一种重力势能小车的结构设计*

徐子阳 ，常小龙 ，董龙豪

（安徽三联学院机械工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

无碳小车是以焦耳重力势能为唯一能量的、具有连续避障功能的三轮小车，实现了真正意义上的无碳。小车采用的摆杆机构由传统的刚性杆改为柔性绳索，小车控制转弯更省力，躲避障碍物的周期更容易实现与控制，同时降低了整车重量。利用有机玻璃作为轮子，易于实现差速，且降低了轮子与地面之间的摩擦系数。小车整体构造简单，摩擦损耗小，效率高，较容易制造安装。无碳小车定义为一辆可以将重力势能转化为动能，从而驱动自身前行并且能够完成周期性转向运动的小车。设计一种将重力势能转换为机械能，并可用来驱动小车行走及转向的装置。无碳小车采用三轮结构，前转向轮子的最大外径不小于Φ30 mm，小车上装载一外形尺寸为Φ60 mm×20 mm且质量不小于400 g的实心圆柱形钢制质量块（砝码）。该无碳小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1 m，放置一个直径20 mm、高200 mm的弹性障碍圆棒）。创新点：本小车本身着重体现了无碳的概念，小车的动能完全由重力势能提供，是对环保的最高理想。针对目前市面上多数以重力势能转化为动能为驱动方式的无碳小车稳定性差、运动距离短等方面进行改进升级。课题组以将无碳小车的重心降低的方式提高无碳小车的稳定性，将轮子部分设计得偏大，降低小车的重心。在无碳小车匀速运动的情况下，小车的重力和运行中产生的摩擦力成正比，所以如果想使小车在相同的动力下行进得更远，可以通过降低小车的质量完成这点。所以课题组在材料方面选择轻质材料，例如，在轮子和底板方面采用有机玻璃材料。另外，课题组通过简化传动结构的方式减少零件的使用，降低整个无碳小车的重量。通过AutoCAD、UG制图软件，设计出此重力势能无碳小车的基本模型。

该小车结构简单，工作方式清晰明了，能满足大部分初高中生及大学生对机械知识实践的实验与了解，若实现商品化，可激发青少年对机械构造的热情，并且可放置于科技馆让大众了解机械构造的精妙与渊博。煤炭是大自然给予人类的一笔宝贵财富，可是由于人们对煤炭的巨大需求，煤炭资源日趋减少近于枯竭。随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。本小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。小车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。

1 重力势能无碳小车的结构设计

1.1 小车的整体结构

小车采用三轮结构，前转向轮子的最大外径不小于Φ30 mm，小车上装载一外形尺寸为Φ60 mm×20 mm且质量不小于400 g的实心圆柱型钢制质量块（砝码）[1-2]。

重力势能无碳小车的UG整体结构图如图1所示。

图1 UG结构图

1.2 重力势能无碳小车的结构分析

其中，滑轮装置用传动细绳将砝码下坠产生的重力势能转化动能并传递给齿轮1。车轮1（左）和车轮2（右）通过杆传递来的动力完成小车的正常前进，其中车轮1（左）的转动为曲柄摇杆机构提供动力。齿轮1：连接细绳接收由砝码产生细绳传递的动能，带动杆转动，向车轮1（左）和车轮2（右）提供动能。转向装置：由一转动轴承体接收由曲柄摇杆机构提供的转向动力，使车轮3（中）完成周期性转动，从而使势能无碳小车能完成双“8”字形的周期性运动轨迹。车轮3（中）：即小车前端中间处的车轮，负责在曲柄摇杆机构的作用下完成小车的转向工作，使小车完成预定轨迹的行驶[3-5]。曲柄摇杆机构：负责调控转向装置，从而控制车轮3（中）。可以通过改变四根杆的长度，从而对势能无碳小车的行驶轨迹进行微调。部分结构如图2、图3、图4所示。

图2 齿轮1示意图

图3 车轮1（左）示意图

图4 重力势能无碳小车正面主视图

2 重力势能无碳小车的工作流程及工作原理

2.1 重力势能无碳小车的工作流程

重力势能无碳小车的工作流程如图5所示。

图5 重力势能无碳小车的工作流程图

此重力势能无碳小车的运行基本原理如图5中的流程所示：首先，具有一定重量的砝码与细线连接，而细线绕过滑轮将另一端连接在齿轮1上并固定。小车启动前将齿轮1进行转动，把多余的细线缠绕在齿轮1上，当砝码上升到顶端靠近滑轮处停止齿轮转动并用手掌拖住砝码。抽出手掌砝码开始下落，砝码下落所产生的重力势能通过细线和滑轮转化为动能传递给齿轮1，齿轮1带动整条杆上所连接的车轮1（左）和车轮2（右）为小车提供了前进的动力，使小车能正常向前行驶。同时，小车的车轮2（右）带动车轮2（右）上所连接的曲柄摇杆机构运动。通过曲柄摇杆装置来控制车轮3，达到转向的目的。然后，在曲柄摇杆机构的带动下完成双“8”字轨迹的运动。当砝码下降至极限距离时，小车缓缓停止工作，实验结束。

2.2 重力势能无碳小车的工作原理

重力势能无碳小车的工作原理在能量方面主要为，由砝码下降所产生的重力势能通过细绳和滑轮组合的装置传递给齿轮1，通过细绳带动齿轮1，从而将砝码所产生的重力势能转化为无碳小车前进所需要的动能。在转向方面，由齿轮1所接收的动能带动同一条杆上的车轮2（右），而车轮2（右）上连接有一个曲柄摇杆机构，车轮2（右）的转动带动曲柄摇杆机构的运动，而曲柄摇杆机构连接到车轮3。在重力势能无碳小车匀速运动时，通过车轮2（右）的匀速转动带动曲柄摇杆机构进行周期性运动，从而将动能传递给车轮3的转动装置，使转动装置完成周期性转动，即双“8”字轨迹转向。

3 结语

课题组主要是对重力势能无碳小车的结构和原理进行简要分析和说明，并且对重力势能无碳小车的行驶稳定性和持久性进行初步改进。为了更直观地描述此小车的结构特征，课题组使用3D制图软件UG对重力势能无碳小车的基础结构进行了初步设计。该小车整体结构简单，工作原理简单易懂，通过将砝码下坠所产生的重力势能转化为动能，即可为小车完成双“8”字周期性运动提供能量。该小车操作简便，工作方式清晰明了，能满足大部分初高中生及大学生对机械知识实践的实验与了解，若实现商品化，可激发青少年对机械构造的热情，并且可放置于科技馆让大众了解机械构造的精妙与渊博。同时，无碳小车对无人驾驶以及环保方面有着深远的影响。