一種重力勢能小車的結構設計*

徐子陽 ，常小龍 ，董龍豪

（安徽三聯學院機械工程學院，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、具有連續避障功能的三輪小車，實現了真正意義上的無碳。小車采用的擺桿機構由傳統的剛性桿改為柔性繩索，小車控制轉彎更省力，躲避障礙物的周期更容易實現與控制，同時降低了整車重量。利用有機玻璃作為輪子，易于實現差速，且降低了輪子與地面之間的摩擦系數。小車整體構造簡單，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化為動能，從而驅動自身前行并且能夠完成周期性轉向運動的小車。設計一種將重力勢能轉換為機械能，并可用來驅動小車行走及轉向的裝置。無碳小車采用三輪結構，前轉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且質量不小于400 g的實心圓柱形鋼制質量塊（砝碼）。該無碳小車在前行時能夠自動避開賽道上設置的障礙物（每間隔1 m，放置一個直徑20 mm、高200 mm的彈性障礙圓棒）。創新點：本小車本身著重體現了無碳的概念，小車的動能完全由重力勢能提供，是對環保的最高理想。針對目前市面上多數以重力勢能轉化為動能為驅動方式的無碳小車穩定性差、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定性，將輪子部分設計得偏大，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量完成這點。所以課題組在材料方面選擇輕質材料，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構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，設計出此重力勢能無碳小車的基本模型。

該小車結構簡單，工作方式清晰明了，能滿足大部分初高中生及大學生對機械知識實踐的實驗與了解，若實現商品化，可激發青少年對機械構造的熱情，并且可放置于科技館讓大眾了解機械構造的精妙與淵博。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。隨著人們節能環保意識的提升，無碳的理念也越來越被人們提上研究的課題。更潔凈、更環保、更節能、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，對未來“無碳”的憧憬。小車構思巧妙，在完成設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。

1 重力勢能無碳小車的結構設計

1.1 小車的整體結構

小車采用三輪結構，前轉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且質量不小于400 g的實心圓柱型鋼制質量塊（砝碼）[1-2]。

重力勢能無碳小車的UG整體結構圖如圖1所示。

圖1 UG結構圖

1.2 重力勢能無碳小車的結構分析

其中，滑輪裝置用傳動細繩將砝碼下墜產生的重力勢能轉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）的轉動為曲柄搖桿機構提供動力。齒輪1：連接細繩接收由砝碼產生細繩傳遞的動能，帶動桿轉動，向車輪1（左）和車輪2（右）提供動能。轉向裝置：由一轉動軸承體接收由曲柄搖桿機構提供的轉向動力，使車輪3（中）完成周期性轉動，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，負責在曲柄搖桿機構的作用下完成小車的轉向工作，使小車完成預定軌跡的行駛[3-5]。曲柄搖桿機構：負責調控轉向裝置，從而控制車輪3（中）。可以通過改變四根桿的長度，從而對勢能無碳小車的行駛軌跡進行微調。部分結構如圖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進行轉動，把多余的細線纏繞在齒輪1上，當砝碼上升到頂端靠近滑輪處停止齒輪轉動并用手掌拖住砝碼。抽出手掌砝碼開始下落，砝碼下落所產生的重力勢能通過細線和滑輪轉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運動。通過曲柄搖桿裝置來控制車輪3，達到轉向的目的。然后，在曲柄搖桿機構的帶動下完成雙“8”字軌跡的運動。當砝碼下降至極限距離時，小車緩緩停止工作，實驗結束。

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，從而將砝碼所產生的重力勢能轉化為無碳小車前進所需要的動能。在轉向方面，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，車輪2（右）的轉動帶動曲柄搖桿機構的運動，而曲柄搖桿機構連接到車輪3。在重力勢能無碳小車勻速運動時，通過車輪2（右）的勻速轉動帶動曲柄搖桿機構進行周期性運動，從而將動能傳遞給車輪3的轉動裝置，使轉動裝置完成周期性轉動，即雙“8”字軌跡轉向。

3 結語

課題組主要是對重力勢能無碳小車的結構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構特征，課題組使用3D制圖軟件UG對重力勢能無碳小車的基礎結構進行了初步設計。該小車整體結構簡單，工作原理簡單易懂，通過將砝碼下墜所產生的重力勢能轉化為動能，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生對機械知識實踐的實驗與了解，若實現商品化，可激發青少年對機械構造的熱情，并且可放置于科技館讓大眾了解機械構造的精妙與淵博。同時，無碳小車對無人駕駛以及環保方面有著深遠的影響。