一種重力勢能小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計*

徐子陽 ，常小龍 ，董龍豪

（安徽三聯(lián)學(xué)院機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

無碳小車是以焦耳重力勢能為唯一能量的、具有連續(xù)避障功能的三輪小車，實現(xiàn)了真正意義上的無碳。小車采用的擺桿機構(gòu)由傳統(tǒng)的剛性桿改為柔性繩索，小車控制轉(zhuǎn)彎更省力，躲避障礙物的周期更容易實現(xiàn)與控制，同時降低了整車重量。利用有機玻璃作為輪子，易于實現(xiàn)差速，且降低了輪子與地面之間的摩擦系數(shù)。小車整體構(gòu)造簡單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。無碳小車定義為一輛可以將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，從而驅(qū)動自身前行并且能夠完成周期性轉(zhuǎn)向運動的小車。設(shè)計一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能，并可用來驅(qū)動小車行走及轉(zhuǎn)向的裝置。無碳小車采用三輪結(jié)構(gòu)，前轉(zhuǎn)向輪子的最大外徑不小于Φ30 mm，小車上裝載一外形尺寸為Φ60 mm×20 mm且質(zhì)量不小于400 g的實心圓柱形鋼制質(zhì)量塊（砝碼）。該無碳小車在前行時能夠自動避開賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔1 m，放置一個直徑20 mm、高200 mm的彈性障礙圓棒）。創(chuàng)新點：本小車本身著重體現(xiàn)了無碳的概念，小車的動能完全由重力勢能提供，是對環(huán)保的最高理想。針對目前市面上多數(shù)以重力勢能轉(zhuǎn)化為動能為驅(qū)動方式的無碳小車穩(wěn)定性差、運動距離短等方面進行改進升級。課題組以將無碳小車的重心降低的方式提高無碳小車的穩(wěn)定性，將輪子部分設(shè)計得偏大，降低小車的重心。在無碳小車勻速運動的情況下，小車的重力和運行中產(chǎn)生的摩擦力成正比，所以如果想使小車在相同的動力下行進得更遠，可以通過降低小車的質(zhì)量完成這點。所以課題組在材料方面選擇輕質(zhì)材料，例如，在輪子和底板方面采用有機玻璃材料。另外，課題組通過簡化傳動結(jié)構(gòu)的方式減少零件的使用，降低整個無碳小車的重量。通過AutoCAD、UG制圖軟件，設(shè)計出此重力勢能無碳小車的基本模型。

該小車結(jié)構(gòu)簡單，工作方式清晰明了，能滿足大部分初高中生及大學(xué)生對機械知識實踐的實驗與了解，若實現(xiàn)商品化，可激發(fā)青少年對機械構(gòu)造的熱情，并且可放置于科技館讓大眾了解機械構(gòu)造的精妙與淵博。煤炭是大自然給予人類的一筆寶貴財富，可是由于人們對煤炭的巨大需求，煤炭資源日趨減少近于枯竭。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的提升，無碳的理念也越來越被人們提上研究的課題。更潔凈、更環(huán)保、更節(jié)能、更高效的理念也深入人心。本小車是對“無碳”理念的探索與開發(fā)，對未來“無碳”的憧憬。小車構(gòu)思巧妙，在完成設(shè)計的要求下充分考慮了外觀和成本等問題，方便以后的擴展和進一步的開發(fā)。

1 重力勢能無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 小車的整體結(jié)構(gòu)

小車采用三輪結(jié)構(gòu)，前轉(zhuǎn)向輪子的最大外徑不小于Φ30 mm，小車上裝載一外形尺寸為Φ60 mm×20 mm且質(zhì)量不小于400 g的實心圓柱型鋼制質(zhì)量塊（砝碼）[1-2]。

重力勢能無碳小車的UG整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 UG結(jié)構(gòu)圖

1.2 重力勢能無碳小車的結(jié)構(gòu)分析

其中，滑輪裝置用傳動細繩將砝碼下墜產(chǎn)生的重力勢能轉(zhuǎn)化動能并傳遞給齒輪1。車輪1（左）和車輪2（右）通過桿傳遞來的動力完成小車的正常前進，其中車輪1（左）的轉(zhuǎn)動為曲柄搖桿機構(gòu)提供動力。齒輪1：連接細繩接收由砝碼產(chǎn)生細繩傳遞的動能，帶動桿轉(zhuǎn)動，向車輪1（左）和車輪2（右）提供動能。轉(zhuǎn)向裝置：由一轉(zhuǎn)動軸承體接收由曲柄搖桿機構(gòu)提供的轉(zhuǎn)向動力，使車輪3（中）完成周期性轉(zhuǎn)動，從而使勢能無碳小車能完成雙“8”字形的周期性運動軌跡。車輪3（中）：即小車前端中間處的車輪，負責(zé)在曲柄搖桿機構(gòu)的作用下完成小車的轉(zhuǎn)向工作，使小車完成預(yù)定軌跡的行駛[3-5]。曲柄搖桿機構(gòu)：負責(zé)調(diào)控轉(zhuǎn)向裝置，從而控制車輪3（中）?？梢酝ㄟ^改變四根桿的長度，從而對勢能無碳小車的行駛軌跡進行微調(diào)。部分結(jié)構(gòu)如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 齒輪1示意圖

圖3 車輪1（左）示意圖

圖4 重力勢能無碳小車正面主視圖

2 重力勢能無碳小車的工作流程及工作原理

2.1 重力勢能無碳小車的工作流程

重力勢能無碳小車的工作流程如圖5所示。

圖5 重力勢能無碳小車的工作流程圖

此重力勢能無碳小車的運行基本原理如圖5中的流程所示：首先，具有一定重量的砝碼與細線連接，而細線繞過滑輪將另一端連接在齒輪1上并固定。小車啟動前將齒輪1進行轉(zhuǎn)動，把多余的細線纏繞在齒輪1上，當(dāng)砝碼上升到頂端靠近滑輪處停止齒輪轉(zhuǎn)動并用手掌拖住砝碼。抽出手掌砝碼開始下落，砝碼下落所產(chǎn)生的重力勢能通過細線和滑輪轉(zhuǎn)化為動能傳遞給齒輪1，齒輪1帶動整條桿上所連接的車輪1（左）和車輪2（右）為小車提供了前進的動力，使小車能正常向前行駛。同時，小車的車輪2（右）帶動車輪2（右）上所連接的曲柄搖桿機構(gòu)運動。通過曲柄搖桿裝置來控制車輪3，達到轉(zhuǎn)向的目的。然后，在曲柄搖桿機構(gòu)的帶動下完成雙“8”字軌跡的運動。當(dāng)砝碼下降至極限距離時，小車緩緩?fù)Ｖ构ぷ鳎瑢嶒灲Y(jié)束。

2.2 重力勢能無碳小車的工作原理

重力勢能無碳小車的工作原理在能量方面主要為，由砝碼下降所產(chǎn)生的重力勢能通過細繩和滑輪組合的裝置傳遞給齒輪1，通過細繩帶動齒輪1，從而將砝碼所產(chǎn)生的重力勢能轉(zhuǎn)化為無碳小車前進所需要的動能。在轉(zhuǎn)向方面，由齒輪1所接收的動能帶動同一條桿上的車輪2（右），而車輪2（右）上連接有一個曲柄搖桿機構(gòu)，車輪2（右）的轉(zhuǎn)動帶動曲柄搖桿機構(gòu)的運動，而曲柄搖桿機構(gòu)連接到車輪3。在重力勢能無碳小車勻速運動時，通過車輪2（右）的勻速轉(zhuǎn)動帶動曲柄搖桿機構(gòu)進行周期性運動，從而將動能傳遞給車輪3的轉(zhuǎn)動裝置，使轉(zhuǎn)動裝置完成周期性轉(zhuǎn)動，即雙“8”字軌跡轉(zhuǎn)向。

3 結(jié)語

課題組主要是對重力勢能無碳小車的結(jié)構(gòu)和原理進行簡要分析和說明，并且對重力勢能無碳小車的行駛穩(wěn)定性和持久性進行初步改進。為了更直觀地描述此小車的結(jié)構(gòu)特征，課題組使用3D制圖軟件UG對重力勢能無碳小車的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行了初步設(shè)計。該小車整體結(jié)構(gòu)簡單，工作原理簡單易懂，通過將砝碼下墜所產(chǎn)生的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，即可為小車完成雙“8”字周期性運動提供能量。該小車操作簡便，工作方式清晰明了，能滿足大部分初高中生及大學(xué)生對機械知識實踐的實驗與了解，若實現(xiàn)商品化，可激發(fā)青少年對機械構(gòu)造的熱情，并且可放置于科技館讓大眾了解機械構(gòu)造的精妙與淵博。同時，無碳小車對無人駕駛以及環(huán)保方面有著深遠的影響。