XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Зубчатое колесо
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире трудно представить жизнь человека без использования машин разного предназначения - это и простые механизмы, и более сложные машины. В современных машинах и механизмах для передачи вращательного движения широко применяются зубчатые передачи. Они находят широкое применение во всех отраслях машиностроения, а также в автомобилестроении, станкостроении, производстве сельхозмашин и других отраслях.
Я решил разобраться в механизмах передачи движения, чтобы узнать, как передается и изменяется вращательное движение между мотором и колесом. Можно ли увеличить скорость движения, имея под рукой только шестеренки?
Цель данной работы: изучить возможность применения зубчатой передачи в различных механизмах и устройствах.
Задачи:
Изучить литературу по данной теме.
Рассмотреть различные механизмы и приспособления, в которых применяется зубчатая передача.
Познакомиться с историей возникновения зубчатого колеса.
Собрать модели с зубчатой передачей.
Оформить исследования в виде проекта:
Объект исследования зубчатое колесо
Предмет исследования различные механизмы
Гипотеза: зубчатое колесо или шестерня существует давно, но и в современном мире применяется очень часто.
Методы исследования – изучение литературы по данной теме, эксперимент, анализ, систематизация, обобщение.
Данное исследование может послужить докладом изучаемой темы на занятиях физики, будет востребована на занятиях по робототехнике и легоконструированию для создания моделей и разных механизмов.
Основная часть.
История появления зубчатого колеса
Нас заинтересовало, а когда же появилась эта передача впервые, и вот что мы смогли выяснить:
В 3500 году до нашей эры было изобретено первое колесо в государстве Шумеры. Прогресс не стоял на месте, и в 250 году до нашей эры Архимед изобрел свой знаменитый винт, который дал толчок к развитию водяных колес, появившихся в 200 году до нашей эры в Риме. Первые водяные мельницы появились около 300 года нашей эры возле Барбегаля во Франции и в Британии, они применялись сначала только для помола зерна. Ветряные мельницы с горизонтальной осью появились около 700 года нашей эры в Персии, а затем в 1200 году в Европе появились мельницы с вертикально расположенным колесом. На старинных гравюрах можно увидеть одну из таких машин, которая дробит, размалывает, промывает золотую руду и смешивает золото с ртутью.
Исторически известно, что впервые механизмы с шестеренками использовались в Древней Греции исследователем Ктеибием в водяных часах. В первом веке до н.э. единственная известная более ранняя «машина» — это гончарный круг, важной деталью которого была шестеренка. В Древней Греции использовались деревянные и металлические шестерни с клинообразными зубьями. Позднее, в Римской Империи, деревянные шестерни нашли применение в работе зерновой мельницы, а металлические шестерни — во многих малогабаритных механизмах.
В эпоху Средневековья в водяных мельницах повсеместно применялись деревянные шестерни, и только в Швеции - шестерни из камня. В 16 веке в Соловецком монастыре игумен Филипп (Федор Степанович Колычев), впоследствии митрополит Московский, изобрел установку: в неё входили мельницы, которые мололи зерно, просеивали помол и были ещё крупорушками. Установка имела к тому же устройство для приготовления кваса.
Водяные мельницы оставались движущей силой в промышленности и в 18-19 веках. Посредством воды не только перемалывалось зерно, но и приводились в действие другие механизмы: они распиливали древесину, обрабатывали металл и дерево, перекачивали воду и т.д. Но в некоторых странах, например, в Голландии, вместо силы воды использовалась сила ветра, с помощью которой приводились в движение мельницы с деревянными шестернями.
Деревянные шестерни широко были распространены в 18 веке и использовались во всем мире на различных производствах (например, на ткацких фабриках, сталелитейных заводах и др.). Во второй половине 19-го века, в эпоху бурного развития электростанций, железных дорог и производств, повсеместное использование электрических моторов и паровых двигателей привело к увеличению спроса на хорошие металлические шестерни.
Ученые были в постоянных поисках усовершенствования механизмов, так появляется проект «сухой» водяной мельницы, вместо речной воды механизм должен работать за счет неподвижной воды. То есть вода, поднятая архимедовым винтом из нижней ёмкости в верхнюю, станет стекать по трубе, вращая турбину, которая приведет в движение жернова (или другой какой-то механизм) и винт. И только в 1910 году был придуман первый ручной миксер. В настоящее время в домашних условиях применяются миксеры различной конфигурации с электродвигателем.
Виды зубчатых колёс
Зубчатые колеса классифицируются в зависимости от формы продольной линии зуба на: прямозубые, косозубые, шевронные, колеса с круговыми зубьями.
П рямозубые колёса — самый распространённый вид зубчатых колёс. Зубья расположены в радиальных плоскостях, а линия контакта зубьев обеих шестерён параллельна оси вращения. При этом оси обеих шестерён также должны располагаться строго параллельно.
К осозубые колёса являются усовершенствованным вариантом прямозубых. Их зубья располагаются под углом к оси вращения, а по форме образуют часть спирали.
Шевронные колеса. Колеса с круговыми зубьями.
Т
акже зубчатые колеса бывают с внутренним и внещним зацеплением.
Достоинства и недостатки зубчатых колес.
Достоинства:
- Зацепление таких колёс происходит плавнее, чем у прямозубых, и с меньшим шумом.
- Площадь контакта увеличена по сравнению с прямозубой передачей, таким образом, предельный крутящий момент, передаваемый зубчатой парой, тоже больше.
Недостатками косозубых колёс можно считать следующие факторы:
- При работе косозубого колеса возникает механическая сила, направленная вдоль оси, что вызывает необходимость применения для установки вала упорных подшипников;
- Увеличение площади трения зубьев (что вызывает дополнительные потери мощности на нагрев), которое компенсируется применением специальных смазок.
|
Достоинства зубчатой передачи |
Недостатки зубчатой передачи |
|
Большая надёжность и долговечность |
Повышенные требования к точности изготовления и монтажа |
|
Высокий коэффициент полезного действия (КПД) до 97-98% |
Шум при больших скоростях |
|
Простота в эксплуатации |
Высокая жёсткость конструкции |
|
Постоянство передаточного числа |
|
|
Высокая нагрузочная способность |
|
Изготовление зубчатых колес
При изготовлении зубчатых колес могут применятся такие инструменты, как гребенка, червячная фреза и долбяк.
Метод обката с применением гребенки
Режущий инструмент, имеющий форму зубчатой рейки, называется зуборезной гребёнкой. На одной стороне гребёнки по контуру её зубьев затачивается режущая кромка. Заготовка накатываемого колеса совершает вращательное движение вокруг оси. Гребёнка совершает сложные перемещения, состоящие из поступательного движения перпендикулярно оси колеса и возвратно-поступательного движения, параллельного оси колеса для снятия стружки по всей ширине его обода.
Метод обката с применением червячной фрезы
Помимо гребёнки в качестве режущего инструмента применяют червячную фрезу. В этом случае между заготовкой и фрезой происходит червячное зацепление.
Метод обката с применением долбяка
Зубчатые колёса также долбят на зубодолбёжных станках с применением специальных долбяков. Зубодолбёжный долбяк представляет собой зубчатое колесо, снабжённое режущими кромками.
Метод копирования.
Дисковой или пальцевой фрезой нарезается одна впадина зубчатого колеса. Режущая кромка инструмента имеет форму этой впадины. После нарезания одной впадины заготовка поворачивается на один угловой шаг при помощи делительного устройства, операция резания повторяется.
Горячее и холодное накатывание
Процесс основан на последовательной деформации нагретого до пластического состояния слоя определённой глубины заготовки зубонакатным инструментом. При этом сочетаются индукционный нагрев поверхностного слоя заготовки на определённую глубину, пластическая деформация нагретого слоя заготовки для образования зубьев и обкатка образованных зубьев для получения заданной формы и точности.
Изготовление конических колес.
Для нарезания более точных конических колёс используют способ обкатки в станочном зацеплении нарезаемой заготовки с воображаемым производящим колесом. Боковые поверхности производящего колеса образуются за счёт движения режущих кромок инструмента в процессе главного движения резания, обеспечивающего срезание припуска.
Использование зубчатых передач
Машина - это устройство, выполняющее механические движения, служащее для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения или замены физического, или умственного труда человека и повышения его производительности. В машинах энергия передается через механизмы с вращающимися звеньями. Звено же – это группа деталей, соединенных между собой и движущихся как одно целое.
Все механические передачи разделяют на две основные группы: передачи, основанные на использовании трения (ременные, фрикционные); передачи, основанные на использовании зацепления (зубчатые, червячные, цепные, винтовые).
В целом, косозубые колёса применяются в механизмах, требующих передачи большого крутящего момента на высоких скоростях, либо имеющих жёсткие ограничения по шумности.
Ш евронные колёса.
Зубья таких колёс изготавливаются в виде буквы «V» (либо они получаются стыковкой двух косозубых колёс со встречным расположением зубьев). Передачи, основанные на таких зубчатых колёсах, обычно называют «шевронными».
Шевронные колёса решают проблему осевой силы. Осевые силы обеих половин такого колеса взаимно компенсируются, поэтому отпадает необходимость в установке валов на упорные подшипники. При этом передача является самоустанавливающейся в осевом направлении, по причине чего в редукторах с шевронными колесами один из валов устанавливают на плавающих опорах (как правило — на подшипниках с короткими цилиндрическими роликами).
Конические зубчатые колёса.
Во многих машинах осуществление требуемых движений механизма связано с необходимостью передать вращение с одного вала на другой при условии, что оси этих валов пересекаются. В таких случаях применяют коническую зубчатую передачу. Различают виды конических колёс, отличающихся по форме линий зубьев: с прямыми, тангенциальными, круговыми и криволинейными зубьями. Конические колёса с прямым зубом, например, применяются в автомобильных главных передачах, используемых для передачи момента от двигателя к колёсам.
Реечная передача (кремальера) применяется в тех случаях, когда необходимо преобразовать вращательное движение в поступательное и обратно. Состоит из обычной прямозубой шестерни и зубчатой планки (рейки).
Зубчатая рейка представляет собой часть колеса с бесконечным радиусом делительной окружности. Поэтому делительная окружность, а также окружности вершин и впадин превращаются в параллельные прямые линии. Эвольвентный профиль рейки также принимает прямолинейное очертание. Такое свойство эвольвенты оказалось наиболее ценным при изготовлении зубчатых колёс.
Также реечная передача применяется в зубчатой железной дороге.
Коронное колесо — особый вид колёс, зубья которых располагаются на боковой поверхности. Такое колесо, как правило, стыкуется с обычным прямозубым, либо с барабаном из стержней (цевочное колесо), как в башенных часах.
Также существуют и другие виды зубчатых передач. Зубчатые барабаны киноаппаратуры - предназначены для точного перемещения кинопленки за перфорацию. В отличие от обычных зубчатых колес, входящих в зацепление с другими колесами или зубчатыми профилями, зубчатые барабаны киноаппаратуры имеют шаг зубьев, выбранный в соответствии с шагом перфорации. Большинство таких барабанов имеет эвольвентный профиль зубьев, изготавливаемых по тем же технологиям, что и в остальных зубчатых колесах.
Наши эксперименты
Для моделей нам понадобился набор «LEGO Education WeDo 1.0» и компьютер с программным обеспечением WeDo 1.0.
Для начала нужно:
Собрать модели с двумя, тремя шестеренками, с разным количеством зубьев.
Провести опыты с шестеренками.
Проанализировать результаты опытов и сделать вывод.
Создать модель «Умная вертушка» с использованием зубчатых колес.
Опыт№1
Собрали модель, состоящую из одной большой шестеренки с большим количеством зубьев и малой шестеренки с малым количеством зубьев. При вращении маленькое колесо - ведущее. Отмечаем, что за полный оборот малого колеса, большое колесо делает пол оборота и двигается в противоположенном направлении.
Вывод: Когда маленькое колесо приводит в движение большое, то шестерня (большое колесо) двигается с меньшей скоростью, но с большей силой – это понижающая передача.
Опыт№2
Сборка модели прежняя. При вращении большое колесо - ведущее. Отмечаем, что за полный оборот большого колеса, малое колесо делает два полных оборота и двигается в противоположенном направлении.
Вывод: Когда большое колесо приводит в движение малое, то шестерня (маленькое колесо) двигается с большей скоростью, но с меньшей силой - повышающая передача.
Опыт №3
Собрали модель, состоящую из одной большой шестеренки с большим количеством зубьев и двух малых шестеренок с малым количеством зубьев.
П ри вращении любое крайнее колесо - ведущее. Отмечаем, что шестерня двигается в одном направлении с ведущим. На данном примере мы наблюдаем зубчатую передачу, то есть передачу вращательного движения.
Вывод: При добавлении третьей шестеренки, направление движения вращающего колеса и шестерни совпадает. Этот тип передачи очень полезен, потому как позволяет получать: большую скорость маленького колеса или большую силу движения большого колеса.
Опыт №4
Следуя пошаговой инструкции, мы построили вертушку, которая раскручивает волчок с различными скоростями. Модель состоит из кирпичиков ЛЕГО, зубчатых колес (разного размера), мотора. Чтобы модель работала лучше не нужно сильно прижимать его к поверхности стола – волчок должен вращаться свободно.
Запрограммировали модель, программа включает мотор. Энергия передается от компьютера на мотор, вращается коронное зубчатое колесо. Это зубчатое колесо приводит в движение маленькое зубчатое колесо, установленное на одной оси с большим зубчатым колесом, которое поэтому тоже вращается. Волчок вставляют верхней части в вертушку. На верхушке волчка закреплено маленькое зубчатое колесо, через которое волчку передается крутящий момент, и когда волчок освобождается, он продолжает крутиться.
Можно отметить, что по применению и распространению в различных областях народного хозяйства зубчатые передачи по праву занимают первое место. В любой отрасли машиностроения, приборостроения, на транспорте и т.д. зубчатые передачи находят широкое применение. В наше время зубчатые колёса являются важнейшей частью машиностроения. Поэтому в своей работе мы постарались дать описание некоторых видов зубчатых колёс, которые дают возможность оценить целесообразность того или иного вида передачи движения и дают начальное представление об оптимальных вариантах использования тех или иных зубчатых колёс.
3. Заключение
В моей исследовательской работе я использовал зубчатый вид передачи. Что же такое зубчатая передача? Зубчатая передача – это механизм или часть механизма, в состав которого входят зубчатые колеса или другими словами шестеренки. Современная область применения зубчатой передачи — от часов и приборов до самых тяжелых машин.
Зубчатые передачи представляют собой наиболее распространенный вид передач в современном машиностроении. Они очень надежны в работе, обеспечивают постоянство передаточного числа, компактны, имеют высокий КПД, просты в эксплуатации, долговечны и могут передавать любую мощность (до 36 тыс. кВт).
На основании анализа литературы пришли к выводу, что в большинстве случаев для передачи вращения используются механические передачи, в основном зубчатые, основным элементом которых является шестерня. Кроме того, анализ подтвердил, что размеры шестерней и порядок их расположения напрямую влияют на силу передаваемой энергии вращения и ее направление. Зубчатая передача является основным элементом конструкции в робототехнике.
В ходе выполнения задач данной работы были собраны модели зубчатой передачи. Было проведено четыре опыта, в ходе которых были сделаны выводы.
В заключении можно сделать следующий вывод:
Зубчатая передача может передавать движение вращательное и не только, например, в автомобиле преобразуется вращательное движение руля, через зубатку в прямолинейное движение на ось колеса.
Зубчатая передача позволяет передавать движение с большей скоростью при меньшем усилии или увеличить силу за счет уменьшения скорости.
Моя гипотеза о том, что зубчатое колесо или шестерня существует давно, но и в современном мире применяется очень часто, подтвердилась.
Литература
Большая книга экспериментов для школьников, 2006г. Под редакцией Антолнелы Мейеми.
Интернет ресурсы «Зачем нужны Шестеренки?»
Передачи зубчатые; общие термины, определения и обозначения.— официальное.— Москва: ИПК Издательство стандартов, 1983.— 51с.
Колеса зубчатые; модули.— официальное.— Москва: ИПК Издательство стандартов, 1960.— 4с.
Атлас по технике. - Пер. с исп. - М.: ОЛМА-ПРЕСС Экслибрис, 2003. - 96 с. (Иллюстрированный энциклопедический атлас)
История Открытий. Энциклопедия., перевод с англ. А. М. Голова., Москва «РОСМЭН»., 1999.
Школьная энциклопедия «Естественные науки»., Кристин Роджерс и др., перевод с англ., Москва «РОСМЭН»., 2002.
Энциклопедия для детей. Том 14. Техника., глав. Ред. М. Д. Аксёнова. - М.: Аванта+, 2000. - 688 с: ил.
Энциклопедический словарь юного техника/ сост. Б. В. Зубков, С. В. Чумаков - М.: Педагогика, 1980. - 512 с, ил.