3d打印汽车
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
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