Спросите: Кто-нибудь крутил педали на велосипеде в гору? На ровной поверхности? Что проще? Что сложнее? Почему? Предложите учащимся обсудить свой опыт езды на велосипеде и объясните, что шестерни в велосипеде преобразуют энергию, которую они прилагают, в энергию, которая заставляет велосипед двигаться.

2. Примите участие в групповой демонстрации передач с использованием повседневных предметов.

Спросите : Почему шестерни имеют зубья? ( Шестерни имеют зубья для предотвращения проскальзывания.)

Вызовите двух дополнительных добровольцев. Поместите третий теннисный мяч на прямую линию рядом с первыми двумя теннисными мячами. Попросите одного добровольца положить кончик пальца на средний шарик, чтобы удерживать его на месте, в то время как два других добровольца поворачивают внешние шарики по часовой стрелке. Предложите учащимся описать, в каком направлении вращается каждый шарик. Объясните учащимся, что две взаимосвязанные шестерни будут вращаться в противоположных направлениях.

Попросите нового волонтера. Подарите ему или ей баскетбольный и теннисный мяч. Попросите добровольца положить баскетбольный мяч справа от себя, а теннисный мяч слева и соединить мячи так, чтобы они соприкасались. Теперь попросите ученика положить руку на каждый мяч и повернуть баскетбольный мяч по часовой стрелке на четыре полных оборота, осторожно удерживая кончик пальца сверху теннисного мяча. Помогите посчитать обороты баскетбольного мяча, пока доброволец наблюдает за движением теннисного мяча. Попросите студента описать, что он или она наблюдали. Попросите студента повторить демонстрацию, на этот раз повернув теннисный мяч на четыре полных оборота и описав движение баскетбольного мяча.

Объясните учащимся, что, используя шестерни разных размеров, они могут изменять скорость (скорость) системы; это называется передаточным числом. Например, если у вас есть две шестерни (А и В) и А в два раза больше В, то за один оборот А В будет вращаться вдвое, тем самым увеличивая скорость (скорость). Если вы поменяете передачи, скорость (скорость) будет уменьшена. Итак, теннисный мяч вращается с другой скоростью, чем баскетбольный.

3. Поэкспериментируйте с зубчатыми колесами и ремнями, используя катушки и перфорированную доску.

Разделите класс на рабочие группы по 2-4 человека в зависимости от количества имеющихся материалов. Раздайте каждой группе доску, десять колышков, восемь катушек (четыре маленьких и четыре больших), четыре резинки и раздаточный материал «Готовимся с роботами». Дайте им следующие инструкции или попросите студентов следовать вашей демонстрации. Задавайте вопросы, чтобы проверить понимание и прогресс учащихся. Предложите учащимся, у которых лучше развито зрение, прочитать шаги, представленные в раздаточном материале «Подготовка с помощью роботов», во время работы. Если учащимся нужна помощь, покажите фотогалерею «Готовимся вместе с роботами», пока они работают.

4. Учащиеся используют доски и катушки для решения задач, связанных с шестернями.

Скажите учащимся, что теперь они будут работать в команде, чтобы решить ряд задач, в решении которых используются шестеренки. Скажите им, что они должны работать в команде, чтобы решить каждую из этих задач, используя свои доски, катушки и резиновые ленты. Выполните столько задач, сколько позволяет время, или дайте каждой группе отдельное задание для работы. После каждого задания помогите выполнить задание. Шаг 5.

• Задача 1. Роботу требуется мощность, передаваемая на его колеса от источника питания, расположенного на расстоянии; кроме того, необходимо изменить направление движения, чтобы робот двигался вперед, а не назад. Есть шестеренки и ремень, с которым можно работать. Какая конфигурация поможет решить эту проблему?

• Задача 2: Роботу требуется мощность, передаваемая на его колеса от источника питания, расположенного на расстоянии, но направление движения не нужно менять.
  Есть шестеренки и ремень, с которым можно работать. Какая конфигурация поможет решить эту проблему?

• Задача 3: Робот должен двигаться быстрее, чем позволяет его источник энергии, и инженер готов пожертвовать мощностью ради скорости. Есть большая шестерня, маленькая шестерня и ремень для работы. Какая шестерня находится рядом с источником энергии для увеличения скорости?

• Задача 4. Роботу требуется больше энергии для перемещения по крутым склонам, и инженер готов пожертвовать скоростью. Есть большая шестерня, маленькая шестерня и ремень для работы. Какое снаряжение нужно разместить рядом с источником энергии, чтобы получить мощность?

5. Попросите группы студентов поделиться своими решениями задач.

Разрешить бесплатные эксперименты, если позволяет время.

Неофициальное оценивание

В индивидуальном порядке учащиеся смогут продемонстрировать решения этих проблем с использованием шестерен, используя упражнение:

• Роботу требуется мощность, передаваемая на его колеса от источника питания, расположенного на расстоянии; кроме того, необходимо изменить направление движения, чтобы робот двигался вперед, а не назад. Есть шестеренки и ремень, с которым можно работать. Какая конфигурация поможет решить эту проблему? (Две шестерни, соединенные ремнем по схеме «восьмерка»)
• Роботу требуется мощность, передаваемая на его колеса от источника питания, расположенного на расстоянии, но направление движения не нужно менять. Есть шестеренки и ремень, с которым можно работать.
  Какая конфигурация поможет решить эту проблему? (Две шестерни соединены ремнем)
• Робот должен двигаться быстрее, чем позволяет его источник энергии, и инженер готов пожертвовать мощностью ради скорости. Есть большая шестерня, маленькая шестерня и ремень для работы. Чтобы увеличить скорость, какую шестерню поставить рядом с источником энергии? (Большая шестерня)
• Роботу требуется больше энергии для передвижения по крутым склонам, и инженер готов пожертвовать скоростью. Есть большая шестерня, маленькая шестерня и ремень для работы. Какое снаряжение размещается рядом с источником энергии для получения мощности? (Маленькая шестеренка)

Примеры фотографий этих решений включены в фотогалерею Gear Challenge Solutions.

Расширение обучения

Предложите учащимся найти шестеренки в классе. Примером могут служить шестеренки в классных часах.

Предметы и дисциплины

• Физика

Цели обучения

Учащиеся:

• Поймут, что шестерни позволяют увеличивать или уменьшать скорость или силу
• Поймите, что шестерни позволяют изменить направление движения
• Применить понимание зубчатых колес для решения простых задач

Подход к обучению

• Обучение для использования

Методы обучения

• Кинестетические/тактильные

Сводка навыков

Это задание предназначено для следующих навыков:

• Результаты студентов 21 века
  • Обучение и инновационные навыки
    • Критическое мышление и решение проблем
• Навыки критического мышления
  • Анализ
  • Применение
  • Создание
  • Оценка
  • Вспоминая
  • Понимание
• Научная и инженерная практика
  • Анализ и интерпретация данных
  • Задавать вопросы (для науки) и формулировать проблемы (для техники)
  • Построение объяснений (для науки) и разработка решений (для инженерии)
  • Разработка и использование моделей
  • Участие в споре с доказательствами
  • Получение, оценка и передача информации
  • Планирование и проведение расследований
  • Использование математики и вычислительного мышления

Связь с национальными стандартами, принципами и практиками

Национальные стандарты научного образования

• (5-8) Стандарт A-1: Способности, необходимые для проведения научных исследований
• (5-8) Стандарт А-2: Понимание научных исследований
• (5-8) Стандарт Б-2: Движения и силы
• (5-8) Стандарт Б-3: Передача энергии
• (5-8) Стандарт E-1: Способности технологического проектирования
• (5-8) Стандарт Е-2: Понимание науки и техники
• (К-4) Стандарт А-1: Способности, необходимые для научных исследований
• (К-4) Стандарт А-2: Понимание научных исследований
• (К-4) Стандарт Б-2: Положение и движение объектов
• (К-4) Стандарт Е-1: Способности технологического проектирования
• (К-4) Стандарт Е-2: Понимание науки и техники

Научные стандарты следующего поколения

• Инженерное проектирование: 3-5-ЭТС1-1. Определите простую задачу проектирования, отражающую потребность или желание, которая включает определенные критерии успеха и ограничения по материалам, времени или стоимости.
• Инженерный проект: МС-ЭТС1-1. Определить критерии и ограничения проблемы проектирования с достаточной точностью, чтобы гарантировать успешное решение, принимая во внимание соответствующие научные принципы и потенциальное воздействие на людей и природную среду, которое может ограничить возможные решения.

Что вам понадобится

Предоставленные вами материалы

• 10 штифтов на группу
• 1 Баскетбольный мяч
• 1 штифт на группу
• 3 теннисных мяча
• 4 резинки на группу
• 8 катушек, больших и малых, на группу

Требуемая технология

• Доступ в Интернет: Требуется

Физическое пространство

• Класс

Настройка

Обустройте класс так, чтобы всем было легко увидеть демонстрации.

Группировка

• Обучение в больших группах

Исходная информация

Шестерни используются в машинах для изменения взаимосвязи между приводным механизмом машины (например, двигателем) и ее движущимися частями (например, рукой робота). Их можно найти в машинах, которые мы видим и используем каждый день, таких как часы, велосипеды и автомобили.

Шестерня представляет собой круглую деталь с канавками по периметру. Эти канавки образуют возвышения, называемые зубцами, с промежутком между каждым зубцом. Когда зубья двух или более шестерен подходят друг к другу, они работают вместе, чтобы влиять на крутящий момент (силу вращения) механической системы, либо увеличивая, либо уменьшая силу, или они будут влиять на направление движения. Две взаимосвязанные шестерни вращаются в противоположных направлениях, изменяя направление силы.

Диаметр шестерни играет важную роль в системе; с помощью шестерен разного размера можно изменять скорость (скорость) системы. Передаточное отношение – это сравнение количества зубьев в двух шестернях, которые работают вместе. Например, если у вас есть две шестерни (А и В), и А в два раза больше В, то за один оборот А В будет вращаться вдвое, тем самым увеличивая скорость (скорость) меньшей шестерни. Чтобы помочь учащимся визуализировать эту концепцию, покажите, как шестеренки за циферблатом часов поворачивают часовую и секундную стрелки. Передаточное отношение также можно определить, сравнив количество зубьев одной шестерни с количеством зубьев другой шестерни.

Предыдущие знания

• Нет

Рекомендуемая предыдущая деятельность

• Нет

Словарь

шестерня

Существительное

зубчатое колесо, зубья которого входят в зацепление с зубьями другого колеса для передачи или приема силы и движения.

передаточное отношение

Существительное

отношение числа зубьев одной шестерни к числу зубьев другой шестерни.

крутящий момент

Существительное

момент силы или системы сил, стремящихся вызвать вращение.

Статьи и профили

• Шестерни и шкивы

Интерактивы

• Техасский университет в Остине: AIM for Engineering, учебные материалы

Веб-сайты

• Брейн-поп: шестерни

Наконечники и модификации

Объясните младшим учащимся, что в задачах шестерни — это катушки, а ремни — резиновые ленты.

Магнитные наборы шестерен, которые прилипают к белой или классной доске, или простые пластиковые наборы шестерен можно использовать для демонстрации передач вместо баскетбольных и теннисных мячей, если таковые имеются.

Можно использовать другие материалы, если невозможно приобрести рекомендуемые предметы. Подойдут любые катушки, ершики для труб, колышки или любые другие доступные предметы. Это позволяет учащимся проявлять творческий подход к выполнению заданий.

Упражнение с прищепкой можно проводить в качестве демонстрации, если для небольших групп недостаточно материалов.

Теннисные или баскетбольные мячи могут быть заменены другими мячами при условии большой разницы в размерах между двумя типами мячей.

фото: Inverted CIM Gearbox V3 — CD-носитель: Photos

KohKohPuffs 904:00 30 декабря 2015 г., 12:13 1

Все еще CAD! Я собирался остановиться после 15 редукторов, но я наткнулся на подобную конструкцию, и я просто ДОЛЖЕН был это сделать

Третий перевернутый редуктор CIM, который позволяет больше места для электроники или для чего-либо, что нужно, чтобы войти внутрь периметра рамы. Все еще сомневаюсь в том, что для этого есть три CIM из-за отключения электроэнергии, но у меня есть ощущение, что мне это сойдет с рук, учитывая, что количество двигателей для других частей ограничено, а количество двигателей не ограничено.

Спецификации:
Вес: 11,40 фунтов
Высокая скорость (скорректированная): 18,06 кадров в секунду
Низкая скорость (скорректированная): 6,02 кадров в секунду

Файлы, включая файлы STEP, можно найти в моей папке GrabCAD в папке GBX-116.
Ссылка: https://workbench.grabcad.com/workbench/projects/gcOhfXOehYETdalk4HNJ_3A0HceTxrt6Dv4ytxedJppYkO#/space/gcy-RpuR7fueMhPxpys8KUh7yF1NwcTEWAlStxFm6c3ypj

Теперь я я действительно собираюсь прекратить работу над коробками передач (за исключением одного, с которым я работаю кто-то еще в команде) и сделать что-то еще

cbale2000 30 декабря 2015 г. , 12:15 2

Удалось ли командам использовать такие свободнонесущие редукторы на гоночных машинах? Может быть, это только я, но это кажется ДЕЙСТВИТЕЛЬНО плохой идеей, и я вижу все больше и больше этого в последнее время. :ahh:

Арен_Зикмайер 30 декабря 2015 г., 12:21 3

Вы никогда не получите идеальной сетки по всей петле шестерен. Вы можете даже помять зубы в зависимости от допусков и того, как все выстраивается.

Меня также беспокоят консольные шестерни, так как они передают крутящий момент и, похоже, работают только на одном подшипнике.

альдерон 30 декабря 2015 г., 12:30 4

Комментарий к дизайну

Я думаю, что у предыдущего плаката та же мысль, но ваша центральная шестерня CIM между двумя другими шестернями напрашивается на неприятности. Будут некоторые производственные допуски, и он будет хорошо зацепляться с одной стороны и плохо с другой стороны и, вероятно, сломать зубья шестерни. Не весело.

Поскольку вам, кажется, нравится конструировать коробки передач, как насчет того, где вы пытаетесь сохранить низкий центр тяжести, удерживая CIM на том же или близком расстоянии от земли, что и ведущая ось? Вероятно, не самый полезный, поскольку вы опускаете CIM всего на несколько дюймов, но было бы интересно посмотреть, что у вас получится!

Комментарий SolidWorks

Мне нравится, что вы включили файлы ПО, но не все. Это достаточно распространенная проблема, поэтому в SolidWorks есть функция «Pack and Go» в меню «Файл». Это позволяет вам взять всю сборку и скопировать все части. Вы можете объединить их в одну папку (рекомендуется) и даже заархивировать в ZIP, и все это за один шаг. Отлично подходит для обмена целыми сборками, сохраняя их в форматах SW (вместо STEP).

— матовый-

z_beeblebrox 30 декабря 2015 г. , 12:33 5

Комментарий к дизайну

Я думаю, что у предыдущего автора та же мысль, но ваша центральная шестерня CIM между двумя другими шестернями напрашивается на неприятности. Будут некоторые производственные допуски, и он будет хорошо зацепляться с одной стороны и плохо с другой стороны и, вероятно, сломать зубья шестерни. Не весело.

Простым решением (не знаю, реализовано ли оно уже) было бы сделать коробку передач слегка асимметричной, чтобы центральная шестерня CIM зацеплялась только с одной из двух шестерен рядом с ней.

Редактировать: вместо того, чтобы полагаться на винты для позиционирования CIM, почему бы не использовать выступ на передней части CIM для более точного позиционирования двигателя за счет уменьшения текущего зазора?

Джаред 30 декабря 2015 г. , 12:50 6

Удалось ли командам действительно сойти с рук с такими свободнонесущими редукторами на гоночных машинах? Может быть, это только я, но это кажется ДЕЙСТВИТЕЛЬНО плохой идеей, и я вижу все больше и больше этого в последнее время. :ааа:

Что насчет плохой идеи?
РЕДАКТИРОВАТЬ: я только что заметил, что есть только один подшипник. Это плохая идея. Если бы был второй подшипник, это, вероятно, было бы нормально по следующим причинам.

Консольное положение шестерни не влияет на скручивающие нагрузки, а шестерня/вал не имеет значительной осевой нагрузки, поэтому нам нужно беспокоиться только о радиальной нагрузке на вал и подшипники.

Три CIM имеют суммарный крутящий момент около 1000 дюймов на унцию, а радиус шага шестерен составляет около 0,3 дюйма, поэтому тангенциальная сила на делительной окружности составляет около 3000 унций или 190 фунтов силы. Шестерни FRC имеют угол давления 14,5 градусов, поэтому радиальная нагрузка составляет 190 x tan 14,5, что составляет 50 фунтов.

50 фунтов меньше, чем консольное колесо будет испытывать на WCD, и эти валы обычно не изгибаются.

Арен_Зикмайер 30 декабря 2015 г., 13:22 7

Три CIM имеют суммарный крутящий момент около 1000 дюймов на унцию, а радиус шага шестерен составляет около 0,3 дюйма, поэтому тангенциальная сила на делительной окружности составляет около 3000 унций или 190 фунтов силы. Шестерни FRC имеют угол давления 14,5 градусов, поэтому радиальная нагрузка составляет 190 x tan 14,5, что составляет 50 фунтов.

50 фунтов меньше, чем консольное колесо будет испытывать на WCD, и эти валы обычно не изгибаются.

Меня больше беспокоит крутящий момент ~25 дюйм-фунтов на подшипнике (шестерня выступает консолью на 0,5 дюйма от подшипника). Похоже, что нет второго подшипника, чтобы исправить это, но я не загрузил CAD, поэтому я Возможно, одно из решений состоит в том, чтобы жестко закрепить вал на плите редуктора и установить одну из шестерен VEXPRO с отверстием под подшипник непосредственно на подшипник, чтобы шестерня располагалась по центру подшипника. 0005

Джоуи_Милия 30 декабря 2015 г., 17:37 8

Что насчет плохой идеи?
РЕДАКТИРОВАТЬ: я только что заметил, что есть только один подшипник. Это плохая идея. Если бы был второй подшипник, это, вероятно, было бы нормально по следующим причинам.

Консольное расположение шестерни не влияет на скручивающие нагрузки, а шестерня/вал не испытывает значительной осевой нагрузки, поэтому нам нужно беспокоиться только о радиальной нагрузке на вал и подшипники.

Три CIM имеют общий крутящий момент около 1000 дюймов на унцию, а радиус шага шестерен составляет около 0,3 дюйма, поэтому тангенциальная сила на делительной окружности составляет около 3000 унций или 190 фунтов силы. Шестерни FRC имеют угол давления 14,5 градусов, поэтому радиальная нагрузка составляет 190 x tan 14,5, что составляет 50 фунтов.

50 фунтов меньше, чем консольное колесо будет испытывать на WCD, и эти валы обычно не изгибаются.

При расчете реактивной нагрузки вала нельзя игнорировать касательную нагрузку. Предполагая, что тангенциальная и радиальная нагрузка соответствует вашим расчетам, шестерня входит в зацепление только в одном месте и шестерня находится в статическом состоянии, реактивная нагрузка на вал будет равна sqrt(19).2). Однако это упрощенный анализ, и эта коробка передач имеет шестерни с несколькими зацеплениями, которые необходимо учитывать. Кроме того, некоторые из этих валов меньше шестигранника 0,5 дюйма, который обычно используется на колесах WCD.

Я не говорю, что консоль обязательно будет проблемой, я не проводил расчетов, просто нагрузка потенциально выше.

Я также полностью согласен со всеми, что одного подшипника (при условии, что это обычный подшипник FRC, не рассчитанный на моментные нагрузки) совершенно недостаточно для любого из валов.

ДжиТво 30 декабря 2015 г. , 19:48 9

Я не уверен, что есть разумный способ сделать это, но если бы вы могли переместить блинный цилиндр на другую сторону коробки передач, вы могли бы расположить колеса намного ближе к краю робота.

КуперКэш 30 декабря 2015 г., 20:53 10

Я не уверен, что есть разумный способ сделать это, но если бы вы могли переместить блинный цилиндр на другую сторону редуктора, вы могли бы расположить колеса намного ближе к краю робота.

Как это приблизит колеса к краю робота? Насколько я могу судить, этот редуктор предназначен для использования в установке WCD, которая уже находится настолько близко, насколько колеса могут подойти к краю робота.

ДжиТво 30 декабря 2015 г. , 21:10 11

Как это приблизит колеса к краю робота? Насколько я могу судить, этот редуктор предназначен для использования в установке WCD, которая уже находится настолько близко, насколько колеса могут подойти к краю робота.

Глядя на рендер, я подумал, что колесо как раз между пластинами редуктора. Если колесо находится на «проволочном» конце CIM, то считайте, что это изменено, так что перемещение цилиндра приведет к тому, что модуль будет использовать меньше места внутри робота, что, как я понимаю, является основным моментом перевернутого CIM.

КуперКэш 30 декабря 2015 г., 22:08 12

Глядя на рендер, я подумал, что колесо как раз между пластинами редуктора. Если колесо находится на «проволочном» конце CIM, то считайте, что это изменено, так что перемещение цилиндра приведет к тому, что модуль будет использовать меньше места внутри робота, что, как я понимаю, является основным моментом перевернутого CIM.

О, хорошо, теперь это более понятно. То, как устроена коробка передач, я не думаю, что вообще возможно сдвинуть цилиндр. Его нужно было бы либо надеть на выходной вал колеса с другой стороны, и это было бы не очень хорошо, либо надеть шестерню прямо над ней и переделать все шестерни в коробке передач. С этим вариантом это можно было бы сделать, но я не думаю, что вы сможете заставить работать геометрию, чтобы избежать боковой направляющей и колеса на выходном валу. Если бы это было сделано, я был бы впечатлен. Ваша идея сэкономит дополнительное место в роботе и станет довольно крутой коробкой передач.

ДжиТво 30 декабря 2015 г., 22:24 13

О, хорошо, теперь это более понятно. То, как устроена коробка передач, я не думаю, что вообще возможно сдвинуть цилиндр.

С переключением передач особо не работал, может глупый вопрос, а можно ли переключение переместить на выход оси узла, а не на вход оси колеса? Когда колесо полностью выдвинуто к концам CIM, похоже, что с другой стороны будет достаточно места для блина. Очевидно, это будет переключение с более высокой скоростью и меньшим крутящим моментом, поэтому, возможно, потребуется другой механизм переключения передач.

asid61 31 декабря 2015 г., 00:35 14

Возможное решение для консольной шестерни могло бы состоять в том, чтобы подшипник в шестерне вращался на «мертвой оси» — винте с проставкой на нем, входящем в пластину с резьбой.

КуперКэш 31 декабря 2015 г. , 5:49 15

С переключением передач особо не работал, может глупый вопрос, а можно ли переключение переместить на выход оси узла, а не на вход оси колеса? Когда колесо полностью выдвинуто к концам CIM, похоже, что с другой стороны будет достаточно места для блина. Очевидно, это будет переключение с более высокой скоростью и меньшим крутящим моментом, поэтому, возможно, потребуется другой механизм переключения передач.

Единственная проблема с этим, как я уже говорил ранее, будет мешать чему-либо на той стороне коробки передач, например, трубе и колесу, а также ограниченному количеству шаровых переключателей COTS и зубчатых колес, если вы не хотите сделать свой собственный собственные собачьи шестерни или шаровые переключатели.

КуперКэш 31 декабря 2015 г. , 5:51 16

Возможное решение для консольной шестерни могло бы состоять в том, чтобы подшипник в шестерне вращался на «мертвой оси» — винте с прокладкой на нем, входящем в пластину с резьбой.

Это не исправит тот факт, что он по-прежнему консольный. На другой стороне шестерни должна быть опорная пластина, чтобы уменьшить виды нагрузок, которые воспринимает консольная шестерня по сравнению с не консольной.

Арен_Зикмайер 31 декабря 2015 г., 13:19 17

Это не исправит тот факт, что он по-прежнему консольный. На другой стороне шестерни должна быть опорная пластина, чтобы уменьшить виды нагрузок, которые воспринимает консольная шестерня по сравнению с не консольной.

Это уменьшит скручивающую нагрузку на подшипник почти до нуля.