Что такое червячный механизм и для чего он нужен?

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Что такое червячный механизм и для чего он нужен?

Рожков Д.А. 1
1МБОУ "СОШ №91 имени Надежды Курченко"
Бирюк Е.В. 1
1МБОУ "СОШ №91 имени Надежды Курченко"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Мы с папой занимаемся робототехникой. Изучаем различные механизмы и строим модели из «Лего». На одном из занятий мы проходили червячный механизм. Мне стало интересно, почему он называется червячный и причём тут червяк.

Я решил изучить этот вопрос более подробно.

Цель моего проекта узнать, что общего между земляным червяком и червячным механизмом и где этот механизм встречается в жизни.

Для этого я решил узнать историю изобретения червячного механизма и где он используется в наше время. А также самостоятельно попробовать собрать несколько моделей из «Лего» с этим механизмом.

Объект исследования: червячный механизм

Предмет исследования: важность червячных механизмов в «Лего» наборах, их польза и помощь в развитии детей разных возрастов.

Цель исследования: узнать историю изобретения червячного механизма и где он используется в наше время.

Задачи:

  1. Познакомиться с понятием «червячный механизм»

  2. Изучить принцип работы червячной передачи и механики передвижения земляного червя.

  3. Узнать применение червячной передачи.

  4. Сконструировать из конструктора «Лего» модели с использованием червячного механизма.

В данной работе я буду использовать следующие методы исследования:

  • сбор информации;

  • анализ полученных сведений;

  • сравнение и аналогия;

  • наблюдение;

  • эксперимент;

  • обобщение.

Гипотеза: несмотря на свои небольшие размеры и простоту устройства «червячный» механизм является очень полезным древним изобретением, которое активно можно использовать в наши дни.

Актуальность темы:в данной работе показывается большое значение червячных передач в «Лего» наборах, что можно сделать из них.

  1. Почему червячный механизм так называется и для чего он нужен

    1. История изобретения червячного механизма (передачи)

«Большой толковый словарь русского языка» даёт нам такое определение: червячная передача (зубчато-винтовая передача) механическая передача, осуществляющаяся зацеплением вращающегося винта «червяка» и соединённого с ним червячного зубчатого колеса. 

Ещё в древние времена люди начали применять механизмы. В основном они применялись для подачи воды, перемалывания зерна, подъёма и перетаскивания тяжестей. Они применялись в сферах сельского хозяйства, строительства, быта людей, а также в военном деле. Вместо двигателя использовали силу животных, рабов, ветра и воды.

В

Рис.1

первые устройство подобных механизмов было математически описано древнегреческим учёным Архимедом. Одним из его известных изобретений был бесконечный винт. Это устройство – «архимедов винт» – состояло из наклонной деревянной трубы, погруженной одним концом в воду. Внутри трубы была спираль, укреплённая на стержне. При вращении спирали вода выливалась из верхнего конца трубы (см. рис. 1).

Рис. 2

«Архимедов винт» стал основой винта современной червячной передачи червяка (см. рис. 2).

Рис. 3

Позднее великий изобретатель Леонардо да Винчи в своих эскизах усовершенствовал этот механизм настолько, что он с успехом применяется в современном мире (см. рис. 3).

    1. Принцип работы червячной передачи и механика передвижения земляного червя

Изучив историю изобретения червячного механизма, я не нашел ответ на вопрос «Причём тут червяк?». Я продолжил исследования и сравнил принцип действия червячного механизма и принцип передвижения земляного червяка.

Как я уже выяснил, червячный механизм состоит из винта (червяка) и шестерни (зубчатого колеса). При вращении червяка его витки плавно входят в зацепление с зубьями колеса и приводят его во вращение.

Когда винт останавливается, шестерня не может вращаться и фиксируется. Так же шестерня не может вращать винт. Это и есть уникальные свойства червячной передачи, поэтому она применяется в механизмах для поднятия и удержания груза без нагрузки на двигатель.

Теперь рассмотрим строение и механику передвижения земляного червяка.

Тело дождевого червяка не ровное, а состоит из сегментов колечек, разделённых желобами. Тип этих животных так и называется кольчатые черви.

П

Рис. 4

ередвигается дождевой червь ползанием. При этом он сначала втягивает передний конец тела и цепляется щетинками, расположенными на брюшной стороне, за неровности почвы (см. рис. 4).

Затем, сокращая мышцы, подтягивает задний конец тела. За счёт зубчиков на теле, червяк может двигаться только вперёд. При попытке вытащить его из земли за хвост, сделать это будет очень трудно.

Если сравнить червяка и червячный механизм, можно найти два сходства.

П

Рис. 5

ервое – винт червячного механизма внешне очень похож на кольчатое строение дождевого червяка (см. рис.5).

Второе сходство: червячный механизм подобно червяку, цепляющемуся щетинками за землю, невозможно прокрутить назад шестерёнкой.

Информации о происхождении названия «червяк» у винта в зубчато-винтовой передаче, я не нашел. Так как в чистом виде ни у одного живого существа на Земле в организме нет червячных передач, вероятнее всего, изобретатели червячного механизма, давшие это название винту, основывались на таких же сходствах с дождевым червяком, которые я описал.

    1. Применение червячной передачи

Достаточно часто червячные передачи используются в системах регулировки и управления, где важна точность фиксации, например, рулевое управление автомобилей.

Благодаря своим уникальным свойствам червячные передачи широко применяются в подъёмно-транспортных машинах и механизмах: краны, погрузчики, железнодорожные шлагбаумы, раздвижные ворота, разводные мосты, лебёдки, лифты и другие устройства, для которых важно удержать что-то тяжёлое, как только двигатель останавливается.

К

Рис. 6

ак оказалось, червячный механизм легко обнаружить и в повседневной жизни. У нас дома я нашел его применение в механизме натяжении струн гитары, в мясорубке, в подъёмном механизме ножек посудомоечной машины, в папиных инструментах (разводной гаечный ключ), в игрушечных машинках (см. рис. 6).

  1. Конструирование моделей с использованием червячного механизма

Благодаря проведённым исследованиям я узнал, что червячный механизм применяется в откатных воротах, в механизмах управления и подъёмных устройствах. Поэтому из своего конструктора «Лего» я решил собрать откатные ворота, рулевую рейку автомобиля и небольшой подъёмник.

Для создания моделей мы с папой использовали конструктор для робототехники LEGO Education WeDo 2.0 и специальную программу на ноутбуке.

    1. Модель автоматических откатных ворот

Для создания ворот мы взяли червячный механизм, двигатель, датчик перемещения, СмартХаб и блоки «Лего».

Собрали основание, на которое установили червячный механизм, подключенный к двигателю. Рядом на основании закрепили СмартХаб (см. приложение, рис. 1).

Из блоков «Лего» и пластин построили створку ворот, которую установили на зубчатую рейку (см. приложение, рис. 2).

С внешней стороны ворот на основание поставили датчик перемещения. В опорную раму завели створку ворот и зафиксировали её шестерней к зубчатой рейке (см. приложение, рис. 3).

Датчик перемещения и двигатель подключили к СмартХабу. СмартХаб устройство, которое позволяет программировать и приводить в движение мою модель с помощью ноутбука и программного обеспечения.

С помощью специального приложения мы создали программу автоматического открытия ворот для нашей модели (см. приложение, рис. 4).

Принцип работы модели:

  1. Машина подъезжает, срабатывает датчик перемещения и даёт двигателю команду вращаться.

  2. Двигатель приводит в движение ось с «червяком». «Червяк» сцепляется с зубчатым колесом, которое начинает вращать ось с шестерней, приводящей в движение зубчатую рейку, тем самым отодвигая створку ворот.

  3. После полного открывания ворот машина уезжает из зоны действия датчика перемещения. СмартХаб даёт команду двигателю вращаться в обратном направлении. Ворота начинают закрываться.

    1. Модель рулевой рейки

Рулевая рейка механизм, с помощью которого при повороте руля влево или вправо поворачиваются колеса автомобиля.

В работе я использовал ось, колеса, червячный механизм, блоки «Лего».

Собрали поворотный механизм колес (см. приложение, рис. 5).

Приставили к нему «червячный» механизм, вал, руль (в виде шестерёнки) и колеса (см. приложение, рис. 6).

Принцип работы модели:

  1. Вращая руль, мы приводим в движение «червяк», в зависимости от направления вращения «червяка» будет меняться положение колес.

    1. Модель подъёмного механизма

Для создания модели мне понадобились блоки «Лего», оси, шестерёнки, зубчатые рейки и червячный механизм.

Из блоков «Лего» собрали ножничный подъёмный механизм с платформой (см. приложение, рис. 7).

Механизм прикрепили на основание, к нему добавили зубчатые рейки, шестерёнки и червячный механизм (см. приложение, рис. 8).

Принцип работы модели:

  1. Вращая вал с «червяком», шестеренка приводит в движение зубчатую рейку.

  2. Зубчатая рейка начинает смещаться и толкать прикреплённые к ней основания ножничного подъёмного механизма.

  3. За счет этого «ножницы» начинают складываться и толкать платформу вверх.

  4. При вращении «червяка» в обратную сторону, платформа опускается вниз.

Заключение

В результате проделанной исследовательской работы я нашёл ответ на свой вопрос «Почему «червячный» механизм называется «червячный»?». Между ним и червяком действительно есть сходства, как внешние, так и механические. Земляной червяк удерживается за почву специальными щетинками на брюшке и его трудно вытащить назад. А винт в «червячной» передаче не зря назван «червяком» его витки трудно провернуть зубчатому колесу. Благодаря этому свойству «червячные» механизмы используют там, где очень важна точность фиксации или нужно удержать что-то тяжёлое, как только двигатель останавливается.

Построив из конструктора «Лего» модели разных видов устройств с использованием «червячного» механизма, я на практике увидел:

  1. как такой маленький механизм может с лёгкостью перемещать тяжёлые предметы (модель откатных ворот);

  2. как плавно и точно меняется положение колес при вращении руля в разные стороны (модель рулевой рейки);

  3. как подъёмный механизм может останавливаться в любом положении без нагрузки на двигатель (модель ножничного подъёмника).

Я пришел к выводу, что несмотря на свои небольшие размеры и простоту устройства «червячный» механизм очень полезное древнее изобретение, которое активно используется и в наши дни. Этим я доказал свою гипотезу.

Мне очень понравилось изучать механизмы. Я продолжу заниматься робототехникой и строить модели с другими механизмами.

Список использованных источников и литературы

  1. Барр К., Уильямс С. История изобретений. Моя первая книга о главных изобретениях человека. - М.: Самокат, 2020.

  2. Большой толковый словарь русского языка. / Сост. и гл. ред. С.А. Кузнецов. - Спб.: «Норинт», 2000. - 1536 с.

  3. Ликум А. Все обо всем. Попул. энцикл. для детей. Т.5. - М.: АСТ, 1997. - 446 с.

  4. https://education.lego.com/v3/assets - Комплект учебных проектов LEGO® Education WeDo 2.0

  5. www.obo-rt.ru - А. Соловов. История редуктора: от древних времен до наших дней.

Приложение. Процесс сборки моделей

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Просмотров работы: 22