碳纖維競速躺車制作工藝流程的創(chuàng)新設(shè)計

馬麗娜 何天超 盛旭輝 陳貴江

摘要：在傳統(tǒng)個人DIY躺車的過程中，對于車架的制作，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，在躺車的騎行過程中，過彎速度較低會容易側(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)計者。為此，依據(jù)目前趟車所出現(xiàn)的問題，團隊從穩(wěn)定性和安全性等方面創(chuàng)新設(shè)計出碳纖維競速躺車并制造，對于無法用機械補足的部分，團隊自主開發(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

中圖分類號：G718 文獻標識碼：A 文章編號：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，隨著運動自行車在中國的蓬勃發(fā)展，相對于傳統(tǒng)的競速公路車，躺車特有的環(huán)保性、舒適性及對騎行者脊椎的健康性和保護性逐漸突出。越來越多的競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，因為躺車的高舒適性及相較于傳統(tǒng)公路車更高的補給搭載能力，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時易發(fā)生側(cè)傾，上坡時需要使用較大的力量進行蹬踏。對于這類固有缺陷，團隊進行了各方面研究和討論，最終進行了新一代躺車的設(shè)計與制造。

1 創(chuàng)新躺車設(shè)計制作流程

1.1 3D打印輔助設(shè)計

此設(shè)計流程區(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)計及成型后cnc加工金屬鋼模。考慮到精度重量及加工成本，團隊開發(fā)了一套切實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)過實際檢測，發(fā)現(xiàn)整體效果尚可，但表面效果沒有達到預(yù)期，后叉三角處存在設(shè)計錯誤。同時最關(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制脫出。對此團隊商討出兩種方案，一是在模具表面完全鋪上膩子打平，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。

在整體實驗過程中發(fā)現(xiàn)，完整的鋪平膩子會產(chǎn)生角落處無法利用工具快速打磨的問題，對于后叉與車架連接的折角，只能使用海綿砂紙一點點手工修平，對于1.5m長的一體化模具，效率太低。鋪玻璃鋼方案又會在細節(jié)處損失精度，若使用真空袋強制吸附，則會產(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，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)過團隊三年內(nèi)不斷的的實驗和修改，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，團隊開發(fā)了一整套躺車用智能輔助系統(tǒng)，由樹莓派主機進行控制運算，并采用市面上成熟可靠的傳感探測系統(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，團隊開發(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)合測速定位系統(tǒng)使抗干擾能力更強，數(shù)據(jù)顯示更加精準。

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效果，在車體整體布置了大型導(dǎo)流罩，大側(cè)風時易受風切影響，因此設(shè)計出躺車專用的防側(cè)傾系統(tǒng)，利用六軸陀螺儀檢測車輛側(cè)傾的數(shù)據(jù)，在車輛發(fā)生側(cè)傾時平衡儀發(fā)出修正信號，從而舵機控制副翼的方向及時修正車身。

2.3 躺車用全車燈光控制系統(tǒng)

道路預(yù)照明系統(tǒng)，在拐彎時利用GPS定位系統(tǒng)檢測前方路段路況--道路的照明情況及曲率變化，利用舵機控制光源旋轉(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)計全新的躺車手把，使手把的結(jié)構(gòu)更加緊湊，拐彎騎行時不會影響到腿部膝蓋的運動，從而使躺車運動范圍更大，行駛時身體協(xié)調(diào)更加靈活。同時全車的機械及電子部分走線均可隱藏，使外觀更為簡潔。

隨著對躺車研究的不斷深入，團隊逐步完善了新型碳纖維躺車的設(shè)計制作，測試中，實驗車的平路速度峰值達到了69km/h，巡航速度接近45km/h。數(shù)據(jù)遠超公路自行車平均的35km/h。設(shè)計完成的智能輔助系統(tǒng)性能良好，可靠性極高，在共計2000km的測試中，故障率低于1，完成了多次大側(cè)風及風切變環(huán)境下的車輛平衡。本文對新一代碳纖維躺車的制造和功能系統(tǒng)進行了總結(jié)， 分別對安裝躺車輔助系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點進行分析，并提出了理論與應(yīng)用方面有待進一步研究的幾個主要問題，對于從事這方面研究的人員具有一定的參考價值。