3d打印汽车
“无碳小车”的设计与制作
坪山高级中学
课题主持人:何健超
课题小组成员:安志、李麒星、何飞舟、邓辰洋、王海信、陈佳政
指导教师:胡小盈、侯亚鑫
一、设计制作“无碳小车的缘起
环保是一个永恒的主题。我们一直是这个主题的参与者。汽车尾气排放一直是环境污染的一个重要因素,因此,我们开展了本次针对“无碳小车”的小课题探究活动。无碳小车是指没有碳排放的小车,即不以燃烧化学燃料为动力的小车。
1.开题准备,思路酝酿。
开始之前,我们首先考虑的是初始能量来源于哪里?我们有思考过弹性势能、重力势能、风能、太阳能多种能量来源,鉴于现在很多太阳能小车已经问世,我们经过小组讨论,最终确定了利用重力势能作为小车
的动力,具体为一个1千克的铁块从40厘米的高度下落产生的重力势能。我们制作了一个模拟测试道路,一段长两米的平路,然后上一个倾斜20度,长70厘米的坡道。探究利用给定的势能大小,如何设计小车使之最大限度的利用能量转化,使小车走的更远,爬的更高。测试跑道如下图:
2.准备就绪后,设计探究
开始时每个人都才思如泉涌,有各种各样新奇的想法,设计草图如上,但都只是纸上谈兵。随后便迎来了寒假,在寒假时我们每个人都在家验证各自的想法。结果有的零件不足,有的设计的联动机关不能动,有的手工不行……返校成员们进行交流总结,最终发现:之前的想法和设计都太过繁杂,要简化设计方案。
设计之初,我们的技术核心均放在了档位切换:在平路时用小齿比,在上坡时用大齿比。所以以切换档位为中心,设计了一个初代换挡器,有大小两个齿比固定在车轴上。但用了初代换挡器的一号车并没有好的成绩。
设计草图1            设计草图2            设计草图3
于是我们开始探究对换挡器进行更新换代,根据探究试验经验得出结论:初代换挡器在切换齿比时会有一段重锤下落4至5厘米的势能被浪费掉。通过改进,二代换挡器诞生,我们采用了圆台,在侧面有放线
的螺纹,螺纹转动线从小齿比逐渐移到大齿比上,达到切换的目的。但是理想很丰满,现实却很骨干,安装了二代换挡器的二号车成绩变得更加不堪入目。此时的我们感到很沮丧,一次次的失败带给我们的打击,使我们对自己的探究能力产生的怀疑,甚至有了放弃的念头,就在这个瓶颈期,指导老师及时的开导与提醒,给了我们鼓励与信心,给了我们坚持下去的勇气与动力。
初代换挡器第二代换挡器
一号车二号车测试于是,我们总结两代换挡器的失败原因,开始反思换挡器的可行性。经过一系列的讨论和计算。我们发现要通过换挡来获得一个较长的行驶距离,在我们目前的阶段很难实现。于是我们推翻了这种思维定势,重新开始探索新的途径。
计算、思考、讨论
经过与指导老师一起交流讨论,诞生了新的方案:让小车在上坡前获得一个最大的速度,依靠惯性冲到最高点。有了大放向,接下来便是完善小细节。我们开始思考,为了获得最大的速度,必须减少阻力。那么减小阻力应从两个方面入手,一是减轻重量,二是减小摩擦。为了减轻重量,车体的材料从铝板改为木板。但经过试验发现,木板的强度不够,无法承受重锤下落产生的冲击力,最后为了保证强度,我们采用了碳纤维材料作为小车底盘。此时制作的成品车仅有170克。为了减小摩擦,我们采用进口轴承,清洗并打磨,再将轴承进行空转,平均时间30秒以上。
底盘材料试验品轴承清洗
轴承空转测试经过一次又一次的实验和改进。终于在一个周二的下午,我们制作的小车冲到了70厘米的顶点,全队欢呼。但是,在现实生活中,我们遇到的上坡坡度有很多种,倾角也许会更大,我们不能满足于现状,于是,成员们便对自己提出了新的挑战,将坡度调至25度继续挑战,虽然只增加了5度,但是,我们的小车却只能行驶到220CM处,可见,我们做的还不够。
我们开始探究25度的坡道障碍,车子的许多细节性的调试和设置都要重新开始,如车身的重量、轮径大小、绕线方式等,有问题就有分歧,比如前轮的半径大小问题。对于这个问题作为队长的我和队内的另一个成员起了不同意见。我坚持用大轮,因为大轮的通过性强,他坚持用小轮,源于他的计算结果。作为队长的我十分坚持我的想法,认为自己的想法都是对的,而他没有与我争吵,通过一次次的测试证明了我的观点是错误的。最后实验结论:小轮才是正确的选择。
通过这个小插曲,我深刻体会到了自己的缺点,太过于固执己见,意识到自己坚持的不一定就是对的,要虚心接收他人的意见,实践是检验真理的标准,很多观点是需要用实践去证明的。
各种半径的轮子试验
探究过程中,我们还使用了多种现代化设备,比如我们的定滑轮和绕线器是用“光固化3D打印机”制作的,
我们碳纤维车身底盘和轮子使用学校的CNC数控雕刻机切割的等等。经过一系列的试验-调整-再试验—再调整,我们终于设计并制作出了一辆满意的“无碳小车”,征服了25度的坡道。但我们不会满足于当下,我们依旧会继续挑战更长的平路、更陡的坡道。
3.屡试屡进,一代代无碳小车
4.探究乐趣,成果体验
在2016年4月,我们带着做好的车子参加了第三届国际青少年创新设计大