迴轉帶動往復機構
機構設計思維-
這個設計的構造雖然龐大,並且有許多可以改進的缺點,但是不可否認的,這個機構是使用了極簡單的材料,簡單的設計,做出最耐用結構,因此,圖中的設計,應該是數百年前古人的發明,也許當時沒有複雜的工具,沒辦法做出很精密的構造,也沒有金屬的材料,可以避免結構的磨損,在只有簡單的樹木作為材料,一把刀子作為工具的年代,所製造出這樣的設計,是非常的了不起。
此機構的優點為-
1.當從動件作相對運動時,往復都有傳遞機械運動。
2.有連桿輔助傳動,往復式機構在設計上不用通過曲柄的旋轉中心(風車轉軸)。
3.往復運動都受到迴轉控制,兩方向機械利益相同。
4.這個機構只有ABC三的點有旋轉上的耗損,並且耗損情況不嚴重,只要材料材
質堅固,可以經年累月的使用。
5.沒有太複雜的構造,使用木頭與普通的工具,就可以製造。
此機構的缺點為-
1.往復運動機構因為機械利益受迴轉曲柄控制,出力被限制。
2.有上下兩死點,迴轉的慣性力量要大。
3.整個機構的迴轉範圍大,佔用空間大。
4.雖然機構往復都有傳遞機械運動,卻並非往復等出力設計。
缺點討論及改進-
缺點討論面-
整個迴轉機構的旋轉半徑,已經快跟風車的葉片一樣大,看起來不是很美觀,而且整個建造的體積因此加大,並且增加不必要的建材,甚至考量到風量的因素,會干擾氣流的流動,使得空氣通過葉片後撞擊到結構,因而使得出力短少,針對種種因素,首先考慮到的就是先改掉大迴轉半徑的問題。
其次,可以發現到,滑塊的運動,向上時為抵抗重力加速度 F=MG,需要較大的力矩,此時風車應該轉動的比較困難,相對的,滑塊向下時則較為輕鬆,甚至不需要風力就可以自行轉動,這個方法是不恰當的,因為我們考量到風的變化,是一個隨機的運動,可能忽強忽弱,也可能是平均的強度,這個設計不能確保風速強時做向上運動,風速低時向下運動,就算風速是平均的,也會因為抗力不同,使得運動效果不佳,簡而言之,這個設計的效率不好,當滑塊重量越重時,效率會嚴重的降低,所以第二個要改進的,就是往復平均出力的運動設計。
改進構思面-
然而以現在的工業技術來看,我想當然工具時沒問題的,並且我們也可以選擇各式各樣的堅固的材料,例如鋼鐵、合金,並且我們可以在各個旋轉的部分,加上滑輪或轉軸來減少耗損。
針對第一點,體積因素,設計選用中心齒輪帶動鍊條的設計,如此可以將風的力量做傳遞,不僅體積小,傳遞距離遠,能量耗損也少,並且旋轉造的耗損也極低,是個很好的素材。
齒輪與皮帶 示意圖
針對滑塊的往復運動部分,設計朝向風車僅對滑塊做不斷的向上運動,並且是可以累積的施力(儲存位能),當施力達到一定值時,才將位能釋放,要達到這個目標可以使用彈簧,由鍊條牽動的滑塊,會不斷地向上運動並且擠壓彈簧,儲存彈力位能,為了防止彈簧在無風力時反彈,鏈條選用只能單向轉動的設計,如此一來,風速低時風車即使不轉動,也不會使得彈簧彈開,而當鍊條拉到一定高度時,會釋放勾住滑塊的機構,使得滑塊快速的彈出,達到往復的目的,而鍊條上一空有兩個勾住滑塊的設計,當一個鉤在至高點釋放時,另一個鉤可以接著鉤住滑塊,使風車不至於空轉。
齒輪牽引滑塊示意圖
各角度示意圖
設計心得-
這個設計是針對原先體積與效率的改良,使用的當然是現在的工具與技術,所以可以看到效果非常的好,但是也同時產生了一個有趣問題,因為設計是讓風車只能單向轉動,如果風向相反時,該風車機構就毫無用途了,而在歐洲國家地處西風帶,全年吹西風,並沒有這個問題,如果這個機構用在季風氣候區的台灣,因為受季節影響,夏天吹西南風,冬天吹東北季風,交替的風向應該會需要有不同的設計,當然現在已經有很多的機械,我們也不再需要靠風力來做搗碎的動作,透過而古人留下來的各種工具,可以激發我們的思考邏輯,發揮我們的創意,就可以做出各種不同的產品。