«Исследование влияния механических передач на скорость гоночных автомобилей» на базе конструктора LEGO Education WeDo 2.0

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

Личный портфель

«Исследование влияния механических передач на скорость гоночных автомобилей» на базе конструктора LEGO Education WeDo 2.0

Прокопенко П.А. 1Дроздецкий Д.А. 1Забелин В.С. 1
1Мистер Брейни - школа интеллектуального развития
Лушникова В.А. 1
1Мистер Брейни - школа интеллектуального развития
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Мир гоночных автомобилей захватывает своей скоростью, технологичностью и мастерством инженеров. Мы, будущие инженеры и конструкторы, имеем уникальную возможность прикоснуться к этой сфере, используя LEGO WeDo 2.0. Этот доступный и увлекательный конструктор станет нашей лабораторией, где мы сможем экспериментировать с различными конструкциями гоночных автомобилей, исследуя их ключевые характеристики и особенности.

В этом исследовании мы погрузимся в мир механики и программирования, чтобы создать собственные гоночные машины, изучить механизмы движения, влияние аэродинамики и секреты трансмиссии. LEGO WeDo 2.0 позволит нам не только построить модели, но и запрограммировать их, управляя скоростью и движением.

Мы сконструируем различные типы гоночных автомобилей: от классических моделей до спортивных автомобилей и даже машин Формулы 1. Мы будем менять их конструкцию, используя разные типы трансмиссии, экспериментируя с аэродинамикой и сравнивая полученные результаты.

Благодаря LEGO WeDo 2.0 мы сможем построить не просто игрушечные машинки, а настоящие инженерные проекты, которые помогут нам лучше понять принципы работы гоночных автомобилей. Это исследование станет не только увлекательным опытом, но и ценным вкладом в наше понимание мира технологий и инженерного творчества.

Понимание принципов работы механических передач имеет важное значение не только для любителей гонок, но и для инженеров, занимающихся разработкой транспортных средств.

Ожидается, что исследование продемонстрирует, что выбор типа передачи существенно влияет на скорость гоночного автомобиля LEGO WeDo 2.0. Результаты исследования помогут лучше понять принцип работы передач и их значение в гоночной динамике.

Цель проекта: Определить, как различные типы механических передач влияют на скорость гоночных автомобилей LEGO WeDo 2.0.

Задачиисследования:

  1. Изучить различные виды механических передач, их принцип работы и преимущества/недостатки;

  2. Узнать влияние механических передач на производительность гоночных автомобилей;

  3. Выявить возможности и ограничения конструкторского набора LEGO Education WeDo 2.0;

  4. Создать исследовательский проект «Конструирование гоночных автомобилей LEGO WeDo 2.0»;

  5. Провести испытательные и итоговые заезды;

  6. Проанализировать полученные данные.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты.Приконструированиидвижимыхчастейпроектанампомогликнигииметодические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3].

 

Глава 1 Общие сведения

    1. Механические передачи: виды и принципы работы

Механические передачи - неотъемлемая часть робототехники, позволяющая эффективно передавать вращение от двигателя к рабочему органу. Они позволяют изменять скорость, крутящий момент и направление вращения, что необходимо для реализации различных движений и задач (Рисунок 1.1.1). LEGO WeDo 2.0 предоставляет набор элементов, которые можно использовать для создания различных типов передач, позволяя изучить их принципы работы в контексте робототехники.

В робототехнике на базе LEGO WeDo 2.0 наиболее распространены следующие виды механических передач:

  • Зубчатая передача: Это самый распространенный тип передачи в LEGO WeDo 2.0. Она используется для передачи вращения между шестернями, изменяя скорость и крутящий момент.

  • Ременная передача: Используется ремень, надетый на шкивы. Она позволяет передавать вращение на большие расстояния и изменять скорость вращения, но не так точна, как зубчатая передача.

  • Червячная передача: Использует червяк и червячную шестерню для передачи движения. Она обеспечивает большое передаточное число, но не так эффективна, как зубчатая передача.

  • Кулачковая передача: Использует кулачок, который взаимодействует с толкателем. Она позволяет преобразовать вращательное движение в возвратно-поступательное, что может быть полезно для управления захватными механизмами или другими элементами.

  • Реечная передача: Использует рейку и шестерню для преобразования вращательного движения в поступательное. Она часто используется для управления поступательным движением робота.

Принципы работы механических передач:

1. Зубчатая передача:

  • Принцип: Взаимодействие зубьев на двух или более шестернях. Зубья взаимодействуют друг с другом, передавая вращательное движение.

  • Как работает: Когда одна шестерня вращается, ее зубья зацепляются с зубьями другой шестерни, заставляя ее вращаться.

  • Особенности:

    • Изменяет скорость и крутящий момент.

    • Высокая точность передачи.

    • Используется для широкого диапазона приложений в робототехнике.

2. Червячная передача:

  • Принцип: Взаимодействие червяка (винта с винтовой нарезкой) с червячной шестерней (с зубьями, расположенными под углом).

  • Как работает: Червяк вращает червячную шестерню, передавая вращение с высоким передаточным числом.

  • Особенности:

    • Обеспечивает большое передаточное число (снижает скорость, увеличивает крутящий момент).

    • Может быть использована для передачи движения с большой силой.

    • Низкая эффективность из-за трения.

3. Ременная передача:

  • Принцип: Передача движения с помощью ремня, надетым на два шкива (колеса с канавкой).

  • Как работает: Вращение одного шкива передается на другой шкив через ремень, который перемещается по канавке.

  • Особенности:

    • Может передавать движение на большие расстояния.

    • Может изменять скорость вращения за счет изменения диаметра шкивов.

    • Низкая точность передачи по сравнению с зубчатой передачей.

4. Кулачковая передача:

  • Принцип: Взаимодействие кулачка (элемента с профилем, не похожим на круг) с толкателем (элементом, который движется вдоль кулачка).

  • Как работает: Кулачок вращается, и его профиль заставляет толкатель двигаться вверх и вниз.

  • Особенности:

    • Преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное.

    • Используется в механизмах, которые требуют циклического движения.

5. Реечная передача:

  • Принцип: Взаимодействие рейки (прямой зубчатой планки) с шестерней.

  • Как работает: Вращение шестерни заставляет рейку двигаться вдоль шестерни, преобразуя вращательное движение в поступательное.

  • Особенности:

    • Преобразует вращательное движение в поступательное.

    • Используется в механизмах, которые требуют линейного перемещения.

1.2 Влияние механических передач на скорость и мощность гоночных автомобилей

В целях оптимизации характеристик гоночных автомобилей, нами было принято решение применить следующие механические передачи: зубчатая, ременная передача и червячная передача.

Зубчатые и ременные механические передачи характеризуются высокой передаточной способностью, точностью позиционирования и стабильностью скорости вращения. Кроме того, они обеспечивают пониженный уровень шума и вибрации, а также не требуют обслуживания, в отличие от цепных или зубчатых передач.

Червячная передача обеспечивают высокий коэффициент редукции при компактных размерах и самоторможении. Они также обладают высокой несущей способностью и устойчивостью к ударным нагрузкам. Данный тип передач широко используется в высокоточных приводах и тяжелых механизмах.

1.3 LEGO Education WeDo 2.0: возможности и ограничения

LEGO Education WeDo 2.0 - это увлекательная и образовательная платформа, которая позволяет ученикам раннего возраста изучать принципы STEM (наука, технология, инженерия, математика) через увлекательные задания и интерактивные модели (Рисунок 1.3.1).

Возможности:

  • Интеграция программного обеспечения и аппаратного обеспечения: WeDo 2.0 сочетает в себе конструктор LEGO и программное обеспечение, что позволяет ученикам создавать собственные модели и программировать их движения и действия.

  • Простота использования: Программное обеспечение WeDo 2.0 интуитивно понятно и просто в использовании, что делает его доступным для детей всех возрастов.

  • Разнообразие заданий: Платформа предлагает множество различных заданий и проектов, которые развивают креативность, логическое мышление и навыки решения проблем.

  • Поддержка различных тем: Задания WeDo 2.0 охватывают различные темы, включая робототехнику, инженерное дело, науку о Земле, изучение животных и многое другое.

  • Совместимость с другими продуктами LEGO: WeDo 2.0 совместим с другими наборами LEGO, что позволяет ученикам создавать более сложные и интересные модели.

  • Развитие социальных и коммуникативных навыков: Работая в группах над проектами, ученики развивают навыки сотрудничества и коммуникации.

  • Увлекательный способ обучения: Взаимодействие с LEGO и программирование делают процесс обучения более увлекательным и мотивирующим.

Ограничения:

  • Ограниченные возможности программирования: Программное обеспечение WeDo 2.0 предлагает ограниченные возможности программирования, что может быть недостаточно для более сложных проектов.

  • Необходимость в компьютере: Для использования WeDo 2.0 требуется компьютер или планшет, что может ограничивать его применение в некоторых условиях.

  • Высокая стоимость: WeDo 2.0 является относительно дорогим комплектом, что может быть барьером для некоторых школ и семей.

  • Ограниченный набор датчиков: WeDo 2.0 предлагает ограниченное количество датчиков, что может ограничить возможности создания моделей и проектов.

  • Необходимость в дополнительном оборудовании: Для создания некоторых моделей и проектов может потребоваться дополнительное оборудование, например, моторы, датчики или детали LEGO.

LEGO Education WeDo 2.0 является ценным инструментом для обучения STEM, который предлагает множество возможностей для развития навыков и знаний у детей. Однако его ограничения, такие как ограниченные возможности программирования, высокая стоимость и ограниченный набор датчиков, должны быть учтены при выборе этого продукта для обучения.

Глава 2 Практическая часть

2.1 Конструирование гоночных автомобилей LEGO WeDo 2.0

Пришло время воплотить наши идеи в реальность (Рисунок 2.1.1)! Собрав все необходимые материалы, наша команда с энтузиазмом приступила к этапу конструирования.

Мы тщательно просмотрели набор элементов LEGO WeDo 2.0, чтобы найти идеальные компоненты для наших гоночных автомобилей. Определенное внимание уделялось аэродинамике и прочности конструкции.

Мы разделились на небольшие группы и начали мозговой штурм, придумывая уникальные дизайны автомобилей. Каждая член команды разработал эскиз своего гоночного автомобиля, демонстрирующих различные формы и функциональные возможности.

После выбора эскизов мы приступили к созданию прототипов. Используя элементы LEGO, мы собрали небольшие версии наших автомобилей и провели предварительное тестирование. Мы проверяли их маневренность, устойчивость и скорость, каждой механической передачи.

На основании результатов тестирования мы внесли изменения в конструкции наших автомобилей. Мы добавили спойлеры для повышения аэродинамики, усилили шасси для большей прочности и оптимизировали распределение веса для улучшения управляемости.

Одним из ключевых аспектов этого проекта было объединение технологий и творчества. Мы использовали конструкторский набор LEGO WeDo 2.0 для программирования автомобилей, что позволило нам контролировать их движение и выполнять различные действия, такие как повороты и ускорения.

Сконструировав и запрограммировав гоночные автомобили, мы были готовы представить свои творения. Мы собрали команду и устроили импровизированную гонку, чтобы показать возможности наших автомобилей.

2.2 Проведение гоночных испытаний

Солнце светило ярко, а в воздухе витал дух соревнования. У нас прошли испытания гоночных машин, сконструированных из конструкторского набора LEGO WeDo 2.0. Мы, команда “Штурмовиков”, с нетерпением ждали этого момента, ведь уже несколько недель трудились над своими болидами.

Каждый из нас подошел к задаче по-своему. Демид, наш конструктор, сделал ставку на прочность и мощность, использовав зубчатую механическую передачу и максимальное количество деталей и добавив дополнительные колеса для устойчивости (Рисунок 2.2.1). Вова решил пожертвовать прочностью в угоду скорости, добавив ременную механическую передачу (Рисунок 2.2.2). Платон решил больше добавить дизайна в свой гоночный автомобиль, сделал ставку на аэродинамику, сконструировав машину с червячной механической передачей (Рисунок 2.2.3).

На площадке для испытаний царила суета. Все ребята проверяли свои машины, проводили последние настройки и репетировали старты. Наконец, судья дал сигнал, и гонки начались!

Машины стартовали с ревом моторов, метались по трассе, сталкивались и обгоняли друг друга. 

Ребята научились многому: как создавать прочные и быстрые машины, как программировать их для гонок и как работать в команде (Рисунок 2.2.4).

2.3 Анализ полученных данных

После завершения серии гонок, целью которых было сравнить эффективность механических передач в гоночных автомобилях, настало время проанализировать полученные данные.

Результаты гонок:

  • 1 место: Автомобиль с зубчатой механической передачей.

  • 2 место: Автомобиль с ременной механической передачей.

  • 3 место: Автомобиль с червячной механической передачей.

Анализ данных показал, что механические передачи, которые мы использовали в гоночных автомобилях LEGO WEDO 2.0 оказывали значительное влияние на их мощность. Результаты исследования позволили определить ключевые факторы, которые необходимо учитывать при оптимизации конструкции для будущих гонок. Это включало аэродинамику, вес, мощность двигателя, сопротивление и маневренность.

Заключение

В ходе нашего исследования, проведенного на базе конструктора LEGO Education WeDo 2.0, мы убедились, что механические передачи играют ключевую роль в определении скорости гоночных автомобилей.

Эксперименты показали, что использование зубчатых колес различного диаметра позволяет изменять скорость вращения ведущего вала двигателя и, следовательно, скорость движения автомобиля.

Мы обнаружили, что применение больших зубчатых колес на ведущем валу увеличивает скорость автомобиля, в то время как использование малых зубчатых колес позволяет повысить крутящий момент, но снижает скорость.

Помимо этого, мы увидели, что использование передач с разным передаточным отношением позволяет более эффективно использовать мощность двигателя, выбирая оптимальный режим работы для различных условий движения.

Таким образом, понимание принципов работы механических передач является ключевым фактором для успешной гонки. В будущем, мы планируем расширить наше исследование, изучая влияние других факторов, таких как трение, форма кузова, и aerodynamics, на скорость движения автомобилей.

Данное исследование является отличным примером того, как использование LEGO Education WeDo 2.0 позволяет наглядно продемонстрировать фундаментальные физические принципы и развивать навыки инженерного проектирования.

Список используемой литературы

  1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школаинтеллектуальногоразвития«МистерБрейн»,-Режимдоступа-https://vk.com/mrbrain_tmn;

  2. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego-конструкцииоживают/С.М.Богданова,Е.Е.Попова//«Новыеинформационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»:материалыVIIМеждународнойнаучно-техническойконф.2017С.160-163.Режимдоступа-https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

  3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука,2013. 319с;

Интернетисточники

  1. https://multiurok.ru/files/moi-slovarik-mekhanicheskikh-peredach-wedo-2-0.html

  2. https://uchitelya.com/nachalnaya-shkola/177274-prezentaciya-gonochnye-i-sportivnye-avtomobili-sorevnovaniya.html

  3. https://education.lego.com/v3/assets/blt293eea581807678a/blt6d0a1e8a0f17a1df/600fc88a82548c0f8284bf5e/WeDo2_computationalthinking_RU_fix_2.pdf

  4. https://n72.ru/company/news/konstruktor_lego_wedo_2_0_osobennosti_komplektatsiya_kak_rabotat/

  5. https://moluch.ru/archive/372/83326/

Приложение

Рисунок1.1.1 Виды механических передач Рисунок 1.3.1 Конструкторский набор Lego WeDo 2.0

Рисунок2.1.1 Эскизы гоночных автомобилей

Рисунок 2.2.1 Гоночный автомобиль с зубчатой механической передачей

Рисунок 2.2.2 Гоночный автомобиль с ременной механической передачей

Рисунок 2.2.3 Гоночный автомобиль с червячной механической передачей

Рисунок 2.2.4 Командное фото с гоночными автомобилями

Просмотров работы: 122