三、 電動代步車動力模組的測試系統規劃與建立
3.4 實驗規劃與結果
3.4.2 電動代步車動力模組測試的初步結論
實驗 9 470 14 100 320 3.0 16.3 30.6~
實驗 11 為 9M(470W)馬達+26：1 變速箱+3.00-4(260mm)輪胎+5kg 座椅底板+重心 位置 0mm，成本為 NTD 4,238 元，而實驗 16 為 10M(500W)馬達+30：1 變速箱 +4.00-4(290mm)輪胎+3kg 座椅底板+重心位置 0mm，成本為 NTD 4,615 元。最後，
依據成本考量實驗 11 比實驗 16 更具競爭力。若再針對座椅底板的重量進行輕量 化，在不影響結構強度之下，成本還可以降低。
表 15 L16
45 直交表的實驗數據(部分)第四章 電動代步車座椅底板的設計改良
在第三章的初步結論中，L16
45 直交表的實驗數據顯示，四輪電動代步車(如 圖 68)的座椅底板重量更輕，就能讓電動代步車的速度更快，消耗電流小使得續 航力增加。在以往的實際測試中，電動代步車的座椅底板強度，往往關係著墜落 測試(Drop Test)是否成功，如圖 69 所示。座椅底板上承使用者 93％的重量，其下接車架的座管與龍骨(主樑)，如圖 70、圖 71 所示。
圖 68 四輪電動代步車 圖 69 電動代步車的墜落測試
圖 70 電動代步車車架結構 圖 71 電動代步車車架龍骨與座管處結構
4.1 電動代步車座管的分析
4.1.2 電動代步車座管的分析定義 元素、截面特性、及材料定義：
(1) 元素型式(Element Type)
包含 (a) 零維(0–D)之質點及空隙等元素。
(b) 一維(1-D)之樑及柱等元素。
(c) 二維(2–D)之板及殼等元素，此分析過程採用shell 63。
(d) 三維(3–D)之四面體及六面體等元素。
(2) 實體常數(Real Constants)
因為一般在分析時取其簡便及縮短時間，都將模型簡化以加快分析，所 以此部分在定義模型的截面特性，依元素型式可分為：
(a)一維(1-D)：以線代表中性軸，須定義截面尺寸及慣性矩等特性。
(b)二維(2–D)：以薄板代替體，需定義厚度。此專案之板材厚度分別為2, 2.5及3 mm。
(c)三維(3–D)：直接繪製出實體，不用定義截面特性。
(3) 材料性質(Material Properties)
必須定義的主要參數包括剛性係數EX及EY、剪彈性模數GXY和蒲松比 NUXY等，依材料性質而定。可分：
(a) 等向材料(Isotropic)：須定義楊式係數E，蒲松比。此case於查詢相 關文件資料後，定義楊氏係數= 2e11，蒲松比= 0.3。
(b) 正交材料(Orthotropic)：須定義EX及EY。
(c) 非等向材料(Anisotropic)：因每個方向的材料參數均不同，必須輸入 所有方向的數值。
4.1.3 電動代步車座管分析的幾何圖形繪製
此步驟在於繪出所要分析的物體經簡化而得之模型，也可經由其它CAD系統 輸入，但是因為結構外形必須定義清楚且正確，而經由輸入轉檔而來的模型，常 會有破裂不完整的情形發生，例如接合不佳及尺寸的誤差等情形，均會影響分析 結果，因此本次分析皆在ANSYS環境中直接繪製，所得的結果也較準確。
結構外形的分格將定義好的結構外型，在此步驟分成小網格產生節點供後續 分析計算。網格的粗細及元素的種類，和計算結果的誤差有很大的關係，本次分 析主要以mapped的方式進行mesh,對於無法以mapped完成部份改以 free mesh模 式彌補，如圖72為圓形座管的幾何模型，如圖73為方形座管的幾何模型。
負載及夾持的定義依題目要求來設定，在結構分析方面，主要定義以下兩部 份：
(1) 邊界條件(Boundary Conditions) T型主樑結構底座三端設定位移為零。
(2) 施以 136kg 負載之軸向力於座管。
圖 72 圓形座管的幾何模型
圖 73 方形座管的幾何模型
4.1.4 電動代步車座管分析的結果
電動代步車座管的分析，以ANSYS求解後之結果如圖 74(von-Mises stress) 所示。ANSYS建構幾何模型、鋪設網格、加載邊界條件及求解的程序，如圖 75 所示。
圖 74 座管分析的von-Mises stress 圖形
圖 75 電動代步車座管的 ANSYS 分析流程
電動代步車座管以 ANSYS 求解後之結果，得到以下 8 種座管模型之最大位移 與最大應力值，如表 18、表 19 所示。
表 18 8 種座管模型於 ANSYS 求解後的最大位移與最大應力值表
表 19 8 種座管模型於 ANSYS 求解後的最大位移與最大應力值表
經過有限元素分析軟體 ANSYS 的模擬分析後，初步可以判斷電動代步車的座 管，若僅考慮垂直的軸向負載時，圓形座管穿刺焊接加左、右斜邊補強，應為最 佳化設計。但若考慮成本，直接以圓形座管穿刺焊接，亦可達所需的補強效果，
而且與業界使用採用的設計相同，如圖 76 與圖 77 所示。
圖 76 圓形座管左、右斜邊補強 圖 77 圓形座管的穿刺焊接
4.2 電動代步車座椅底板的設計 4.2.1 電動代步車座椅底板的設計簡介
電動代步車零件的重量，直接影響車輛的續航力、成本、爬坡能力…等。
其中，座椅底板由於直接承受騎乘者的體重，必須能支撐至少 115kg 的重量 且儘可能的輕量化。所以，選取電動代步車上最直接承受重量的零件－座椅 底板來進行輕量化的設計，以了解座椅底板的重量對車輛速度、爬坡能力…
等的影響。
由於，3D 模型使用 Solid Works 軟體建構，為避免轉存檔案而造成圖檔 的破壞與遺失。所以，座椅底板有限元素的分析採用 Solid Works COSMOS X-Press 分析。Solid Works COSMOS X-Press 的分析相當容易使用，在 3D 模型建構完成並加入現制條件後，即可進行有限元素的分析。而且求解的速 度相當快速。所以，本章節與 4.1 章節採用不同的有限元素分析軟體，進行 代步車座椅底板的設計分析。
4.2.2 電動代步車座椅底板的設計流程
電動代步車進行座椅底板的設計時，座椅底板輕量化的設計，使用 Solid Works 建構 3D 模型與 Solid Works COSMOS X-Press 分析應力、
應變、位移與安全係數。其設計流程如圖 78 所示。
建構 3D 模型
與現有座椅底板進行 COSMOS Xpress 分析
資料整理與結果分析
論文撰寫 FS>1.5
FS<1.5 以 COSMOS Xpress
比較安全係數 FS。
收集座椅底板相關資料
圖 78 座椅底板的設計流程圖
4.2.3 電動代步車座椅底板的設計方法
車輛零件的重量直接影響車輛的續航力、成本、爬坡能力…等。本文選取電 動代步車上最直接承受重量的零件－座椅底板來進行設計，以了解座椅底板的重 量與車輛整體表現的影響。目前舊設計的座椅底板，如圖 79、圖 80、圖 81 與圖 82。另外，再設計一款新的座椅底板，在能符合最小安全係數 1.5 的要求下，將 座椅底板的重量最小化，新設計的座椅底板如圖 83 與圖 84 所示。
圖 79 舊設計 XL4 座椅底板(正面) 圖 80 舊設計 XL4 座椅底板(背面)
圖 81 舊設計 ML4 座椅底板(正面) 圖 82 舊設計 ML4 座椅底板(背面)
圖 83 新設計座椅底板(正面) 圖 84 新設計座椅底板(背面)
新設計的座椅底板，係依據舊設計的座椅底板改良而來，如圖 85 所示舊設 計 XL4 座椅底板，主板使用折床加工成型，心軸以實心棒設計。如圖 86 所示舊 設計 ML4 座椅底板，主板使用沖床加工成型，心軸以厚管材料設計。而新設計 的座椅底板如圖 87 所示，加強沖床加工成型的深度(增加 I 值慣性矩)，改以主 板與副板均使用沖床加工成型，整體結構強度增加重量也得以減輕。
圖 85 舊設計座椅底板(XL4)剖視圖
圖 86 舊設計座椅底板(ML4)剖視圖
圖 87 新設計座椅底板剖視圖
4.2.4 電動代步車座椅底板的設計模擬
新設計的座椅底板使用低碳鋼板製作，分為主板與副板兩塊，以 CO 焊接加 工。並考慮使用的低碳鋼板厚度的限制，與成型沖模的要求，所以在此部份不進 行田口實驗設計，也不進行最佳化的設計，僅以 11 個簡易的主板與副板厚度的 排列、組合進行模擬分析。
2
新設計的座椅，設定承受 550LB(250kg)的正向力，位置於座椅底板的中央，
如圖 88 所示。
F=550 lb
圖 88 座椅底板承受 550LB(250kg)的正向力
再考慮座椅底板會有承受彎矩(M)的情形，在 Solid Works Xpress 設定中，
將承受的彎矩(M)改以正向力(F)乘以位移(S)代替。預設座椅底板承受彎矩(M) 的方向分為三種形式：第一種形式為前、後方向的彎矩(前壓，後拉)，如圖 89。
第二種形式為左、右方向的彎矩(左壓，右拉)，如圖 90。第三種形式為斜角方 向的彎矩(左前、左後與右前壓，右後拉)，如圖 91。
M
圖 89 前後方向的彎矩 (前壓，後拉)
M
圖 90 左右方向的彎矩 (左壓，右拉)
M
圖 91 斜角方向的彎矩 (左前、左後與右前壓，右後拉)
預設座椅底板承受彎矩(M)的三種形式，在 Solid Works Xpress 的邊界條件 設定為：座椅底板底部心軸 FX、FY 與 FZ 三軸向固定，如圖 92 所示。力量的施 與為每點 68.75lb，如圖 93 與 94 所示。第三種形式斜角方向的彎矩(左前壓右 後拉)，其力量的施與為每點 137.5lb，如圖 95 所示，此設定為加嚴設定。
圖 92 座椅底板底部心軸固定
前
後
圖 93 前壓(68.75lbx4 點)後拉(68.75lbx4 點)
圖 94 左壓(68.75lbx4 點)右拉(68.75lbx4 點)
圖 95 左前、左後與右前壓(68.75lbx6 點)右後拉(68.75lbx2 點)
4.2.5 電動代步車座椅底板設計的初步結論
座椅底板輕量化的設計，首先，針對新、舊設計的座椅底板承受正向力的負 載，藉由 Solid Works COSMOS X-Press 分析應力、應變、位移與安全係數，並 擷取其座椅底板重量(kg)與最小安全係數兩項，彙整如表 20 所示。
後
前
前
後
表 20 新、舊設計的座椅底板承受正向力後的強度比較表
座椅底板編號 座椅底板重量 kg 最小安全係數 底板的板厚 mm NO.1(舊設計 XL4)
4.7 kg FS=2.3 主板 4.0/副板 4.0
NO.2(舊設計 ML4)
2.4 kg FS=1.5 主板 3.5/副板 3.0
NO.3(新設計一)
(新設計一~新設計十一的外 型皆一致)
2.8 kg FS=2.9 主板 3.5/副板 3.5
NO.4(新設計二) 2.5 kg FS=1.4 主板 3.0/副板 3.0 NO.5(新設計三) 2.4 kg FS=1.9 主板 3.0/副板 2.5 NO.6(新設計四) 2.3 kg FS=1.6 主板 3.0/副板 2.0 NO.7(新設計五) 2.2 kg FS=1.8 主板 3.0/副板 1.5 NO.8(新設計六) 1.9 kg FS=1.1 主板 2.5/副板 1.5 NO.9(新設計七) 2.0 kg FS=1.0 主板 2.5/副板 2.0 NO.10(新設計八) 2.1 kg FS=1.2 主板 2.5/副板 2.5 NO.11(新設計九) 2.5 kg FS=1.4 主板 3.5/副板 3.0 NO.12(新設計十) 2.4 kg FS=1.9 主板 3.5/副板 2.5 NO.13(新設計十一) 2.3 kg FS=1.6 主板 3.5/副板 2.0
座椅底板承受正向力的強度分析結果：
新設計的座椅底板使用低碳鋼板製作，分為主板與副板兩塊，以 CO
2
焊接加工。設定座椅底板承受 550LB(250kg)的正向力，位置於座椅底板 的中央。分析的結果如表 20 所示，編號 NO.1 與 NO.2 為舊有的設計。NO.3~
NO.13 共 11 款為新設計，其差異為主板與副板的厚度調整不同。
承受 550LB(250kg)的正向力，設定座椅底板上的最小安全係數不得 低於 1.5，低於 1.5 視為失敗。由表 20 中發現 NO.3、NO.5、NO.6、NO.7、
NO.12 與 NO.13 符合最小安全係數不得低於 1.5 的要求。但基於成本考量，需 選擇重量最輕的座椅底板 NO.7(主板 3.0mm/副板 1.5mm)。
再將舊設計座椅底板 NO.1、NO.2，與新設計座椅底板 NO.7(主板 3.0mm/
副板 1.5mm)比較，如表 21 所示。座椅底板重量方面，舊設計座椅底板
(XL4)NO.1 為 4.7 kg，舊設計座椅底板 NO.2(ML4)為 2.4 kg，而新設計座椅底 板 NO.7(新設計五)僅 2.2 kg。
安全係數方面，舊設計座椅底板(XL4)NO.1 的安全係數為 2.3，舊設計座 椅底板 NO.2(ML4)的安全係數為 1.5，而新設計座椅底板 NO.7(新設計五)雖只 有 1.8，不及舊設計座椅底板(XL4)的 2.3，但已達本文設定的安全係數 1.5，
承受正向力的強度已經足夠。
表 21 新、舊設計的座椅底板的重量比較表
座椅底板編號 座椅底板重量 kg 最小安全係數 底板的板厚 mm NO.1(舊設計 XL4)
4.7 kg FS=2.3 主板 4.0/副板 4.0
NO.2(舊設計 ML4)
2.4 kg FS=1.5 主板 3.5/副板 3.0
2.4 kg FS=1.5 主板 3.5/副板 3.0