V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование механизмов передачи движения
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение.
Второй год, занимаясь на школьном курсе «Я-инженер», я заинтересовался вопросом применения механизмов передачи движения в современном мире, которые использовал ещё Архимед в своих гениальных изобретениях.
Известны такие изобретения Архимеда как винт, блок, ворот, рычаг, одометр, коготь Архимеда- механизм, ударяющий по кораблю противника и создающий пробоину. В этих и многих других механизмах использовались различные приспособления для изменения движения, получившие название – механизм передачи движения.
Какие изменения движения могут давать механизмы передачи и где они используются ? Ответ на этот вопрос даёт моя исследовательская работа.
Таким образом, мы определили тему исследования:
Тема: Исследование механизмов передачи движения.
Цель исследования:
Исследовать изменения движения в различных видах механических передач, создать модели этих передач, а также модель редуктора движения.
Задачи исследования :
Изучить основные виды механических передач и их предназначение.
Создать модели передач движения для исследования .
Создать модель редуктора движения.
Методы исследования:
Теоретические (изучение литературы, Интернет сайтов, и т.д.).
Математические (расчёт по физическим формулам)
Объект исследования: механизмы передачи движения.
Предмет исследования: изменения в движении.
2.Основная часть.
Механическая передача – механизм, превращающий кинематические и энергетические параметры двигателя в необходимые параметры движения рабочих органов машин и предназначенный для согласования режима работы двигателя с режимом работы исполнительных органов.
Типы механических передач:
Зубчатые (цилиндрические, конические);
Винтовые (винтовые, червячные, гипоидные);
С гибкими элементами (ременные, цепные);
Фрикционные (за счет трения, применяются при плохих условиях работы).
В зависимости от соотношения параметров входного и выходного валов передачи разделяют на:
Редукторы (понижающие передачи) – от входного вала к выходному уменьшают частоту вращения и увеличивают крутящий момент;
Мультипликаторы (повышающие передачи) – от входного вала к выходному увеличивают частоту вращения и уменьшают крутящий момент.
I.Зубчатая передача — это механизм или часть механизма механической передачи, в состав которого входят зубчатые колёса. При этом усилие от одного элемента к другому передаётся с помощью зубьев.
Зубчатые передачи предназначены для:
передачи вращательного движения между валами, которые могут иметь параллельные, пересекающиеся или скрещивающиеся оси;
преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот (передача «рейка-шестерня»).
Зубчатое колесо передачи с меньшим числом зубьев называется шестернёй, второе колесо с большим числом зубьев называется колесом.
Зубчатые передачи классифицируют по расположению валов:
с параллельными осями (цилиндрические с внутренним и внешним зацеплениями);
с пересекающимися осями (конические);
с перекрестными осями (рейка-шестерня).
Достоинства зубчатых передач:
компактность;
возможность передавать большие мощности;
большие скорости вращения;
постоянство передаточного отношения;
высокий КПД.
Недостатки зубчатых передач:
сложность передачи движения на большие расстояния;
жесткость передачи;
шум во время работы;
необходимость в смазке.
II. Червячные передачи применяют для передачи движения между перекрещивающимися осями, угол между которыми, как правило составляет 90°. Движение в червячных передачах передается по принципу винтовой пары.
В отличие от большинства разновидностей зубчатых в червячной передаче окружные скорости на червяке и на колесе не совпадают. Они направлены под углом и отличаются по значению. При относительном движении начальные цилиндры скользят. Большое скольжение является причиной низкого КПД, повышенного износа и заедания. Для снижения износа применяют специальные антифрикционные пары материалов: червяк – сталь, венец червячного колеса – бронза (реже – латунь, чугун).
Достоинства червячных передач:
Большие передаточные отношения;
Плавность и бесшумность работы;
Высокая кинематическая точность;
Самоторможение.
Недостатки червячных передач:
Низкий КПД;
Высокий износ, заедание;
Использование дорогих материалов;
Высокие требование к точности сборки.
III. Для передачи движения между сравнительно далеко расположенными друг от друга валами применяют механизмы, в которых усилие от ведущего звена к ведомому передаются с помощью гибких звеньев. В качестве гибких звеньев применяются: ремни, шнуры, канаты разных профилей, провода, стальную ленту, цепи различных конструкций. Передачи с гибкими звеньями могут обеспечивать постоянное и переменное передаточное отношения со ступенчатыми или плавными изменениями его величины.
Ременная передача состоит из двух шкивов закрепленных
на валах, и ремня, охватывающего эти шкивы. Нагрузки передаются за счет сил трения, возникающих между шкивами и ремнем вследствие натяжения последнего. В зависимости от формы поперечного перереза ремня различают передачи:
Плоскоременную;
Клиноременную (получили наиболее широкое применение);
Круглоременную.
Достоинства ременных передач:
Возможность передачи движения на значительные расстояния;
Плавность и бесшумность работы;
Защита механизмов от колебаний нагрузки вследствие упругости ремня;
Защита механизмов от перегрузки за счет возможного проскальзывания ремня;
Простота конструкции и эксплуатации (не требует смазки).
Недостатки ременных передач:
Повышенные габариты (при равных условиях диаметры шкивов в 5 раз больше диаметров зубчатых колес);
Непостоянство передаточного отношения вследствие проскальзывания ремня;
Повышенная нагрузка на валы и их опоры, связанная с большим предварительным натяжением ремня ( в 2-3 раза больше, чем у зубчатых передач);
Низкая долговечность ремней (1000-5000 часов).
2.1. Создание модели зубчатой передачи движения.
Цель: Исследование возможностей изменения движения при помощи зубчатой передачи.
Описание модели: Для того, чтобы создать модель зубчатой передачи движения, мне понадобилось 2 небольших куска фанеры. Из первого куска фанеры по заготовленным шаблонам зубчатых колес были вырезаны шестеренки обычным лобзиком. Первая шестерня больше, чем вторая в два раза. Первая шестерня с 12 зубьями, вторая – 6 зубьями и диаметрами 45 мм. и 25 мм. Далее они прикрепляются двумя отдельными осями к другой фанере в горизонтальном положении как параллельные оси. (рисунок 6)
Если большая шестерня ведущая, а маленькая- ведомая, то скорость больше у маленькой шестерни, а мощность меньше .
Если же маленькая шестерня – ведущая, а большая ведомая, то скорость меньше у большой шестерни, а мощность больше.
Вывод: В зависимости от расположения шестеренок и их диаметров преобразуется движение, а т.е. скорость увеличивается или падает, и изменяется мощность в этом механизме.
2.2. Создание модели изменения вращательного движения в поступательное «Шестерня- рейка» .
Описание модели: Были взяты 2 дощечки фанеры. В одной из дощечки фанеры был выпилен паз размером 155 мм на 10мм для установки шестерни рейки. Шестерня рейка была сделана также из фанеры в размерах 155мм на 7 мм и высотой 30 мм и с 16 зубьями, сделанных под углом 90°. Также как в первой модели зубчатой передачи была сделана шестерня из фанеры с 12 зубьями и диаметром 45 мм, которая была прикреплена к второй дощечки фанеры с помощью дополнительной оси. (рисунок 7,8)
Рейка двигается в горизонтальном положении, где с помощью шестерёнок преобразуется вращательное движение в поступательное движение рейки.
Вывод: Механизм «Шестерня- рейка» можно использовать для преобразования вращательного движения в поступательное.
2.3. Исследование возможностей ремённой передачи.
Описание модели: Переходим к созданию модели ремённой передачи. На небольшом куске фанеры был установлен электродвигатель с шкивом диаметром 6 мм, который будет ведущим. Далее установлен ведомый шкив диаметром 33 мм. Оба шкива были соединены ремнем, длиной 160 мм. На маленький шкив подается электрическая энергия и он передает на большой более мощное движение. Вращение ведущего шкива преобразуется во вращение ведомого, благодаря трению между ремнем и шкивами.
Т.е. мы создали модель ременной передачи со шкивами разных диаметров. Шкивы вращаются по- разному: большой шкив выполняет меньшее количество оборотов, а маленький – большее. (рисунок 9)
|
Диаметр малого шкива (ведущий) |
Диаметр большого шкива (ведомый) |
Передаточное число i, Межосевое расстояние |
Время исследо-вания |
Число оборотов |
Скорость вращения |
|
6 мм |
33мм |
5.5; 55 мм |
1 мин |
130 оборотов |
2,2 об/с |
Вывод: Ремённая передача позволяет создавать более мощное движение, но при этом уменьшается скорость . Меняя диаметры шкивов можно добиваться разных эффектов – повышения или понижения мощности движения.
2.4. Создание модели редуктора.
Изучив литературу, просмотрев видео на сайтах про механические передачи и создав примерные модели различных механических передач, я решил попробовать создать из подручных материалов редуктор для подтверждения изменения в движении.
В любом механизме каждая деталь имеет свою значимость, благодаря чему он и работает. Редуктор — главный элемент, который преобразует крутящий момент, что позволяет передавать мощность механической передачи на двигатель. Редуктор представляет собой комплект из шестеренок, которые находятся в картере, что позволяет защитить все детали от каких-либо повреждений, в том числе и загрязнения, а также обеспечивает необходимую смазку. Этот механизм предназначен для регулирования скорости вращения валов производящие крутящий момент.
Для изготовления моей модели редуктора был взят за основу материал пластик толщиной 4 мм. Сначала производил изготовление 2 –х одинаковых шестерен по готовым шаблонам (прил. 2) и колесо, имеющее зубья в виде цилиндрических пальцев (цевок) (прил.3). Диаметр одной шестерни составляет 55 мм и 12 зубьев и диаметр цевка 35 мм.
Собираем корпус редуктора. Размеры корпуса составляют 145мм * 75мм *35мм. В первую шестерню вставляется в центр ось и крепится в внутреннею часть корпуса, вторая шестерня также будет иметь в центре ось и 6 цилиндрических пальцев. Вторая шестерня крепится корпусу так, чтобы зубья первой шестерни зацеплялись за цилиндрические пальцы второй шестерни.
Далее устанавливаем цевок с 6 цилиндрическими пальцами, так чтобы зубья второй шестерни зацеплялись за цилиндрические пальцы колеса.
Потом устанавливаем двигатель на внешней стороне корпуса и соединяем его с цевочным колесом для того, чтобы механизм шестеренок привести в движении. Также с внешней стороны корпуса устанавливается элемент питания для подачи электроэнергии на двигатель. (Рисунок 9)
Вывод: При подаче энергии на двигатель вращается цевочное колесо и приводит в движении шестерни. Таким образом, преобразуется высокая скорость вращения входного вала в более низкую на выходном валу. При этом повышается вращающий момент.
3.Заключение
Ещё в древние времена Архимед использовал шестерни, цевки, колёса, вороты для передачи движения от одной части механизма к другой. При этом можно менять направление движений, вид движений и добиваться необходимых характеристик механизма. И в наши дни такие механизмы используются в автомобилях – коробка передач, ДВС, в станках, в швейных машинах, велосипедах, подъёмных кранах и часовых механизмах.
Мы в данной работе, в домашних условиях, исследовали изменения движения в различных видах механических передач. Создавая простые модели, я увидел, каким образом достигаются необходимые параметры механизма. В основном, за счёт диаметров шкивов, шестерён, количества зубьев или соединения разных видов движения.
Начальные знания я приобрёл, даже не изучая ещё предмета физики.
Уверен, что полученный опыт пригодится мне для дальнейшего изучения механического движения или механизмов.
4.Список литературы.
https://ru.wikipedia.org/wiki/
www.rg.ru/2010/12/31/deti-inform-dok.htm
https://ru.wikipedia.org/wiki