農(nóng)用微型電動(dòng)汽車造型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

張富明++楊紅星++郭燦志

摘要：農(nóng)用微型電動(dòng)汽車在實(shí)際的生產(chǎn)裝配過程中，方向盤套筒由于本身的材料強(qiáng)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(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)對(duì)破損等部位進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)完整的效果。農(nóng)用微型電動(dòng)車由于前置前驅(qū)，主要控制系統(tǒng)置于前臉結(jié)構(gòu)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(dòng)汽車的前臉。在前臉的外殼上需人工切割行程豁口，然后對(duì)條形豁口進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)化處理和美觀處理。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；逆向工程；3D打印

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的一種手段，得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。逆向工程是將實(shí)體轉(zhuǎn)換為數(shù)字化模型的一門技術(shù)，它利用反求得到三維實(shí)體的數(shù)字模化型[1]。逆向設(shè)計(jì)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)顯著，正向設(shè)計(jì)在實(shí)體建模中有強(qiáng)大功能。因此，可以運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)[2]。為了保證其在修復(fù)后的美觀性，可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備資源，即逆向掃描設(shè)備、3D打印設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)磨損或破損部位的彌補(bǔ)。農(nóng)用微型電動(dòng)汽車在實(shí)際的生產(chǎn)裝配過程中，由于本身的材料強(qiáng)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(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)對(duì)破損部位進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到結(jié)構(gòu)完整的效果。

1 正逆向設(shè)計(jì)的建模方法在電動(dòng)汽車方向盤套筒位置處的設(shè)計(jì)

運(yùn)用三維掃描儀獲得方向盤套筒的外觀輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后對(duì)數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入正向設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)方法、建模方法與前臉的造型設(shè)計(jì)相似[3]。

首先，利用Artec掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Artec Studio軟件中生成sproj格式的文件，將文件另存為OBJ格式導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。Geomagic Studio軟件數(shù)據(jù)處理的主要過程包括：清除外噪點(diǎn)、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、網(wǎng)格醫(yī)生、光順曲面和生成曲面等。然后再根據(jù)實(shí)際的安裝要求和尺寸要求進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，以保證模型無間隙裝配[4]。最終經(jīng)過處理和設(shè)計(jì)，得到包裹方向盤套筒的模型，如圖1所示。再應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的大型3D打印機(jī)設(shè)備，把設(shè)計(jì)出的模型打印出來。然后拿到現(xiàn)場(chǎng)去進(jìn)行實(shí)體裝配，此模型對(duì)磨損的方向盤套筒起到了很好的修復(fù)作用，使外表看起來更加美觀。現(xiàn)場(chǎng)裝配后的結(jié)果如圖2所示。

2 正向設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印技術(shù)在電動(dòng)汽車腳剎處的設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)的發(fā)展和出現(xiàn)，加速了汽車的多元化、智能化發(fā)展。目前，3D打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)整個(gè)流程中的應(yīng)用主要包括概念模型開發(fā)、功能驗(yàn)證原型制造、工具制造及小批量定制型制成品的生產(chǎn)四個(gè)階段。3D打印技術(shù)為指導(dǎo)電動(dòng)汽車的研發(fā)及其生產(chǎn)提供了巨大的支撐作用。

3D打印技術(shù)亦稱快速成型技術(shù)，是一種基于離散、材料堆積成型技術(shù)，其涉及到數(shù)控技術(shù)、CAD技術(shù)、激光加工及材料科學(xué)技術(shù)。3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從零件到三維數(shù)字化模型的快速制造。根據(jù)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(shí)體制造法（LOM）、選擇性激光燒結(jié)法（SLS）和三維印刷系統(tǒng)法（TDP）。

以上方法中，F(xiàn)DM成型法具有制造出模型強(qiáng)度較高，與實(shí)際零件的相似度高，并且成本較低、后期處理簡(jiǎn)便。而本研究設(shè)計(jì)的零件體主要用于現(xiàn)場(chǎng)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(dāng)噴頭被加熱到一定溫度時(shí)，材料被熔化成絲狀，噴頭沿著零件二維截面輪廓線進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)填充，材料在空氣中迅速凝固與周圍材料凝結(jié)在一起。

2.1 電動(dòng)汽車腳踏板空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)汽車腳剎在有限的活動(dòng)空間內(nèi)，拆卸和組裝都比較復(fù)。考慮到前臉和腳剎的裝配關(guān)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(dòng)汽車的前臉。考慮到腳剎和前臉在裝配時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，所以在前臉的外殼上沒有設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題，即電動(dòng)汽車前臉的腳剎自由行程處，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)條形的豁口[5，6]。如果不加以處理，會(huì)影響電動(dòng)汽車前臉的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和美觀，因此必須對(duì)條形豁口進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)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(yùn)動(dòng)行程為142 mm，所以前臉的腳剎豁口長(zhǎng)度至少大于142 mm。然而由于腳剎的裝配順序優(yōu)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(fā)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(shè)為20 mm，最終設(shè)計(jì)的條形豁口尺寸為250 mm×20 mm。

2.2 電動(dòng)汽車腳踏板輔助元件設(shè)計(jì)

腳剎條形豁口可以采取覆蓋的方式進(jìn)行美化，同樣結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的資源進(jìn)行設(shè)計(jì)處理。根據(jù)條形豁口的尺寸及位置關(guān)系，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)微型的輔助原件（圖4）。

由于腳剎板厚度為5 mm，考慮到其運(yùn)動(dòng)行程的左右偏移量，在其中心兩個(gè)方向上各留3 mm的運(yùn)動(dòng)余量，最后其輔助元件的寬度為12 mm。設(shè)計(jì)之初，應(yīng)考慮輔助元件的可裝配性和可拆卸性，所以采用兩個(gè)相同的輔助元件進(jìn)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(shè)計(jì)的輔助元件的行程為115 mm。考慮到材料本身的屬性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，輔助元件的最大厚度為4 mm，靠近兩側(cè)部位的厚度為2 mm，部分位置進(jìn)行倒圓角，輔助元件的總長(zhǎng)和總寬尺寸為142 mm×70 mm。最后設(shè)計(jì)出的零件詳細(xì)工程結(jié)構(gòu)尺寸，如圖5所示。然后運(yùn)用3D打印技術(shù)對(duì)輔助零件進(jìn)行快速制造，對(duì)打印出的零件進(jìn)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(duì)兩個(gè)零件進(jìn)行黏合，具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性；第二，可以用緊固螺釘直接固定兩個(gè)零件。ABS塑料膠水廣泛用于各種塑料以及有機(jī)玻璃等物體的黏合。ABS膠水具有操作簡(jiǎn)單、室溫下固化、黏合性高、無毒等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)汽車在長(zhǎng)久的使用過程中，電機(jī)和電氣控制系統(tǒng)難免會(huì)發(fā)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(jìn)行裝配，在后期控制系統(tǒng)或電機(jī)等發(fā)生故障時(shí)，很難進(jìn)行前臉拆卸。在實(shí)際生產(chǎn)的裝配中，最好的裝配方式是采用螺釘進(jìn)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(tái)上用自攻螺釘快速固定。腳剎條形豁口如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)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(cè)分別有3 mm的裝配余量。需要調(diào)試腳剎的行程，檢查在腳剎連接板在運(yùn)動(dòng)過程中是否與輔助元件發(fā)生干涉，從而保證在踩下減速踏板時(shí)，其在條形豁口中自由運(yùn)動(dòng)，無干涉情況發(fā)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(cè)分別有3 mm的自由余量，從而保證了無運(yùn)動(dòng)干涉。最后裝配的效果中規(guī)中矩。該設(shè)計(jì)在經(jīng)過車輛的實(shí)踐運(yùn)行檢驗(yàn)中，既保證了結(jié)構(gòu)的使用強(qiáng)度，又在一定程度上滿足了美學(xué)特性[7]。經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，證明了該處設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

3 小結(jié)

農(nóng)用微型電動(dòng)汽車在實(shí)際的生產(chǎn)裝配過程中由于本身的材料強(qiáng)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(shù)結(jié)合3D打印技術(shù)對(duì)破損等部位進(jìn)行改進(jìn)，從而保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，同時(shí)也達(dá)到了電動(dòng)汽車的美觀效果。

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