加快模具的制造過(guò)程。

三、產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)在賽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

賽車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是多方面的。在賽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，考慮到動(dòng)力的來(lái)源，需要突破現(xiàn)有玩具賽車的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠そ钚巫儺a(chǎn)生的彈性勢(shì)能是不均勻釋放的，所以如何使用皮筋的彈性勢(shì)能是一個(gè)很大的問(wèn)題，這就需要傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新；另一方面如何控制賽車的速度也是一個(gè)難題，在彎道上，如何控制賽車順利拐彎，這就需要?jiǎng)x車結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。傳統(tǒng)的碟剎不能滿足賽車的使用，分析多次試驗(yàn)的結(jié)果，最終定的卡扣結(jié)構(gòu)與單向軸承配合使用進(jìn)行剎車，既能滿足保存動(dòng)力，又能保證賽車的減速拐彎通過(guò)彎道。在賽車的造型設(shè)計(jì)方面，如何快速做出物理模型是一個(gè)很大的問(wèn)題，現(xiàn)在快速成型技術(shù)的廣泛運(yùn)用，使得這個(gè)問(wèn)題迎刃而解，使用3D打印機(jī)能快速便捷地生成賽車外觀造型的物理模型。從賽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、造型設(shè)計(jì)創(chuàng)新，到皮筋運(yùn)用形式原理創(chuàng)新等多個(gè)設(shè)計(jì)方向的創(chuàng)新中，產(chǎn)生一組可行的“新”設(shè)計(jì)方案。

賽車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)也是多層次的，包括從創(chuàng)新初期概念的提出，賽車結(jié)構(gòu)及外觀設(shè)計(jì)加工規(guī)劃，到創(chuàng)新中期的結(jié)構(gòu)測(cè)試、速度測(cè)試，再到后期的優(yōu)化等。通過(guò)綜合創(chuàng)新實(shí)踐、迭代創(chuàng)新、尋找最佳方案，從而得到一個(gè)能夠滿足各方面要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)主要包括了產(chǎn)品的實(shí)體建模，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化，逆向工程技術(shù)，快速成型技術(shù)，快速制模和快速熔模以及產(chǎn)品開發(fā)的組織管理。賽車的快速開發(fā)主要運(yùn)用到了產(chǎn)品的實(shí)體建模、驗(yàn)證優(yōu)化及快速成形技術(shù)。產(chǎn)品創(chuàng)新在賽車方面的理解是為達(dá)到賽車的速度與穩(wěn)定性能而進(jìn)行創(chuàng)新和創(chuàng)造的過(guò)程?？梢詮倪@一點(diǎn)出發(fā)討論創(chuàng)新設(shè)計(jì)的概念。產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師利用已掌握的知識(shí)，去改進(jìn)、開發(fā)新的結(jié)構(gòu)及造型，以達(dá)到滿足用戶使用的最新要求，后期涉及產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力、可制造性的一個(gè)系統(tǒng)過(guò)程。比賽需求和技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)正是賽車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，創(chuàng)新是完成這一點(diǎn)的決定性環(huán)節(jié)。賽車創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)是速度及穩(wěn)定性，在賽車創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，使用到的創(chuàng)新方式包括首創(chuàng)式創(chuàng)新和模仿式創(chuàng)新，這兩種創(chuàng)新模式都包括創(chuàng)新的基本過(guò)程，即從結(jié)構(gòu)樣車到改進(jìn)完善的過(guò)程。創(chuàng)新性是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的靈魂，只有創(chuàng)新才有可能得到結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良的具有競(jìng)爭(zhēng)力的賽車。在賽車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品創(chuàng)新理論和快速成型技術(shù)起到了關(guān)鍵性作用，在產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品創(chuàng)新理論和快速成型技術(shù)也將發(fā)揮它們的作用。

結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)在Formula-E彈力方程式賽車國(guó)際設(shè)計(jì)錦標(biāo)賽賽車的設(shè)計(jì)中，實(shí)體建模、驗(yàn)證優(yōu)化、快速成形技術(shù)得到了很大的應(yīng)用。其中快速成形技術(shù)將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、新材料等先進(jìn)技術(shù)集合于一體，依據(jù)計(jì)算機(jī)軟件建立的賽車零件三維設(shè)計(jì)模型，通過(guò)疊加成型方式直接轉(zhuǎn)化為實(shí)物原型，不僅能夠恰到好處地提供賽車創(chuàng)新設(shè)計(jì)所需要的設(shè)計(jì)模型及功能驗(yàn)證模型，而且能夠明顯地縮短創(chuàng)新設(shè)計(jì)的周期，提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)成功率，降低設(shè)計(jì)開發(fā)成本。在眾多企業(yè)及公司產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，產(chǎn)品創(chuàng)新方法和快速成型技術(shù)得到迅速的推廣應(yīng)用，成為支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)開發(fā)的一項(xiàng)關(guān)鍵方法技術(shù)。