陳雨青

武漢理工大學(xué)

新技術(shù)給便攜式電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)的影響

陳雨青

武漢理工大學(xué)

陳雨青（1995－）女，籍貫：廣東省，導(dǎo)師黃妙華，學(xué)歷：本科在讀。

依托武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新項(xiàng)目2015－QC－B1－11

新技術(shù)的運(yùn)用給便攜式輕型電動(dòng)車(chē)的造型設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的變化。本文主要通過(guò)分析便攜式輕型電動(dòng)車(chē)中陀螺儀和加速度計(jì)傳感器技術(shù)，輪轂電機(jī)技術(shù)，壓力傳感器技術(shù)，以及新材料的使用對(duì)在車(chē)身的尺寸，結(jié)構(gòu)布置所帶來(lái)影響。通過(guò)技術(shù)的特征來(lái)預(yù)測(cè)其對(duì)便攜式輕型電動(dòng)車(chē)造型的改變。陀螺儀和加速度傳感器縮短了車(chē)身的縱向長(zhǎng)度，改變了車(chē)身控制方式。輪轂電機(jī)技術(shù)使車(chē)身結(jié)構(gòu)更加緊湊。壓力傳感器技術(shù)改變了控制方式，使車(chē)身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，改變了傳統(tǒng)的把手結(jié)構(gòu)。以及新材料的使用讓車(chē)身輕量，整體造型流暢化。技術(shù)的運(yùn)用使便攜式輕型電動(dòng)車(chē)向更加輕量化，微型化，智能化的方向發(fā)展。

在時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步等因素作用下，解決短程距離的交通問(wèn)題的輕型電動(dòng)車(chē)逐漸走進(jìn)人們的視野，發(fā)展為人們都消費(fèi)得起代步交通工具。據(jù)全國(guó)各大城市的市民需求調(diào)查，76%的市民存在將其作為代步工具的需求，可見(jiàn)其需求旺盛。在旺盛出行需求帶動(dòng)下，輕型電動(dòng)車(chē)產(chǎn)量也逐年快速增長(zhǎng)，從工信部消費(fèi)品工業(yè)司公提供的2015年1－6月自行車(chē)行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，我國(guó)上半年累計(jì)生產(chǎn)電動(dòng)自行車(chē)1233.5萬(wàn)輛。近年來(lái)我國(guó)公共交通的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多需要解決短距離交通運(yùn)輸?shù)妮p型電動(dòng)車(chē)，但現(xiàn)有輕型電動(dòng)車(chē)占用空間大，將其攜帶至公共交通上不利于公共交通的運(yùn)輸，因此重量超標(biāo)、尺寸過(guò)大的輕型電動(dòng)車(chē)被限制攜帶上地鐵等公共交通工具。從這個(gè)角度來(lái)看，傳統(tǒng)輕型電動(dòng)車(chē)在滿足用戶的需求上存在一定的局限性，阻礙了其在以公共交通為主，以慢行交通為輔的新的交通格局下發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)。而這些問(wèn)題的出現(xiàn)也恰恰為今后的輕型電動(dòng)車(chē)發(fā)展指明了道路，即當(dāng)前普遍的輕型電動(dòng)車(chē)要向輕量化，便攜化方向轉(zhuǎn)型，發(fā)展為便攜式輕型電動(dòng)車(chē)。便攜式輕型電動(dòng)車(chē)具有方便攜帶，收納性強(qiáng)等特性，可以攜帶至公交車(chē)、地鐵等公共交通工具上，作為公共交通工具與家庭工作地之間的一個(gè)高效連接，成為公共交通的一個(gè)重要輔助環(huán)節(jié)，必不可少的交通工具。

便攜式電動(dòng)車(chē)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及造型特征

便攜式電動(dòng)車(chē)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1881年，法國(guó)工程師古斯塔夫·特魯夫發(fā)明了世界上第一輛輕型電動(dòng)車(chē)，這是一輛用鉛酸電池為動(dòng)力的三輪車(chē)，但由于電池的續(xù)航能力，穩(wěn)定性等因素，并沒(méi)有得到大范圍的市場(chǎng)推行，如何提高電池的綜合性能成了制約輕型電動(dòng)車(chē)發(fā)展的重要因素。21世紀(jì)隨著高能量密度鋰離子電池的出現(xiàn)，在充電時(shí)間、續(xù)駛里程、動(dòng)力性、快速充放電能力等方面取得了可喜的進(jìn)展，許多廠商開(kāi)始對(duì)便攜式輕型電動(dòng)車(chē)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究。

便攜式輕型電動(dòng)車(chē)填補(bǔ)了自行車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)之間的一個(gè)市場(chǎng)空間地帶，它的產(chǎn)業(yè)化必將帶動(dòng)電池、電機(jī)、電控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大其市場(chǎng)需求。

便攜式電動(dòng)車(chē)的造型特征

便攜式電動(dòng)車(chē)從尺寸小型化，功能智能化設(shè)計(jì)理念出發(fā)，正從外形結(jié)構(gòu)到控制系統(tǒng)進(jìn)行脫胎換骨式的改變。在以便攜式電動(dòng)車(chē)為依托的基礎(chǔ)上，結(jié)合集成化微電子技術(shù)對(duì)原有的電動(dòng)機(jī)，控制系統(tǒng)優(yōu)化，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)對(duì)附件尺寸位置及操作所占用的空間等改進(jìn)，在車(chē)身整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的同時(shí)，依舊能保證其續(xù)航能力以及舒適性。伴隨著便攜式電動(dòng)車(chē)產(chǎn)品的不斷更新迭代，多學(xué)科技術(shù)的爆炸與融合，使得未來(lái)的便攜式輕型電動(dòng)車(chē)不斷突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，成為交通運(yùn)輸設(shè)備制造行業(yè)的藍(lán)海。

新科技帶來(lái)便攜式電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)的革新

陀螺儀和加速度計(jì)傳感器技術(shù)對(duì)車(chē)體的造型影響

加速度傳感器測(cè)量車(chē)身的線性加速度，具有較高的穩(wěn)定性。當(dāng)物體傾斜的角度有變化時(shí)，加速度計(jì)的輸出也有相應(yīng)變化。陀螺儀檢測(cè)物體角速度變化，具有高動(dòng)態(tài)特性。陀螺儀通過(guò)對(duì)角速度進(jìn)行積分運(yùn)算，得到物體旋轉(zhuǎn)的角度。在短時(shí)間內(nèi)，陀螺儀測(cè)量具有較高的精度，但陀螺儀容易受振動(dòng)等因素的影響而引入測(cè)量噪聲，積分后會(huì)使測(cè)量誤差變大，因此陀螺儀不適合長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)角度測(cè)量。所以加速度傳感器和陀螺儀產(chǎn)生的信號(hào)相結(jié)合，將電動(dòng)車(chē)平板的傾斜速度以及角度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，A/D將信號(hào)進(jìn)行采集并發(fā)送到微控制器進(jìn)行處理，通過(guò)模糊PID控制算法進(jìn)行分析，判斷出車(chē)身的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，繼而作用于直流無(wú)刷電機(jī)，驅(qū)動(dòng)輪子前進(jìn)后退，從而達(dá)到維持便攜式輕型電動(dòng)車(chē)的平衡的目的。

因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的改變，所以便攜式輕型電動(dòng)車(chē)主要采用獨(dú)輪或者并輪設(shè)計(jì)，這是典型的微型思維車(chē)造型?？刂葡到y(tǒng)的改變使其由原來(lái)的縱向結(jié)構(gòu)變成橫向結(jié)構(gòu)，縮短了車(chē)身的縱向長(zhǎng)度，減少了整車(chē)的重量。這改變不僅使車(chē)身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，也加強(qiáng)了車(chē)身的提攜性能。

以ACTION的火箭鞋為例，每只鞋的的重量只有1.25kg?；鸺捎昧藘奢啿⒅玫牟季?，整體造型小巧，車(chē)身總長(zhǎng)只有420mm，相當(dāng)于A3紙的長(zhǎng)度。其運(yùn)用陀螺儀和加速度計(jì)傳感器技術(shù)，通過(guò)雙腳控制，腳前傾加速，后傾減速或停止，操作智能化。

同樣，滑板造型的onewheel利用陀螺儀和加速度傳感器技術(shù)，和自穩(wěn)車(chē)一樣采用了體感控制方式，身體前傾控制前進(jìn)和加速，后傾則能實(shí)現(xiàn)剎車(chē)或者后退功能。采用傳感器等微電子元器件，減小了控制機(jī)構(gòu)的體積，面板的投影面積22.9×76.2cm2，重量為11.3kg，具有較強(qiáng)的便攜性，即便提著也完全不是問(wèn)題。

圖1　ACTION的火箭鞋　

圖2　Onewheel

圖3　INMOTION的L6成人電動(dòng)滑板

輪轂電機(jī)技術(shù)對(duì)車(chē)體的造型影響

輪轂電機(jī)是將電機(jī)、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合輪轂里面，將原本復(fù)雜的電機(jī)組簡(jiǎn)化成直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)前進(jìn)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。有別于傳統(tǒng)的電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，輪轂電機(jī)技術(shù)的整合不僅提高了傳動(dòng)效率，更優(yōu)化了電機(jī)傳動(dòng)系的空間利用率，讓設(shè)計(jì)師們可以在便攜式輕型電動(dòng)車(chē)造型設(shè)計(jì)上靈活布局，發(fā)揮設(shè)計(jì)的想象空間。以INMOTION的L6成人電動(dòng)滑板車(chē)為例，后輪直徑為267mm的輪轂電機(jī)給整車(chē)提供強(qiáng)大的動(dòng)力，并簡(jiǎn)化了車(chē)身結(jié)構(gòu)，折疊后電動(dòng)鞋的車(chē)身造型相對(duì)壓縮，所占空間小1037*160*418mm，呈現(xiàn)出強(qiáng)大的便攜性。

壓力感應(yīng)器技術(shù)的使用對(duì)車(chē)體的造型影響

便攜式輕型電動(dòng)車(chē)通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)人的腳部動(dòng)作在車(chē)板上壓力的變化，來(lái)對(duì)車(chē)進(jìn)行速度，轉(zhuǎn)向控制?？刂葡到y(tǒng)與車(chē)底板合為一體，省去了傳統(tǒng)電動(dòng)車(chē)的車(chē)把手等機(jī)械控制結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為長(zhǎng)板。通過(guò)對(duì)車(chē)身的輕量化、緊湊化處理，在底板下方給電池系統(tǒng)騰出了空間。在新開(kāi)發(fā)的緊湊型控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)車(chē)輪，電機(jī)進(jìn)行緊湊化，降低底板高度，使人更貼近地面，提升乘客行駛的穩(wěn)定性。底板高度的降低，增強(qiáng)了車(chē)身的離去性，在復(fù)雜多變的路況中，使用者可輕松下車(chē)，提升了安全性。由于這類(lèi)平板模樣的便攜式輕型電動(dòng)車(chē)造型簡(jiǎn)單，形狀規(guī)則，使之更容易提攜。

例如ZBoard 2 電動(dòng)滑板，不使用控制器操作，通過(guò)作用在電動(dòng)滑板面板上的足踏感應(yīng)區(qū)力的大小來(lái)控制滑板的前進(jìn)和停止。不但外觀小巧，而且動(dòng)力十足。ZBoard 2 電動(dòng)滑板都采用的是 500 瓦無(wú)刷電動(dòng)馬達(dá)，最高時(shí)速可達(dá) 32 km，續(xù)航里程是 39km，足以滿足日常生活需要。

圖4　ZBoard 2 電動(dòng)滑板

圖5　Marbel智能滑板

圖6　WalkCar

新材料的使用給便攜式電動(dòng)車(chē)帶來(lái)的全新變化

到目前為止已發(fā)展到集中以碳纖維或鋁合金為車(chē)身材料時(shí)代。

碳纖維材料具有質(zhì)量輕，硬度高的特點(diǎn)，其重量相當(dāng)于鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上，不僅減輕了車(chē)身的重量，其安全性也沒(méi)有降低。同時(shí)，不同于金屬的傳統(tǒng)連接方式—— 電焊，碳纖維材料可以直接采用碳纖維交接模式連接，增加了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以圖五中的Marbel智能滑板為例，碳纖維的車(chē)身為統(tǒng)一的整體塑造創(chuàng)造了有利條件，使車(chē)身造型流暢自然。碳纖維材料的使用不僅帶動(dòng)了輕量化車(chē)身的發(fā)展，也引領(lǐng)著車(chē)用材料的綠色低碳風(fēng)尚。

鋁合金材料由于出色的機(jī)械性能、成熟的成型工藝、特殊的外觀特征等綜合性能使其在金屬材料中脫穎而出，成為極具發(fā)展?jié)摿Φ能?chē)身材料。鋁合金材料的使用在減輕整車(chē)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時(shí)，為車(chē)內(nèi)的智能設(shè)備與蓄電池提供了更大的空間。并且由于其特有的金屬光澤，提升了設(shè)計(jì)的美觀性。例如以鋁合金為車(chē)身的Cocoa Motors公司的 WalkCar，形狀類(lèi)似平板電腦。輕薄的鋁合金車(chē)身給WalkCar帶來(lái)金屬的質(zhì)感與光澤，即符合簡(jiǎn)約主義又極具設(shè)計(jì)感。

結(jié)語(yǔ)

在社會(huì)所倡導(dǎo)的以公共交通為主，私人交通為輔的交通模式下，便攜式輕型電動(dòng)車(chē)無(wú)疑具有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。伴隨著各個(gè)學(xué)科的交流與融合，便攜式輕型電動(dòng)車(chē)集成了電子信息，材料等學(xué)科的技術(shù)，一步步朝著智能化，輕量化的方向發(fā)展。如今，推動(dòng)便攜式電動(dòng)車(chē)發(fā)展的不僅是設(shè)計(jì)上的改進(jìn)與優(yōu)化，更是技術(shù)上的創(chuàng)新與突破。電池技術(shù)的發(fā)展給便攜式電動(dòng)車(chē)的發(fā)展提供了契機(jī)，而電機(jī)及電控等領(lǐng)域取得的進(jìn)步帶領(lǐng)著輕型電動(dòng)車(chē)朝著一個(gè)嶄新的方向前進(jìn)。結(jié)合微型化，便攜化，智能化的設(shè)計(jì)理念，便攜式電動(dòng)車(chē)下一步有望發(fā)展成為交通工具中的可穿戴設(shè)備。