蒐集材料打造史上最可愛的卡丁車

八月 18, 2015
Facebook
Twitter
從2007年在MIT讀一年級開始,我就一直把製作小型電動車當作興趣(可以駕駛「潮」車,誰還想走路?)。我在MIT學生專題空間的參與激勵我最後成為學生們自行製作各類專題的導師。有趣的是,我給他們最有價值的建議常常不是如何把東西做出來,而是要去哪裡找材料。
图片

我在2008年製作的這輛「輪轂馬達」滑板車被我用來代步2年。

在我製作車輛(和機器人)的歷程中,我不知不覺蒐集了購買或取用零件的地點,以及為個別的專題設計進行評估的資料庫。這裡面的戰術可說是不可或缺,因為在學校裡學工程的時候沒有人會教你這些實用技能。

我第一次看到「動力競速大賽(PRS)」是在2012年的紐約世界Maker Faire,現場的大人們用大幅改造或自製的Power Wheels兒童電動車來競速,重溫兒時回憶。這讓我思考該如何藉助學生們的能力來執行一個對工程教育有貢獻的專題。

图片

MIT學生製作的車輛在紐約世界Maker Faire展示。

接著我開始記錄並整理歷年來學生和教師所改進的各種電動車製作方法。在2013年我擔任一門實驗課第一學期的教師,這門課後來被大學部學生稱為「2.00GoKart」。課程設計上我是參考MIT著重競賽的機器人學課程「ME 2.007」,但之中所製作的電動卡丁車是全體一起進行,而非分做許多兩人小組。

學生必須自行尋找所有需要的材料,並且對我和其他教師說明為何那些材料適合他們的設計。我確保所有學生都知道McMaster-Carr這家廠商、如何向他們購買特定尺寸的螺絲,以及讓學生知道為什麼有些決定到後面會變成自找麻煩(例如需要5種不同的扳手來鎖緊一個馬達固定架)。

图片

一輛學生製作的造型獨特的卡丁車在一場2013年MIT的計時競賽中奔馳。

可以動?拿來用

 隨著「2.00GoKart」課程越來越熱門和2014年動力競速大賽更平易近人的規則修改,兩者意外地展開趨同演化。我決定為2014年PRS製作一輛「技術展示」車輛。在觀看2013年的賽事後,我認為這項運動需要更多元的零件和技術,而我有滿山滿谷的回收地板清潔機馬達和堆高機馬達控制器,讓我有點困擾。

我的目的很簡單:證明你能使用來自各種看似不相關的產業的材料、從網路商店或實體商店購買,並且在沒有使用大量複雜的生產設備的條件下製作具有高競爭力的競速車輛。這個主題對於學生製作實用車輛,甚至任何的專題都很有幫助:「任何」東西都可以成為零件。皆下來讓我告訴你「小未來車(Chibi-Mikuvan)」的故事。

車體造型 

你可能會想:這和其他我看過的Power Wheels電動車都不一樣。小未來車基本上就是我的車(1989三菱得利卡廂型車,僅於1987到1990年間在美國販售)的Power Wheels版。(好幾組PRS團隊在2014年把這項新「規則」善加利用。)針對車體,我選用發泡芯材玻璃纖維來建造,它輕量、堅固又容易修復。我以初音未來(熱門日本動畫歌手角色)為這款車命名。
图片

匯入完整大小廂型車並變更比例進行描跡的圖稿。

图片

先以CNC雕刻機切割大型發泡面板,再以玻璃纖維和樹脂包覆。發泡面板的造型直接從3D模型匯出。

图片

進行裝飾前,經過打磨、修飾和上漆的車體。

图片

「小未來車」置於3倍大的原型上。

動力系統

小未來車由各種材料構成:遙控船馬達、遙控車馬達控制器、手持砂輪機變速箱、混合電池的零件、彈藥盒、滑板車剎車、手推車輪胎、電動腳踏車油門板、乙太網路線,還有USB手機充電器。當然也少不了Arduino。
图片

「小未來車」的動力裝配。除了總電源開關和保險絲之外的電子控制零件都裝在防水彈藥盒裡。

我在「到處找材料」這方面的最大勝利發生在電池上。在動力競速大賽中,電池沒有包含在內,會從團對預算中扣除。目前為止要取得好成績的唯一方法是使用鉛酸電池,但它們既笨重又沒效率。

我研究了在2000年代中期用於第一代電動汽車的鎳氫(NiMH)電池。我聯繫了不下15家汽車零件行和回收商,接著在2013年10月的一個星期五上午,我從波士頓開車到佛蒙特州伯靈頓,花300美元買下一組從2009年福特Fusion油電混合車取出的電池,拿來分解成較小的模組。

這個過程「極度」危險,但到最後,我成功從一臺福特Fusion油電混合車幫小未來車取得四組電池,這樣每組電池的成本只有37.5美元,也只重25磅。

图片

油電混合車電池模組,由很多可以重新配置的較小低電壓電池組成。

手持砂輪機齒輪系

我想要用最新一代的「巨型」遙控車模型來嘗試,其中包含馬達和控制器裝置,原因是他們的消費品地位和低價。然而,一般的遙控車馬達的設計是低扭力、高轉速。為了要把這樣的力量應用在重達100磅以上的載人車輛上,我需要20:1的齒輪比,而非一般用在PRS裡參賽的電動機車、滑板車馬達的5:1或6:1。
图片

這個用於5分之1比例遙控船的汽水罐大小的馬達能夠輸出數千瓦的能量,但靠的是超過20,000 rpm的轉速。

如果用機車鍊條或市售齒輪來進行齒輪減速,重量會太重,尺寸也太大,所以我回憶起早年拆解老舊電動工具時看到的工具:手持砂輪機。它只不過是一顆馬達和一組裝在預先製作的箱子中的硬化鋼齒輪罷了。

把遙控車馬達裝到砂輪機的變速箱上可以得到大約4:1的減速比例,接著我只要再使用卡丁車鍊條的5:1鏈驅動就可以產生所需的20:1比例。

图片

便宜的進口9″手持砂輪機的變速箱的內部。

图片

馬達和砂輪機變速箱一起裝在框架上。

底盤與剎車

車輛的框架是簡單的焊接鋼管。手推車輪(在競速條件下維持不久)來自當地的平價連鎖工具店。後輪軸由市售鋼製軸承座支撐。車上唯一自製的零件是大型的7″前碟煞,其中轉子和輪轂是用研磨噴水式裁剪機製作,和滑板車剎車線卡鉗組合。這裡隱藏的笑話是小未來車不僅可以自己剎車,還可以擋住後面三輛推車。
图片

框架由1″方形鋼管焊接而成,車輪取自手推車,而剎車取自電動滑板車。

電子控制元件

駕駛人和馬達控制器的介面安裝在彈藥盒裡面。它防水、高度防撞,而且容易安裝。我利用來自混合電池的高電流繼電器做為遠端啟動器,讓啟動控制器只需要按下把手上的小按鈕。Arduino Nano接收來自類比油門的信號並將之轉換為遙控伺服脈衝,傳送給馬達控制器。因為Arduino不能直接用28瓦的電池供電,所以我改造了一個便宜的汽車配件:點菸器USB充線器,做為直流對直流的轉換器。
图片

「小未來車」的供電裝置由Arduino Nano、做為電源的改造USB充電器、連接電池和馬達控制器的高電流繼電器,以及電流感應器。圖中紅色元件是備用邏輯電源。

事實證明小未來車的雜燴動力系統速度極快,即使我的原型電子元件不可靠也沒有影響;它在2014年的底特律Maker Faire贏得短程賽,更打破紐約世界Maker Faire資格賽每圈時間的最快紀錄。我的期望不是打造速度最快的PRS賽車,而是有最多記錄和有最高可重複性的賽車,讓它成為其他人可以利用的資源。可以到我的部落格參考完整的製作文章和材料表。
图片

「小未來車」在2014年底特律Maker Faire賽到上奔馳。攝影:皮特‧普羅戴爾(Pete Prodoehl)


图片

CHARLES Z GUAN
2011年從MIT機械工程系畢業,目前擔任該校機器實習及設計講師。如同很多他的同儕,對機器人學的興趣是從看電視節目《機器人擂臺賽(BattleBots)》開始的。

(譯:屠建明)
[原文]


Social media & sharing icons powered by UltimatelySocial