農用微型電動汽車造型結構的設計與改進

張富明++楊紅星++郭燦志

摘要：農用微型電動汽車在實際的生產裝配過程中，方向盤套筒由于本身的材料強度限制和人為裝配等因素造成磨損破損。采用逆向工程技術結合3D打印技術對破損等部位進行改進，從而達到結構完整的效果。農用微型電動車由于前置前驅，主要控制系統置于前臉結構下方，考慮到拆卸維修，最好的裝配順序是先裝配腳剎，然后再裝配電動汽車的前臉。在前臉的外殼上需人工切割行程豁口，然后對條形豁口進行相應的強化處理和美觀處理。

關鍵詞：電動汽車；逆向工程；3D打印

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）09-1748-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.09.037

Agricultural Micro Modelling Structure Design and Improvement of the Electric Vehicle

ZHANG Fu-ming1，YANG Hong-xing2，GUO Can-zhi3

（1.Tangshan Seals Technology Co.， Ltd.， Tangshan 063000，Hebei，China；2.Car in Tangshan Locomotive Vehicle Co.， Ltd.， Tangshan 063000，Hebei，China；3.Beijing Institute of Technology School of Mechanical and Vehicle， Beijing 100081，China）

Abstract：The steering wheel sleeve of agricultural micro electric vehicles was damaged due to the limitation of material strength and human factors such as assembly in the process of actual production assembly. The reverse engineering technology combined with 3 d printing technology were used to improve the damaged parts， so as to achieve the full effect of the structure. The agricultural micro electric vehicles had the front precursors，and the main control system was below the former face structure，the best assembly sequence was installing foot brake at first，then installed the former face of electric cars. Need to cut the gap in the shell of the front face， and strengthening treatment and aesthetic treatment were done to the strip-type gap.

Key words： electric cars；reverse engineering；3D printing

近年來，逆向工程作為產品開發設計的一種手段，得到了快速發展和廣泛應用。逆向工程是將實體轉換為數字化模型的一門技術，它利用反求得到三維實體的數字模化型[1]。逆向設計具有強大的數據處理功能，對復雜曲面設計優勢顯著，正向設計在實體建模中有強大功能。因此，可以運用基于Artec Studio、Geomagic Studio和Croe 2.0軟件的正逆向混合建模方法來實現對產品的造型設計[2]。為了保證其在修復后的美觀性，可以結合實驗室現有的設備資源，即逆向掃描設備、3D打印設備，來實現磨損或破損部位的彌補。農用微型電動汽車在實際的生產裝配過程中，由于本身的材料強度限制和人為裝配等因素造成方向盤套筒的磨損破損。本研究采用逆向工程技術結合3D打印技術對破損部位進行改進，以期達到結構完整的效果。

1 正逆向設計的建模方法在電動汽車方向盤套筒位置處的設計

運用三維掃描儀獲得方向盤套筒的外觀輪廓的點云數據，然后對點云數據進行處理，最后對數據模型導入正向設計軟件中進行正向設計，具體的設計方法、建模方法與前臉的造型設計相似[3]。

首先，利用Artec掃描儀得到的點云數據，在Artec Studio軟件中生成sproj格式的文件，將文件另存為OBJ格式導入到Geomagic Studio軟件中進行數據處理。Geomagic Studio軟件數據處理的主要過程包括：清除外噪點、數據精簡、網格醫生、光順曲面和生成曲面等。然后再根據實際的安裝要求和尺寸要求進行正向設計，以保證模型無間隙裝配[4]。最終經過處理和設計，得到包裹方向盤套筒的模型，如圖1所示。再應用實驗室現有的大型3D打印機設備，把設計出的模型打印出來。然后拿到現場去進行實體裝配，此模型對磨損的方向盤套筒起到了很好的修復作用，使外表看起來更加美觀。現場裝配后的結果如圖2所示。

2 正向設計結合3D打印技術在電動汽車腳剎處的設計

3D打印技術的發展和出現，加速了汽車的多元化、智能化發展。目前，3D打印技術在汽車設計整個流程中的應用主要包括概念模型開發、功能驗證原型制造、工具制造及小批量定制型制成品的生產四個階段。3D打印技術為指導電動汽車的研發及其生產提供了巨大的支撐作用。

3D打印技術亦稱快速成型技術，是一種基于離散、材料堆積成型技術，其涉及到數控技術、CAD技術、激光加工及材料科學技術。3D打印技術實現了從零件到三維數字化模型的快速制造。根據材料和成型方式的差異，可分為立體光固化成型法（SLA）、熔融沉積成型法（FDM）、分層實體制造法（LOM）、選擇性激光燒結法（SLS）和三維印刷系統法（TDP）。

以上方法中，FDM成型法具有制造出模型強度較高，與實際零件的相似度高，并且成本較低、后期處理簡便。而本研究設計的零件體主要用于現場零件的輔助裝配，所以采用FDM的熔融沉積成型法更為合理。FDM工藝過程一般選擇熱塑性材料，如ABS等材料。當噴頭被加熱到一定溫度時，材料被熔化成絲狀，噴頭沿著零件二維截面輪廓線進行軌跡運動填充，材料在空氣中迅速凝固與周圍材料凝結在一起。

2.1 電動汽車腳踏板空間結構設計

由于電動汽車腳剎在有限的活動空間內，拆卸和組裝都比較復。考慮到前臉和腳剎的裝配關系，就裝配順序而言，最好的裝配順序是先裝配腳剎，然后再裝配電動汽車的前臉。考慮到腳剎和前臉在裝配時會產生相應的誤差，所以在前臉的外殼上沒有設計腳剎行程的豁口，而是在裝配前人工切割行程豁口。這樣的裝配順序就會產生一個問題，即電動汽車前臉的腳剎自由行程處，會產生一個長條形的豁口[5，6]。如果不加以處理，會影響電動汽車前臉的結構強度和美觀，因此必須對條形豁口進行相應的強化處理和美觀處理。

腳剎踏板連接板的厚度為5 mm，車輛使用過程中，腳剎的運動行程為142 mm，所以前臉的腳剎豁口長度至少大于142 mm。然而由于腳剎的裝配順序優先于前臉的裝配，因此條形豁口需開到前臉的底端，如圖3所示。豎直方向上的中心線為前臉與腳剎發生滑行的平面，水平方向上的中心線為車架底盤的上表面。考慮到腳剎本身的制造誤差和裝配誤差，以及腳剎安裝到車架結構上的裝配誤差和前臉在整車上的裝配誤差，留出足夠剩余量，條形豁口的長度為250 mm。由于腳剎連接板厚度為5 mm，同樣考慮到以上的誤差和余量，豁口的寬度設為20 mm，最終設計的條形豁口尺寸為250 mm×20 mm。

2.2 電動汽車腳踏板輔助元件設計

腳剎條形豁口可以采取覆蓋的方式進行美化，同樣結合實驗室現有的資源進行設計處理。根據條形豁口的尺寸及位置關系，運用三維設計軟件設計微型的輔助原件（圖4）。

由于腳剎板厚度為5 mm，考慮到其運動行程的左右偏移量，在其中心兩個方向上各留3 mm的運動余量，最后其輔助元件的寬度為12 mm。設計之初，應考慮輔助元件的可裝配性和可拆卸性，所以采用兩個相同的輔助元件進行拼接裝配。由于零件本身的制造誤差和裝配誤差的影響，此次設計的輔助元件的行程為115 mm。考慮到材料本身的屬性和結構強度，輔助元件的最大厚度為4 mm，靠近兩側部位的厚度為2 mm，部分位置進行倒圓角，輔助元件的總長和總寬尺寸為142 mm×70 mm。最后設計出的零件詳細工程結構尺寸，如圖5所示。然后運用3D打印技術對輔助零件進行快速制造，對打印出的零件進行裝配。

輔助元件與前臉的固定方式可以有兩種：第一，用ABS塑料膠水對兩個零件進行黏合，具有較高的強度和耐腐蝕性；第二，可以用緊固螺釘直接固定兩個零件。ABS塑料膠水廣泛用于各種塑料以及有機玻璃等物體的黏合。ABS膠水具有操作簡單、室溫下固化、黏合性高、無毒等優點，并且具有耐水、耐寒、耐熱、耐腐蝕、耐油污等特性，所以采用黏合的方式，同樣能保證連接的可靠性和耐久度。

電動汽車在長久的使用過程中，電機和電氣控制系統難免會發生故障，所以為了便于維修和更換部件，需要保證前臉的可拆卸性。如只采用ABS黏合的方式進行裝配，在后期控制系統或電機等發生故障時，很難進行前臉拆卸。在實際生產的裝配中，最好的裝配方式是采用螺釘進行連接固定，由于輔助元件本身材料具有一定的柔性和韌性，可以直接在厚度為2 mm的凸臺上用自攻螺釘快速固定。腳剎條形豁口如圖6所示，現場的裝配效果如圖7所示。在裝配輔助元件的過程中，要保證腳剎連接板的兩側分別有3 mm的裝配余量。需要調試腳剎的行程，檢查在腳剎連接板在運動過程中是否與輔助元件發生干涉，從而保證在踩下減速踏板時，其在條形豁口中自由運動，無干涉情況發生。輔助元件裝配后，條形豁口的尺寸為230 mm×12 mm，腳剎減速器連接板的厚度為5 mm，所以兩側分別有3 mm的自由余量，從而保證了無運動干涉。最后裝配的效果中規中矩。該設計在經過車輛的實踐運行檢驗中，既保證了結構的使用強度，又在一定程度上滿足了美學特性[7]。經過實踐的檢驗，證明了該處設計的可行性和合理性。

3 小結

農用微型電動汽車在實際的生產裝配過程中由于本身的材料強度限制和人為裝配等因素，造成方向盤套筒的磨損破損。考慮到拆裝維修和裝配順序，本研究采用逆向工程技術結合3D打印技術對破損等部位進行改進，從而保證了結構設計的合理性和可行性，同時也達到了電動汽車的美觀效果。

參考文獻：

[1] 張瑞乾，孫 平.汽車車身逆向工程設計關鍵技術及應用[J].CAD/CAM與制造業信息化，2009（6）：83-86.

[2] 代菊英，涂群章，趙建勛.基于Geomagic、Imageware和Pro/E的機械零件逆向建模方法[J].工具技術，2012，46（5）：55-57.

[3] 張欣宇.基于逆向工程的汽車外形設計方法的應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[4] MITRA N J，GELFAND N，POTTMANN H，et al. Registration of point cloud data from a geometric optimization prespective[A]SCOPIGNO R，ZORIN D. Urographics Symposium on Geometry Processing[C].Angeles：ACM Press，2004.

[5] 北京兆迪科技有限公司.Creo2.0曲面設計教程[M].北京：機械工業出版社，2013.

[6] JUN G，VITTALDAS V. Simulation performance pomparison between assembly lines and assembly cells with real-time distributed arrival time control system[J].International Journal of Production Research，2011，49（5）：1241-1253.

[7] 劉曉潔，別玉娟.面向汽車零部件的虛擬裝配技術的相關分析[J].山東工業技術，2014（22）：23-28.