遙控電動氣墊船之設計與製作

遙控電動氣墊船之設計與製作

沈哲民 臺北市惇敘工商汽車科專任教師 壹、課程目標： 本專題研究利用直流動力馬達風扇組、巴爾沙木、一般塑膠袋、四動(或兩 動)遙控器、小型導風扇等結合在一起，利用導風扇驅動氣墊，直流動力馬達風 扇所產生的反作用力推動船體，並透過傳統繪圖方式或 CAD/CAM 高階設計軟 體 (CATIA-V5R13)，設計與繪製外型，使學生經由專題製作之過程中整合物理 學、電學、圖學、空氣動力學、外型設計等課程之應用使本專題課程達成下列 目標： 1.提升學生動手做之學習能力與經驗。 2.建立創意教學之學習模式。 3.訓練學生整合所學之專業技術與專業知識。 4.鼓勵學生發揮創意設計，養成活用知識之能力。 5.培養同學間相互合作、協調、溝通之人際關係。 貳、專題製作教學進度 表 1 專題製作教學進度 科目 名稱 專題製作 教學 目標 1. 使學生了解氣墊船之原理與應用 2. 使學生學習傳統繪圖與 CAD/CAM 之設計理念與技術 3. 使學生了解空氣動力學之應用 每週 授課 時數 3 授課 星期 二 教學 用書 自訂教材 出 版 社 教 師 沈哲民 週 次 日期 預 定 進 度 課程內涵 教學 要求 一 8/28-9/1 課程準備 教師課程資料準備 1.上課帶課本、工具 2.課前預習

二 9/4-9/8 氣墊船原理與電子材料介紹 專題製作實施方式介紹 3.注意安全 4.操作方法需詳讀 三 9/11-9/15 CATIA 設計概念簡介 專題製作實施方式介紹 四 9/18-9/22 實體模型與器材設備及評分 指標說明 專題製作實施方式介紹 五 9/25-9/29 氣墊船造型與功能設計 1 資料收集與 CATIA-V5R13 繪製 評量方法 六 10/2-10/6 氣墊船造型與功能設計 2 資料收集與 CATIA-V5R13 繪製 1.口頭問答 2.討論評量 七 10/9-10/13 氣墊船造型與功能設計 3 資料收集與 CATIA-V5R13 繪製 3.相關測驗 4.技能評量 八 10/16-10/20 電動氣墊船分組實作 1 依設計草圖裁切木板 九 10/23-10/27 電動氣墊船分組實作 2 船殼組裝 十 10/30-11/3 電動氣墊船分組實作 3 甲板與船艙組裝 成績計算 十 一 11/6-11/10 電動氣墊船分組實作 4 外形表面打磨 1.過程評量 50％ 2.作品評量 50％ 十 二 11/13-11/17 電動氣墊船分組實作 5 船體防水處理 十 三 11/20-11/24 電動氣墊船分組實作 6 昇力、動力風扇與轉向機構組裝 十 四 11/27-12/1 電動氣墊船分組實作 7 中途漆與補土處理 十 五 12/4-12/8 電動氣墊船分組實作 8 烤漆與表面金油處理 親師配合 十 六 12/11-12/15 電動氣墊船分組實作 9 遙控與電力系統組裝 1.督促預習 2.督促上課認真學習 十 七 12/18-12/22 電動氣墊船分組實作 10 氣墊組裝與操控測試 3.按時完成作品 4.督促寫專題報告 十 八 12/25-12/29 電動氣墊船分組實作 11 調校重心與操控練習 5.督促複習 十 九 1/1-1/5 成品發表與動態報告 分組報告與實機展示 二 十 1/8-1/12 專題製作檢討與建議 建議與改進 查 核

参、相關資料分析 一、歷史 最早有記載的氣墊船是由瑞典的思想家兼科學家史威登堡於 1716 所提出 的，他的設計概念是借助人力將空氣吹入氣墊，將船體浮起，但當時因為效率 的問題未能成功，所以當時並無實體的氣墊船被製造出來，因為當時大家都知道 光是靠人力是無法產生足夠的浮力的。 一直到 1870 年代左右，英國工程師 John Thornycraft 曾經以地面效應的原理造 過接進氣墊的模型，並註冊專利，但是並未作為實際的運用，近代的氣墊船是由 英國人 Christopher Cockerell 所發明，他以吸塵器馬達造出氣墊船的模型並進行了 實驗，1959 年英國造出了第一部載人的氣墊船 SR-N1 並成功的橫渡英倫海峽， 爾後由於氣墊船一些特殊的功能，各國陸續發展了一些商業與軍事用的氣墊船， 二、氣墊船結構圖 三、本專題配電圖 伺服馬達

四、氣墊船基本原理 1.摩擦力 本專題氣墊之運動效率對於氣墊與運動介面之間之摩擦力有密切關 係，因此學生須瞭解力學中有關摩擦之各種性質與影響。摩擦力存在於兩界 面間有相對運動（動摩擦）或兩界面間 沒有相對運動但有相對運動的趨勢 時（靜摩擦）。有了摩擦力 我們才能在路面上行走、棉線才能織成布料不 脫落、鐵釘才能釘在木頭內.但有時候我們卻又希望減少摩擦力，例如 機械 表面或軸承的潤滑等。摩擦力不止造成機械消耗能量產生熱能，更會造成表 面磨損。摩擦力的作用在於試圖改變抵消運動的趨勢。摩擦力必不完全都是 阻礙或減緩運動。有時候情形恰相反，例如：走路或汽車加速時，便是靠摩 擦力才可能達成的。當施力欲推動物體，物體卻靜止不動時，物體所受外力 合必為零。因此物體所受摩擦力恰抵銷所施加的外力，兩者大小相等方向相 反。直到外力超過 某最大值（稱最大靜摩擦）物體便會開始與界面間有相 對運動，此時為動摩擦。通常動摩擦稍小於最大靜摩擦。兩固體界面間的動 摩擦 通常與界面間相對速度 沒有太大的關係，也與接觸面積無關。但是和 接觸面的性質有關 且通常與兩界面間的正向力成正比。摩擦力起源於原子 間的電磁作用力，可以存在於 固態､液態或氣態介面間。 摩擦力 Fr = μFN μ 稱為摩擦係數由兩接觸面間性質決定，在摩擦的過程中 不見得恆為定 值。FN 則為兩介面間的正向力。也就是垂直於接觸面方向的作用力。書本 放在桌面上則 正向力為書本的重力。若放在斜面上則為重力在垂直於斜面 上的分量。摩擦力起源於兩接觸面間的附著吸引力由於原子或分子間的電磁 吸引力使得 物體有巨觀的結構，也是相同的作用力導致於摩擦的存在。原 子或分子間必須在很短（幾個原子半徑間距離），其間才有較明顯相互吸引 的作用力。兩介面必須很接近才會有顯著摩擦存在。一般的表面可能看似光 滑，可是若以放大鏡仔細觀察將發現表面 凹凸不平。坑坑洞洞的大小甚至 有數百個原子半徑。當兩介面巨觀接觸時 ，實際上兩介面間只有凸出的部 份相接觸。當正向力增加時 會使得表面稍微變形（更為扁平） 而增加介面 間 『實際的接觸面積』。『實際的接觸面積』往往只佔巨觀接觸面積很小 的比例。大部份仍然相距 10-50 個原子半徑的距離。當書本平放在桌面時，

巨觀接觸面積大 使得介面間壓力較小，而使得實際接觸面積比例較小。當 書本直立時，巨觀接觸面積變小 使得介面間壓力增大而增加實際接觸面積 比例。但較小的面積乘以較大的接觸比例 與 較大的面積乘以較小的接觸比 例 約略相同。（也就是說微觀 實際接觸面積 約略相同）使得摩擦力與巨 觀接觸面積無關。正向力大小決定 『實際接觸面積』，而原子間的吸引力 與實際接觸面積』成正比。因此摩擦力正比於介面間的正向力。 2.牛頓三大運動定律： A.第一運動定律：又稱慣性定律，除非受到外力的影響，不然靜止的物體 永遠保持靜止，而沿一直線作等速運動的物體也會一直持續的移動下 去，在此專題中可以發現，質量較大的氣墊船直線運動表現不錯。（ps： 使用相同動力套件的情況下） B.第二運動定律：即 F=Ma，簡單的說，當物體受到外力的作用時，它會 沿著外力的作用方向，加快其運動速度，且與力量成正比。若在相同的 力量下，物體的質量越小加速的作用越大。在此專題中可以發現，質量 較大的氣墊船起步較慢且轉向較不靈活（ps：使用相同動力套件的情況 下） C.第三運動定律：又稱作用與反作用力，即每一個施加於物體的外力，都 會產生大小相同方向相反的反作用力，氣墊船的前進的力量，是藉助動 力風扇向後吹所產生的反作用力. 3.空氣阻力 空氣阻力有兩種： 因為物體前進時， 必需將空氣排開， 而移開這些 空氣的動作， 等同於施力給這些空氣， 讓其移動 (F=ma)， 依照作用反作 用定律， 這物體也會受到一個反作用力。這個力大部份決定於移動物體的 形狀。另外為空氣的黏滯性. 空氣是一種具有”黏”性的流體， 因此會有” 黏”住物體不讓他移動的傾向。這在高速時比較明顯。影響此力的因素大多 為流體的材料與移動物體的表面光滑度 材質等.最有名的是白努力方程式. 流體力學有一個叫”統御方程式”可稱為基礎， 是由三個方程式所組成（白 努力是其中之一）。多數的流力或空氣動力學開頭就是在說這個。有些相關 的實驗或生活中應用的例子例如貨櫃車近幾年在車頭上裝的導流板是一例， 改裝車的大包圍 擾流板等也是一例，汽車外形的演進也是一個例子。在空

氣動力學中，形狀阻力的公式是：Drag = ( roh * V^2 * Cd ) / 2 [roh 空氣密 度， V 為風速]。 由於遙控氣墊船的質量較小，故較易受到外力(尤其是風力)的影響，所 以設計上儘量降低側面與迎風面的面積，如流線形的設計在移動與操控上的 效率較佳。 五、重心 1.定義：物體（或系統）各部分所受外來重力合力的作用點，稱為該物體（或 系統）的重心。 2.重心位置之測定 (1)形狀規則、質量均勻物體在均勻重力場中的重心就在它的幾何中心的 位置。 例： a.一質量均勻的物體若有一個對稱點，如球的球心、正方體的中心、三 角形的重心等，這個對稱點就是這個物體的重心。 b.若此物體上有一對稱軸，如圓柱體或圓錐體的中心軸，它的重心一定 在這個軸上。 (2)不規則物體 a.用平衡法測定物體之重心：把物體放在一直線上平衡而得出重心位 置。 b.用鉛垂線法測定物體之重心：用線懸吊物體於任一點Ｐ而成靜力平衡 時，物體的重心Ｇ必在經Ｐ點的鉛重線上（其理為如Ｇ不在該鉛重 線上，則物體的重力對Ｐ點有一個不平衡的轉矩而使物體轉動，直 到此力矩消失為止）。 3.重心的特性 (1)重心可視為整個系統(或物體)重量集中點，但重心只是一個假想的質 點，故在系統重心處，並不須真有質量，反之系統的重心不一定在此 系統上，可能在系統外的空間某點。 (2)在同一均勻的重力場內，物體的重心不因物體位置或方向的改而變更 其位置，而在無重力場處，物體的重心並無意義。 (3)將物體所受重力當作集中在重中，則物體因重力所引起之移動與轉動

作用仍與實際效果相同。 六、質量中心 1.意義：凡一點之運動可代表”整體”之運動，猶如物體的全部”質量”都集 中在此特殊點，該點謂之質量中心，簡稱質心。 2.質心的特性：有關重心的一切，用於質心皆同樣有效，但有差別。 (1)重心的定義乃是有萬有引力（即重力）而來，故在無重力處，即無意義； 而質心是物體本身的特性，與重力無關。 (2)在均勻重力場中質心與重心重合。 (3)在不均勻重力場中，因ｇ值不為常數，由Ｗ＝ｍｇ知重量Ｗ不與質量ｍ 成正比，故質心與重心無法重合。 本專題船體設計時需考慮重心於動態時之影響避免行進速度與方向無 法有效控制。 七、實際設計與製作 1.資料收集與圖面繪製：依個人設計出自己所喜愛的外型(可採用傳統繪圖法 或 CATIA 繪製設計圖) 2.依設計草圖裁木板：船體底板裁切與修整至所訂定的尺寸

3.船殼組裝：可採外板造船法或隔艙板造船法，將裁下的木板組裝起來(左圖. 為較簡易的外板造船法，右圖.為隔艙板造船法)

4.甲板與船艙組裝：

5.外形表面打磨：運用打模機器將船體修平以利塗裝作業之進行

6.船體防水處理：將船體內側分次塗上數層防水漆

7.昇力風扇與動力風扇座組裝：安裝動力風扇與負責昇力的導風扇

8.漆面處理：採用汽車烤漆方式處理船體表面 9.遙控與電力系統組裝：將電力系統，控制系統，轉向系統依照電路圖連接 與定位組裝 10.氣墊組裝與操控測試：將氣墊裝入船殼，並將之固定

11.調校重心與操控練習：利用操作氣墊船的同時，觀察船體是否偏向，或 是因重心錯誤而造成阻力過大，適時的利用船艙內的電池當作配重，調整 重心至正確的位置。 重心約略的位置 重心約略位置 昇力風扇 重心約略位置 推力風扇 昇力風扇 推力風扇 12.分組報告與實機展示：

13.分組競賽：舉辦氣墊船競賽，設計一些障礙與競速比賽，作為操控與穩 定度的檢視，提高學生的改良與討論的動機。 表 2 教師授課「講述重點方向」進度 授課週次 授課內涵 第 1 週 第 2 週 第 3 週 第 4 週 第 5 週 第 6 週 1.講授如何與其他成員互動 2.講授如何與教師互動 3.講授如何強化專題貢獻度 4.講授如何學習專業知識 5.講授如何學習專業技術 6.講授如何收集相關知識 起點 起點

7.講授如何知識整合 8.講授如何選用正確工具及儀器 9.講授如何積極主動參與及協助 10.講授如何尋找與專題相關資料 註：1.授課週次數量需配合實習教學進度表（表 1）之內容 2.授課內涵需配合過程評量（表 4）之內容 3.本表以長條圖方式表示 表 3 教師授課「講解內容」進度表 授課週次 授課內涵 第 1 週 第 2 週 第 3 週 第 4 週 第 5 週 第 6 週 氣墊船原理與電子材料介紹 ✓ CATIA 設計概念簡介 ✓ 實體模型與器材設備及評分指 標說明 ✓ 氣墊船造型與功能設計 1 ✓ 氣墊船造型與功能設計 2 ✓ 氣墊船造型與功能設計 3 ✓ 電動氣墊船分組實作 1 電動氣墊船分組實作 2 電動氣墊船分組實作 3 註： 1.授課週次數量需配合實習教學進度表（表 1）之內容

2.授課內涵需配合過程評量（表 4）之內容 3.本表以打「✓」方式表示，以確認教師授課內涵無誤 肆、系統架構圖 授課開始 （請參考表 1） 講述重點方向 （請參考表 2） 講解內容 （請參考表 3） 分組指導 老師端 過程評分表 50％（請參考表 4） 作品評分表 50％（請參考表 5） 學生蒐集題目 同學分組 準備材料（儀器） 實施製作 撰寫構想 書面報告 實體作品 學生端 確定評分指標

專題製作課程系統架構圖

伍、設備及材料規格表 一、設備 1.空氣壓縮機：3-5HP 2.木料切割機：110V 3.電鑽：110V、150W 4.電鋸：110V、150W 5.打磨機：110V、150W 6.四動遙控器組 二、材料 1. 直流馬達：DC-9V 2. 巴爾杉木：120*120*0.5CM 3. 塑膠袋：10L 4. 小型導風扇 5. 接著劑 6. 組合電池組 9V-DC 7. 電線 8. 一般電池 1.5V 9. 電線接頭組 10. 油漆組 11. 玻璃纖維 A、B 劑 12. 碳纖維絲 13. 電子變速器 9.6V 陸、評量方式 一、過程評量表：包含 4 大類及相關子項目，如過程評量表（表 4），分別 為： 1.團隊合作：與其他成員互動、與教師互動、對計劃貢獻度。 2.單元測驗：對專業知識之學習、對技能技術之學習、對相關知識之 收集、對知識整合程度。 3.觀察紀錄：是否自我尋找資料、是否主動協助、是否主動參與。

4.其他：期中報告、期末報告。 二、成品評量表：包含 5 大類，如成品評量表（表 5），分別為： 1.功能性 2.實用性 3.創意 4.利用所學之課程內涵 5.書面報告撰寫 各類相關子項目，由學生就所屬專題自行填寫。 表四 專題製作過程評分表 專題題目 遙控電動氣墊船設計與實作 製作學生 ΟΟΟ、ΟΟΟ、ΟΟΟ、ΟΟΟ 實得評分 評分 項目 評分內容 評分 標準 組長 成員 成員 成員 成員 1.與其他成員互動 10% 2.與教師互動 10% 團隊 合作 3.對計劃貢獻度 10% 1.對專業知識之學習 10% 2.對技能技術之學習 10% 3.對相關知識之收集 5% 單元 測驗 4.對知識整合程度 10% 1.是否自我尋找資料 5% 2.是否主動協助 5% 觀察 紀錄 3.是否主動參與 5% 1.期中報告 10% 其他 2.期末報告 10% 評審老師簽名：

表五 專題製作作品評分表 題目 PWM 電動氣墊船設計與實作 製作學生 ΟΟΟ、ΟΟΟ、ΟΟΟ、ΟΟΟ 指導老師 楊ΟΟ 評分項目 評分內容（學生填寫） 評分標準 實得評分 1.具備陸地行動功能 2.具備安全操作功能 3.具備器材回收功能 功能性 4.具備水面行動功能 40% 1.將電能與空氣動力結合 2.塗裝與木質材料整體造型狀況 實用性 3.省電與操做靈活度 10% 1.造型 2.動力匹配 創意 3.圖樣設計 10% 1. 電學與空氣動力學之組合應用 2.塗裝學應用 3.電能應用效果 4.回收資源運用能力 利用所學之課 程內涵 5. 圖學與外型設計之組合應用 10% 1.內容詳實性 2.內容豐富性 3.內容完整性 書面報告撰寫 (參考註 1) 4.格式正確性 30% 總得分 評審老師簽名： [註 1]:書面報告內容格式（可依實際需求彈性調整） 一、作品名稱 二、摘要（建議以一頁為宜） 三、研究動機（建議以一頁為宜）

四、研究目的（建議以一頁為宜） 五、研究設備及器材 六、研究過程或方法 七、研究結果 八、結論與建議 九、參考資料及其他 參考資料：

Yun， L.， & Bliault， A.(2000). Theory and design of air cushion craft. London: Arnold