VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Использование конусов на транспорте
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В своей жизнедеятельности мы часто видим использование различных геометрических фигур, которые своими геометрическими свойствами помогают людям в их деятельности. В этой работе мы постараемся рассказать об одной из таких фигур.
Объектом исследования являются принципы работы конструктивных элементов механизмов, применяемых на транспорте, в которых применяются свойства конусов.
В жизни мы видим множество механизмов, но не задумываемся о принципах их функционирования. Однако множество их функций основано на свойствах различных фигур, в том числе конусов. Использование свойств конусов в механизмах, применяемых на транспорте, и является предметом исследования данной работы.
Гипотеза: свойства конусов лежат в основе принципов работы конструктивных элементов механизмов, применяемых на транспорте.
Цель работы: исследование применения свойств конусов, реализованных в принципах работы конструктивных элементов механизмов, применяемых на транспорте.
Задачи работы:
определить что такое конус;
показать применение конусов в технике;
показать свойства конусов, используемые в механизмах, применяемых на транспорте
показать использование выделенных свойств на практическом примере.
В ходе научного исследования использовались следующие методы:
изучение литературных источников;
теоретические;
поисковые;
сравнение;
анализ.
Данная работа весьма актуальна, так как прикладное использование геометрических свойств конусов в механизмах будет полезно для учеников, интересующихся современной техникой.
Конусы
«Как поворачивают поезда»
Меня заинтересовал вопрос, как поворачивает поезд, ведь колеса у него накрепко приделаны к оси. На этот вопрос отец объяснил:
Колёса у всех поездов парные, из-за чего по факту поворот невозможен. Ведь для поворота необходимо, чтобы на одной стороне оси колесо вращалось быстрее, чем на второй. Именно так и происходит с автомобилями, у них есть специальное устройство – дифференциал, к которому крепятся полуоси.
Однако в случае с парными колёсами такой возможности нет. Выход мог бы быть, если бы одно колесо в паре было меньше диаметром, но тогда поезд не сможет ехать прямо.
На самом деле рельсы и колеса не совсем «одинаковые». Колесо имеет форму усечённого конуса, причём большее основание внутреннее, меньшее внешнее. Рельс же имеет чуть покатую форму.
В результате, при повороте под действием центробежной силы колёсная пара смещается по рельсам и получается, что по внутреннему рельсу колесо катится меньшим радиусом, по внешнему большим. Чтобы поезд не сошёл с рельс, на внутренней стороне колеса находится упорное кольцо – реборда.
За счёт этого внутреннее колесо пробегает расстояние меньше внешнего и поезд поворачивает. Однако разницу между внешним и внутренним радиусом сделать значительной нельзя, потому железнодорожные повороты имеют достаточно большой радиус (на российской колее радиус поворота не менее 130 м.).
Меня очень заинтересовала фигура – конус. И я начал в этом разбираться.
Что такое конусы
Конус — часть тела, которая имеет ограниченный объём и которая получена путём объединения каждого отрезка, которые соединяют вершину и точки плоской поверхности. Последняя, в таком случае, является основанием конуса, а конус называется опирающимся на данное основание.
К руговой конус - это тело, состоящее из круга (основание конуса), точки, которая не лежит в плоскости этого круга (вершина конуса и всех отрезков, которые соединяют вершину конуса с точками основания).
Отрезки, которые соединяют вершину конуса и точки окружности основания, называют образующими конуса. Поверхность конуса состоит из основания и боковой поверхности
Прямой конус – это конус, в котором прямая, которая соединяет вершину конуса и центр основания, перпендикулярна плоскости основания.
П рямой круговой конус – это тело, которое получено вращением прямоугольного треугольника вокруг его катета как оси.
Высота конуса – это перпендикуляр, который опущен из вершины конуса на плоскость основания. Основание высоты в прямом конусе совпадает с центром основания.
Ось прямого кругового конуса – это прямая, которая содержит его высоту.
У сечённый конус – это часть конуса, ограниченная его основанием и сечением, параллельным плоскости основания.
Конусы в технике
Применение конусов
С амое известное применение в технике конусы получили в конических передачах. Самые часто используемые - это зубчатые конические передачи. С их использованием создаются различные передающие и преобразующие вращательные движения механизмы, например редукторы, дифференциалы и коробки передач. Поэтому использование конусов в технике часто связывают с транспортом.
Конусная зубчатая передача предназначена для передачи вращения между пересекающими валами, которые могут быть расположены в пространстве как в одной плоскости, так и в перпендикулярных друг другу.
Н аиболее часто конические передачи находят применение в оборудовании, в котором предусматривается перемещение вспомогательных механизмов в параллельном или перпендикулярном направлении к оси основного вала.
Конусность
Одним из важных показателей конической передачи является конусность. С помощью неё определяют жёсткость изделий, она влияет на подбор металлов для изготовления конструктивных элементов.
Конусностью называется отношение диаметра основания конуса к высоте. Конусность рассчитывается по формуле К=D/h, где D – диаметр основания конуса, h – высота. Если конус усечённый, то конусность рассчитывается как отношение разности диаметров усечённого конуса к его высоте. В случае усечённого конуса, формула конусности будет иметь вид: К = (D-d)/h.
,Применение конусов в вариаторах
Не смотря на широкое применение классических коробок передач, основанных на шестерёнчатых передачах с перемещением вспомогательных механизмов, существуют альтернативные конструкции, позволяющие регулировать крутящий момент от двигателя к колёсам.
На текущий момент более интересным и перспективным типом трансмиссии (коробки передач) на транспорте становится вариатор, ещё её называют бесступенчатой коробкой передач. Самым распространённым видом вариатора является клиноремённый.
Устройство вариатора было придумано Леонардо да Винчи в 1490 году. Но воплотить её в жизнь смогли только в 1950 годах. Первым легковым автомобилем с такой трансмиссией стала 600-я модель от фирмы «DAF». В ней установили вариатор под названием «Variomatic», затем эстафету перехватила компания «Volvo». Сейчас многие автомобильные компании стали поставлять на рынок свои автомобили именно с такой трансмиссией.
В основном он состоит из одной передачи, реже из двух. Такой вариатор имеет два шкива, которые между собой соединяются клиновидным ремнём. Один шкив ведущий, а второй ведомый. Вначале между ними закладывалась армированная резина, но затем её заменили стальные пластины. Они способны передавать больший крутящий момент, обладают меньшим радиусом изгиба и долговечны.
Конструкция шкивов состоит из двух конусовидных половин, которые имеют уклон к оси вала. Эти конструкции при движении то отдаляются, то приближаются друг к другу. Ремень не что иное, как металлическая лента, имеющая покрытие. А также встречаются варианты, когда она состоит из тросов, они являются наиболее прочными.
При раздвижении шкивов лента уходит внутрь, когда они сближаются — ремень приобретает форму клина.
В последнем случае радиус шкива увеличивается, а вместе с ним становиться больше и передаточное число, а в предыдущем варианте все наоборот.
Впромежутках между этими состояниями ремень становится прямым.
Для смещения шкивов используются пружины, а также центробежная сила, создаваемая гидравлическим приводом. Он управляется электроникой, которая способна создать оптимальные условия для бесперебойной работы мотора. Водитель выбирает режим, а она настраивает работу CVT. За счёт этого происходит увеличение его ресурса, снижение износа и уменьшение использования топлива.
Таким образом, при помощи конусов работают различные механизмы, преобразующие крутящий момент. Широкое использование трансмиссий различных видов так или иначе не обходится без данной геометрической фигуры.
Заключение
В рамках исследования были изучены различные источники, описывающие:
геометрическую фигуру конус, его свойства;
применение конуса в технике;
устройство различных видов трансмиссий.
В рамках работы были рассмотрены различны примеры использования конусов на транспорте, выявлены связи свойств конуса и их применение в принципах функционирования различных механизмов.
Изучен принцип работы современного вариатора, на его примере было показано использование конусов в коробках передач механизмов, использующих изменение крутящего момента.
По итогам проведённой работы гипотеза исследования подтвердилась, цель исследования считаем достигнутой.
Список используемых источников
Автослесарь. Учебное пособие. Ростов-на дону: Феникс, 2001-576 с.
Бескаравайный М.И. Устройство автомобиля просто и понятно для всех. М.: Эксмо, 2008-64 с.
Депман И.Я., Виленкин Н.Я. За страницами учебника математики: пособие для учащихся 5-6 классов средней школы. - М.: "Просвещение", 1989г.
ГОСТ 19325-73 Передачи зубчатые конические. Термины, определения и обозначения
Шеврин Л.Н., Житомирский В.Г. Путешествие по стране Геометрия. М.: Просвещение,1991 -132 с.