碳纖維競速躺車制作工藝流程的創新設計

馬麗娜 何天超 盛旭輝 陳貴江

摘要：在傳統個人DIY躺車的過程中，對于車架的制作，大部分使用泡沫內模具工藝，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傾，由于躺椅角度設置帶來的視野較窄等問題也困擾大部分設計者。為此，依據目前趟車所出現的問題，團隊從穩定性和安全性等方面創新設計出碳纖維競速躺車并制造，對于無法用機械補足的部分，團隊自主開發了一整套電子輔助系統。

關鍵詞：躺車；碳纖維；真空；設計

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展，相對于傳統的競速公路車，躺車特有的環保性、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、挑戰自我的工具。同時，因為躺車的高舒適性及相較于傳統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練任務。

但由于躺車的高度較低，坐姿極為躺平，過彎速度≤10km/h時易發生側傾，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計與制造。

1 創新躺車設計制作流程

1.1 3D打印輔助設計

此設計流程區別于傳統躺車制作所采用的泡沫熱切割法制作的內模具，或設計及成型后cnc加工金屬鋼模。考慮到精度重量及加工成本，團隊開發了一套切實有效且成本低廉的方案——采用UG-SolidWorks聯合建模，3d打印技術制作車體模具，將其精準度控制在0.02mm以內。

1.2 3D打印模具玻璃鋼翻模

經過實際檢測，發現整體效果尚可，但表面效果沒有達到預期，后叉三角處存在設計錯誤。同時最關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現，完整的鋪平膩子會產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處損失精度，若使用真空袋強制吸附，則會產生褶皺處樹脂堆積問題。

在打印完成車架內模具后，利用積木制作出模具槽，石膏澆底，在與車架接觸5mm處開始使用環氧樹脂澆筑，利用環氧樹脂低收縮率及低變形量，使車架翻模保持精度極高。車架內模具脫模后，經檢測，模具精度控制在0.2mm內，表面輔以膠衣后可供翻模20次以上。在經過團隊三年內不斷的的實驗和修改，目前制作出第三代躺車HTC design Mark3。

2 智能躺車輔助系統的創新設計與開發

根據調查了解到目前市面上的躺車能使用的輔助系統均來自與傳統的自行車用系統，專為躺車進行開發，滿足躺車使用需求的產品幾乎為0，因此在新一代躺車框架下，團隊開發了一整套躺車用智能輔助系統，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，使研發成本大幅下降，系統可靠性、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

為了解決躺車視線易受大尺寸碼表干擾，團隊開發了躺車用HUD抬頭顯示系統，來顯示本系統內所有數據，利用磁吸感應加GPS復合測速定位系統使抗干擾能力更強，數據顯示更加精準。

2.2 副翼自穩調平系統

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流罩，大側風時易受風切影響，因此設計出躺車專用的防側傾系統，利用六軸陀螺儀檢測車輛側傾的數據，在車輛發生側傾時平衡儀發出修正信號，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

道路預照明系統，在拐彎時利用GPS定位系統檢測前方路段路況--道路的照明情況及曲率變化，利用舵機控制光源旋轉將其前方道路照明。另外利用六軸陀螺儀和手動開關控制整體車身的大燈，轉向燈和剎車燈。

2.4 緊湊型多功能躺車車把

此次新一代躺車設計全新的躺車手把，使手把的結構更加緊湊，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，行駛時身體協調更加靈活。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。數據遠超公路自行車平均的35km/h。設計完成的智能輔助系統性能良好，可靠性極高，在共計2000km的測試中，故障率低于1，完成了多次大側風及風切變環境下的車輛平衡。本文對新一代碳纖維躺車的制造和功能系統進行了總結， 分別對安裝躺車輔助系統的基本結構和特點進行分析，并提出了理論與應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。