基于软质材料的微型电动车设计研究

崔昊天

摘要：在国家大力发展新能源汽车的大环境下，电动汽车、电动摩托车、电动自行车等新能源交通工具逐渐走进人们的日常生活。在市场的催动下，电动自行车现在中国的保有量非常高，但因为相关的法律法规不够健全，造成了整体杂乱无章的局面。针对这种现状，本设计将对象锁定在行驶在非机动车道上的微型电动车，以设计出全新的并且符合国家相关法律规定的微型电动自行车为目标。文章从实际背景开始，引出研究的问题：在新电动自行车通用技术条件（新国标）的相关规定下，设计出轻量化、安全、美观而且可以为驾驶人员和乘坐人员提供全天候驾驶环境的新型微型电动车，并将此设计定义为电动自行车，满足非机动车道的相关行驶规定。之后基于材料的创新性使用，经过对轻质材料的调研分析，最终确定以软质车身材料作为主要的设计元素。文章最后部分为整个的设计流程，本设计旨在以软质车身材料的使用为基础，设计出一款可折叠、并且能为驾驶人员提供全天候驾驶环境的，同时又满足国家相关规定的新型微型电动车。

关键词：微型电动车设计;软质车身材料;可折疊;全天候

1微型电动车的现状分析

1.1国内现有微型电动车的种类

按照有无外壳的分类方法，本文中将现有的微型电动车分为无外壳电动自行车、有外壳电动自行车和有外壳四轮电动车三种。

无外壳的电动自行车单价在1500元—3500元不等，可乘坐人数为单人和多人，外壳材料多为塑料和玻璃钢，这样的微型电动自行车质量轻、体积小，较为便捷，但是无法为驾驶者提供封闭的驾驶空间和驾驶条件，安全系数较低。

有外壳电动自行车大多数有较为结实的硬质外壳，有些是使用硬质的骨架、外包防水的帆布等软质材料作为外壳，分为载物与载人两种。可为驾驶员以及其他的乘坐人员提供全天候的车内环境，时速较高，整车质量较重。这种类型的电动自行车单价区间在3500元—5500元不等，整车的质量150kg—300kg之间，最高时速30km/h—45km/h。外壳的材料多为塑料、金属等。

第三种为有壳的四轮电动车，这类电动车拥有制作较为完整的外饰和内饰，整车接近现在的小型汽车，时速高，具有很好的续航能力，可为乘坐人员提供较为舒适的驾驶条件，但是整车质量较大，相对于汽车来说，安全系数较低，而且对第三方造成危险的系数较高。这种类型的电动车价格较高，8000元—25000元不等，普遍可容纳两人及以上的人同时乘坐，最高时速50km/h，质量500kg—900kg不等，外壳的材料多为塑料、玻璃钢和金属。

通过对市面上现有的微型电动车的外壳材料进行分析，将现有的外壳分为轻质材料外壳和硬质材料外壳两大类，并且同时调研分析不同材料的加工工艺。

软质材料外壳一般使用金属管作为支架，金属管之间用螺丝固定，然后将帆布或者其他软质材料包裹金属骨架。价格在100元—200元不等。以遮风挡雨为主，价格较低，制作简单。

多数硬质材料外壳使用的材料有两大类，金属材料和非金属材料。其中非金属材料多为塑料和玻璃钢。车壳的加工方式为ABS塑料板真空吸塑，价格在960元—1000元/套;红色车壳的成型工艺为塑料滚塑成型，滚塑电动车壳、电动三轮车壳、塑料车壳加工成本高的是吹塑、注塑模具是成本的1/3到1/4。这两种不同的加工方式都具有各自的特点，滚塑成型和其他模具工艺相比，滚塑工艺提供了更多的设计空间。在正确的设计理念之下，可以将几部分零件组合成一个完整的模具，这种做法大大降低了高昂的装配成本。

金属材料的外壳主要架构为金属框架外加金属蒙皮，这样的外壳强度较高，使用周期较长，制作成本低且安全性较高，但是外壳整体的重量较重。此类型的车棚优点是由镀锌管与异形管焊接而成，部分为螺丝固定，车窗为钢化玻璃。

将现在市面的微型电动车以及老年人用车的情况进行总结，发现现有的微型电动车有以下主要三方面的问题，包括电动车其自身存在的两方面问题以及在行驶过程当中给第三方带来的问题。首先自身原因包括：（1）很多情况下无法给驾驶员提供全天候的驾驶环境，甚至有些驾驶人员需要完全暴露在外面，使得现今的微型电动车存在很多安全隐患。（2）大多数具有全封闭或者半封闭驾驶空间的微型电动车存在自身质量过大的问题，不符合相应的国家标准，但是质量上符合标注的车型又无法为驾驶人员与其他乘坐人员提供全天候的车内环境。（3）对于除其之外的在非机动车道上行驶的其他车辆以及行人等第三方，有硬质外壳的微型电动车由于其时速相对来说较高，可能会给第三方带来很多安全问题，增加了其本身与第三方在路面行驶过程当中的危险系数。

通过对现有的微型电车的整体调研与分析，对现有的车型尤其是现有的微型电动车的车壳进行一定的了解，在分析现有微型电动车优缺点的过程当中，为今后的设计任务寻找机会点。在了解了现在多数微型电动车外壳的材料以及相应的加工工艺、价格等相关信息的基础上，为之后对轻质材料的研究提供了更有针对性的研究。

1.2国内现有微型电动车现存问题

随着城市规模的不断扩大，随之带来的交通问题也越来越多。城市机动车数量的快速增加，不仅给城市的交通带来了巨大的压力，由机动车释放出的尾气等一系列问题也给环境带来了很大的危害。国家现在需要大力发展公共交通系统，但是公共交通系统不够快捷方便，换乘较为费时。现有的个人自主交通又存在较多的问题，例如现有的小型电动车大多数存在不符合国家标准，做工差、安全系数较低等诸多问题。

据调查，新的电动自行车安全技术规范中（GB17761-2018《电动自行车安全技术规范》），国家标准把限速提高到25km/h，整车质量（不合电池重量）将改为不能大于55kg。

新的电动自行车通用技术条件国家标准将电动自行车分为3类：智动型、助动型、电动型。限制质量分别为40kg、50kg和55kg。

本设计将目标锁定在新的电动自行车安全技术规范（GB17761-2018《电动自行车安全技术规范》），尝试寻找出新的微型电动车设计的可能。

微型电动车作为城市个人的代步工具已逐渐步入人们的生活，各种两轮、三轮、四轮的微型电动车层出不穷，作为非机动车，其各项指标应满足非机动车道的行驶要求。现阶段，由于相关法律法规不够完善，以及巨大的市场需求，使得现在市面上的微型电动车杂乱无章。对现在市面的微型电动车以及老年人用车的情况进行总结，发现现有的微型电动车有以下主要两方面的问题，包括电动车其自身存在的问题以及在行驶过程当中给第三方带来的问题。

首先，自身原因包括：（1）电池续航能力不足。（2）很多情况无法给驾驶员提供全天候的驾驶环境，甚至有些驾驶人员完全暴露在外面，使得现今的微型电动车存在很多安全隐患，这是由于现在的电池技术不够成熟以及使用的材料过于单一所造成的;其次，对于除其之外的在非机动车道上行驶的其他车辆以及行人等第三方带来很大的安全问题，现有的微型电动车有些没有外部保护有些有硬质的外壳，和汽车不同，微型电动车与行人等第三方发生接触的可能性很多，所以未来微型电动车可能需要一种全新的或者是其他的材料代替现用的材料，可以更加轻量化，不仅可以保护驾驶人员，同时也可以对第三方起到一定的保护作用。本设计从材料的角度出发，全新的材料应用可能使得微型电动车拥有完全不同的造型语义，研究出更加轻量化、安全、美观而且可以为驾驶人员和乘坐人员提供全天候驾驶环境的新型微型电动车。

由于现有的个人自主交通、公共交通系统都存在着诸多问题，通过对各方面条件的总结与分析，找到设计的关键点为：在新电动自行车通用技术条件（新国标）的相关规定下，设计出轻量化、安全、美观而且可以为驾驶人员和乘坐人员提供全天候驾驶环境的新型微型电动车，并将此设计定义为电动自行车，满足非机动车道的相关行驶规定。

2轻质材料及其在微型电动车设计中的应用可行性分析

2.1轻质材料的优势分析

轻质材料，无论是金属轻质材料还是非金属轻质材料在很多领域都得到非常广泛的应用，在保证一定强度的基础上，轻质材料的质量更加轻便。例如在汽车制造业，铝合金、铝镁合金等轻质金属材料得到了广泛应用，车身在不断减轻质量的同时强度更高，可以更好的保护车内人员的安全。

新型轻量化车身材料具有很多优点，不仅可以降低加工成本，还可以降低车身自身的质量，从而提高燃油的有效使用效率。由此可以说明，将高强度钢、金属泡沫材料、塑料、碳纤维等轻质材料应用在电动汽车车身上具有非常重要意义。同样，在保证强度的情况下，轻量化材料对于减小微型电动车质量，提高电池使用的效率具有重要意义。在电动车动力不足、行驶里程较短等问题的制约下，例如镁合金、铝合金、高强度钢、金属泡沫材料以及塑料和高强度纤维复合材料等轻质化材料对于电动车的研究有着十分重要的意义。对于体积较小、载重能力有限的微型电动车车身来说，材料应该向更加轻、降低成本、快速回收效益、更易成型、稳定性较高的方向发展。

根据各种轻质材料不同的特征属性和用途，将其分为骨架类轻质材料与蒙皮类轻质材料。

首先骨架类轻质材料可分为金属类与非金属类两种。金属骨架类轻质材料例如高强度钢、铝合金、镁合金等金属材料，在当今汽车制造业中，车身材料的使用依然以钢材为主。铝材具有很好的吸能性，在发生碰撞时安全性有明显的优势，而且质量要比钢材小很多。镁是比铝质量更轻的金属材料，镁合金具有质量轻、易加工、强度较高等优点。以上的金属材料加工成型的工艺类似，都具有强度较高、精度也很高的特点。但是金属材料加工模具制造費用太高，而且需要大批量的生产，成本较高，不适合产量较小、生产周期短的产品。

非金属骨架类轻质材料包括众所周知的碳纤维、玻璃钢等高强度纤维复合材料。除了钢、镁铝合金等金属材料，高强度纤维复合材料，特别是碳纤维与玻璃钢，在汽车生产中得到了非常广泛的应用。碳纤维是一种具有轻质量、高强度、高刚性等优点的材料，同时碳纤维具有良好的耐腐蚀、耐蠕变等优点，但缺点是碳纤维材料本身的成本较高。玻璃钢具有较好的耐腐蚀性与绝缘性，并且比强度较高，虽然没有碳纤维材料的优点多，但是使用玻璃钢作为车身材料，加工模具成本低，加工工艺较为简单，生产周期较短，可以满足小批量生产的需要，因此玻璃钢是很有前途的车用轻量化材料。

其次是蒙皮类轻质材料可分为硬质蒙皮类轻质材料与软质蒙皮类轻质材料。碳纤维、塑料等硬质蒙皮材料。塑料作为一种高分子材料，在人们的生活中得到了非常广泛的应用，它不但可以代替很多昂贵的有色金属材料和合金材料，而且成本较低、质量较轻。近年来，塑料在汽车和电动自行车上的应用越来越多，无论是在汽车内饰还是外饰等方面，塑料作为覆盖件应用非常广泛。碳纤维作为一种高强度复合材料，在交通工具的各个部件上都得到了很好的运用，具有轻质量、高强度、高刚性等特点，同时碳纤维具有良好的耐腐蚀、耐蠕变等优点，但缺点是碳纤维材料本身的成本较高。

软质蒙皮类轻质材料包括常用的一些防水、防火的复合型软布材料和充气膜结构等软质轻质材料。例如，很多越野车以及很多敞篷车的软质顶棚，都具有很好的防水、保温、隔热等功能。软质的材料还在婴儿车等产品上得到广泛应用。比较典型的例子是宝马的概念车Gina的外饰材料是一种名为聚亚胺酯涂层莱卡的复合型软质材料，具有很好的延展性并且可以防火，质地柔软。还有像很多婴儿车的布篷使用的是涤纶或者是晴纶材料的布料。

2.2微型电动车应用轻质材料可能性分析

充气结构（又名充气膜结构，是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空气后而形成一定空间的结构。充气式结构又可分为气承式膜结构和气囊式膜结构），容易与外部环境发生触碰（磕碰、剐蹭等）的部位用其他软质材料包裹（各种弹性体、橡胶、苯板、海绵等）。其中较为典型的是著名的“水立方”游泳馆，充气结构的建筑可以快速成型，施工周期短，有很好的保温性。

充气结构还未被使用在车身外饰材料上，但具有很多先天优势的条件。充气结构按照不同的成型方式，将其分为三种：（1）充气充骨架（气囊式膜结构），外加其他轻质、软质材料包裹。典型的例子是气肋式充气帐篷。这种充气结构抗拉强度高、刚性大、气密性较好、组装方便、防雨隔热、成型快、框架内无硬物等特点。（2）整体充气式结构，也称气承式膜结构。采用此方法进行成型的充气帐篷具有刚性大、稳定、隔音、隔热、成型回收速度快、结构简单、体积小等特点，是最为普遍的充气膜结构。（3）有硬质框架的充气膜结构。这样的充气膜结构在理论上属于气囊式膜结构的一种，较为典型的例子就是“水立方”，其采用了一种名为ETF的材料，可防火。

如果采用充气膜结构作为车身的材料，整个车身的主题可实现自主自由的收放，便于大量停放，有着其他材料所不能实现的结构特征和造型语言。但是充气膜结构表面与其他硬质材料相比，其防划伤、防刮蹭的程度较低，因而研究了相应的充气结构防划伤漏气的处理方法。具体的方法有三种：（1）多气室。多气室结构可以有效防止充气结构某一点产生微孔漏气导致其彻底失去相应的功能这样的情况。（2）内部防划伤处理。所谓内部防划伤处理就是在充气膜结构的内表面增涂防划伤的涂料，可有效减缓其漏气的速度。例如，MPN、ES胶料均为喷涂在内壁的保护涂层，当直径在6mm以下的尖锐物体刺入时迅速被胶料涂层紧密包裹而不会漏气;当尖锐物体被拔出时，穿孔被胶料涂层瞬间填充和密封好，可以有效地解决被刺扎造成的泄气和慢漏现象。（3）表面防划伤处理。在充气结构的表面覆盖防划伤、防刺伤的软质材料，达到较好的防划效果。例如“聚对苯二甲酰对苯二胺”，是一种新型高科技合成纤维，质量仅为钢丝的1/5左右，但其强度是钢丝的5倍左右，韧性约是钢丝的2倍。这种材料具有超高强度，不仅如此，其还具有耐酸耐碱、耐高温、重量轻、抗老化、绝缘、使用寿命较长等特征，在防弹制品、建材、复合材料、特种防护服装、电子设备等领域都得到了广泛的应用。

通过调查与研究，在一定程度上解了硬质、软质轻质材料的不同特性。总结出充气结构质地软、弹性大，不仅可以作为骨架，还可以作为提供保温、隔热的蒙皮。重要之处在于充气结构可以最大程度上满足新电动自行车通用技术条件当中对于整车重量的限制（除去电池整车重量小于55kg）。并且与其他轻质材料相比，充气结构具有成本低、成型快的特点。但是充气结构的强度与硬质的骨架类结构相比较低，所以最后的设计形式可能是以充气结构为主，其他轻质材料为辅的形式。另外通过对实例的调查与研究，了解了现有的电动自行车的一些基本信息。加之对之前内容的分析，总结如下几点：

1）充气结构虽然结构较轻，但是强度不够，在保证整车质量（除电池）不超过55kg的情况下，车的四周应用硬质的轻质材料，增加车体强度，保证驾驶人员的安全。

2）设计为双人电动自行车。

3基于软质材料的微型电动车设计实践

3.1设计原则与设计定位

目标用户：由于微型电动车使用范围较广，没有特定的使用人群，所以此次设计在一定程度上为通用化设计，以便适合更多的人使用。使用者需要具有一定的驾驶能力，且对于微型电动车有一定的需要。

设计定位：整车可折叠，可以为驾驶人员提供全天候的驾驶环境，不借助人力就可完成整车的收放过程。设计定位为该设计的重要评价标准。

3.2轻质材料在造型设计中的应用和表现

设计任务中的关键点为：（1）车身充气后与折叠后的具体流程和方式，尤其是前窗玻璃的活动路径具体是什么;（2）设计出具有充气成型工艺特征的造型。

根据以上关键点的总结，首先制作了更加符合设计的意象板（如图1）。意象板中的造型更加柔软，更加能够体现最终想达到的效果，其中气泡的造型非常接近该设计表面纹理的特点，很自然，在加上气球一样柔软的材料，共同构成了设计特点。新的意象板明确了设计主要的造型语言为“BUBBLE”，所以将新的设计方案命名为“BUBBLE”。

确定了新的造型风格之后开始草图绘制。首先绘制了一个预想的方案（如图2），图中车身侧面鼓起的部分是一个一个的小气室，这些气室形成了该设计独有的造型风格，由充气结构形成特殊的表面机理;同时又是充气结构的一部分，具有很好的保温效果。在这些气室，有些透明有些不透明，这些透明的部分就形成了该车的侧窗。

在外饰设计方面首先设计了特有的纹理元素，并将其运用到这个车身的造型当中（如图2）。在内饰设计方面，如图2所示，考虑到车身如何折叠时，为了整体降低车身的高度，内饰中的仪表盘、方向盘等部件和前窗玻璃都需要同时降低高度，所以设计时将前窗玻璃与内饰中的仪表盘与方盘设计为整体围绕一个中心进行转动，在仪表盘的下部有一个气囊，在整车开始充气时，前窗玻璃与内饰中的仪表、方向盘就会随着气囊体积不断变大的同时围绕着同一个轴心转动，反之车身充气结构放气，它们的高度也将降低，这样的方式可以解决内饰部件与前窗玻璃在折叠时的问题，内饰中的座椅以同样的方式解决（如图3）。

确定设计方向，便开始了更加深入的设计，对现有的方案进行跟进一步的完善。在设计的雏形确定之后，第一轮的方案设计了9个方向，最终选择了A方案进行深入发展。以A设计方向为基础，又深化出4个不同的设计方案。并从中选出B方案作为后期设计的主要方向（如图4）。

外饰方案雏形基本上确定了最终设计的主要造型特征与整体比例。设计具有特有的奶瓶纹理，并将其作为主要的设计元素运用到这个车身的造型当中。在造型与功能设计完成到这个程度之后，解决了很多问题，例如预设计阶段产生的种种问题，也考虑清楚了很多问题。确定了最终的PACKAGE。如图5所示，整车的高度为1480mm，长2430mm，最大宽度为1200mm，轴距为1760mm;折叠后车高910mm。设计舍弃了之前靠冲气囊完成前窗折叠，改为转轴，并将这一特征放大。最终确定的车身充气形式为：车身后部的充气结构先充气，连动着整个前窗升起，这样的形式最大优点就是可以快速充起一个完整的驾驶空间，驾驶人员可以很快进入车内进行驾驶，剩下的车门部分在车辆行驶的过程當中完成充气。侧门靠近转轴的部分不充气，只是一层透明的材料，可以最大程度的保证驾驶人员的视野，同时这块透明材与车身是靠防雨拉链连接，可拉开透气也可以全部拆下。

图6中所示，为该车特有的电池充电桩，这样的充电桩设立在小区或者该车专用的停车场地，车辆没有电时可以及时换装充好电的电池并继续行驶，此外该车的电池也可以使用家中的电源充电，方便快捷。之所以如此设计主要的原因是：（1）如果电池出现问题可以及时维修，这样的方式相比电池放在底盘的方式要方便得多。（2）在某些场所设立电池充电桩不仅可以给驾驶人员提供方便，同时也降低了车辆滞留的时间。

如图6所示，方案中侧门部分，前1/5的部分为透明材料，这样做的原因首先是为了保证驾驶人员的侧面视野，其次是为了使内部的环境更加透气。此外，对于侧窗的设计与之前相比也有不同，之前侧门板上的奶瓶装纹理实质上都是一个个充满空气的气泡，具有很好的保温效果，但是经过工厂调研之后，发现现有的透明膜材料如果是两层并且中间充满空气，透明度和清晰度都不是很好。所以侧门上的透明的奶瓶装纹理部分，都为单层的透明膜，这样做就可以保证驾驶人员的侧面视野。如图6所示，是现在常用的透明膜，虽然理论上会有透明度很多，但是实际上随膜厚度的增加其透明度就会降低，所以最终决定侧窗部分改为单层膜。

考虑到整车的折叠方式，设计了前窗玻璃在折叠或者展开时的运动路径;左右气泵可独立完成整车的收放工作，对比设计定位（设计定位：整车可折叠，可以为驾驶人员提供全天候的驾驶环境，不借助人力就可完成整车的收放过程），此次设计满足了最初提出的所有问题，故选择此方案作为设计的最终方案原型。

最终的外饰设计方面，将侧门气泡的造型语言用N7整车的细节设计中（如图10所示）这样的造型使得转向灯从任何角度都可以看到，保证了行车的安全。后轮包围也经过了重新的设计，使其从造型上看更加的柔软，材料上选择强度较高的硬质泡沫，这样的材料具有一定的强度，但是对于第三方来说，发生碰撞时依然是一种较为软质的材料。车身后部的凸起部分是电池箱的箱盖，可揭开后将充好电的电池放入（如图8）。前轮的挡泥板与防撞部分材料都为硬质的泡沫，上面会覆盖一层质地较软的橡胶材料，这样做不仅可以使其质感更加软，还可以使其在真的发生撞击后不会完全碎裂。造型上，继续沿用了整车上的圆筒造型，在前防撞板上还布置了很多橡胶材料的橡胶粒，不仅从造型上丰富了细节并且还具有使用价值（如图7）。在车身结构方面，为了使整个充气结构更加稳定，设计了多气室结构，每个气室间都配有单项阀门，确保在发生漏气的情况时能够最大程度的保证车身的强度与结构的完整，车身下部还设置了工具箱可以进行快速修补与维修（如图8）。整车的充气与折叠流程如图9所示。

开门方式设计以驾驶人员手臂开门的舒适程度为出发点，经过筛选后选出了较为合适的方案（如图11）。车门的转轴位于整个车门的3/4的位置，开启方式如图12所示。这样开门方式舒适很多，并且可以满足前后排人员方便的进出车内。图12中设计方案门板处有一段是凹陷的，这部分是开门的转轴，其充气量较门板上其他部分要少很多，所以刚性较低时才可打开。车的开门方式。和普通的开门方式一样，但由于车身上没有硬质的部分，所以侧门没有硬质的转轴，侧门与车身的连接处的加工工艺为超声波焊接，强度很高。

内饰方面，首先去掉了前排座椅传统意义上的靠背，改为类似双人摩托车驾驶员后面的小靠背，造型上只是一个加高的凸起，这样的设计原因有：（1）方便后排人员进出。（2）前窗玻璃落下时不会遇到障碍，而且可以提高其降低的高度（如图13）。其次，去掉了体积较大、较为复杂的仪表设计，改为在前转轴上设计一个凹槽，这样做的目的是可以省去复杂的仪表设备，降低整车质量，而且发现现在的驾驶人员很多时候都是使用手机等移动设备进行导航操作。车内的信息包括电量、时速等信息都可以通過网络、蓝牙等方式共享到移动设备上（如图14）。

整车设计方面，由于设计为充气的车身结构，在折叠后整车体积大大降低，在一定占地面积范围内可大量存放，有效提高空间使用率（图13）。

4结论

文章以新电动自行车、摩托车通用技术条件作为出发点，旨在尝试一种全新的车身材料带来的一种全新微型电动车使用方式。文章中，先是通过对现有的微型电动车的研究与分析，发现现有的微型电动车由于相关的法律法规不健全，之后确定以即将颁布的新电动自行车、摩托车通用技术条件（国家标准）作为基本的出发点开始进行创新设计。

文章的主题是软质车身材料的创新性应用的微型电动车设计，之后对现有的车身材料进行分析，对现有的软质材料进行分析，通过层层筛选，最终确定以充气结构作为这次设计的主要研究对象并加以充分运用。最终通过设计，从数十个草图方案中选出方案雏形，严格按照由设计定位所得出的评价标准对方案进行不断深化，经过不断的修改完善、准确PACKAGE的制作与探讨，最终得出结果。此次设计具有一定的前瞻性，经过长时间的不断试错、修改与完善，最终设计出一款充气的新型的微型电动车。