Введение. В России образовательная робототехника является самой популярной и успешно развивается уже несколько лет.
Главной задачей современного образования является создание условий, которые способствуют у учащихся возможность раскрыть свой собственный потенциал.
LEGO является одной из самых известных и распространённых на сегодняшний день образовательных систем, которые широко применяют трёхмерные модели реального окружения и предметно-игровая сфера для обучения и развития учащихся.
Изучая робототехнику на практике, обучающиеся понимают: как правильно применять математические формулы для расчёта траектории движения, физические законы для расчёта заряда аккумулятора и мощности двигателя, химические формулы и процессы для проведения измерений и расчётов.
Образовательная среда LEGO соединяет в себе специально созданные наборы LEGO для массовых занятий, тщательно обдуманную систему заданий для детей и чётко сформулированную образовательную теорию.
Дисциплина «Теория механизмов и машин» является неотъемлемой частью общетехнической дисциплины «Прикладная механика», в которой заложены основы концепции инженерного проектирования.
Курс дисциплины ТММ основан на знаниях, приобретённых учащимися при усвоении следующих дисциплин: «Физика», «Математика», «Начертательная геометрия и инженерная графика», «Теоретическая механика».
Актуальность. Данная тема актуальна потому, что раскрывает мир технологий для обучающихся. Конструирование LEGO, как и любая другая деятельность, закладывает основу для развития технических способностей учащихся.
LEGO-конструирование сочетает в себе элементы игры с экспериментированием, а значит активизирует умственную и речевую деятельность обучающихся, развивает конструкторские способности и техническое мышление, воображение и коммуникативные навыки, способствует интерпретации и самовыражению, расширяет кругозор, позволяет поднять развитие познавательной активности дошкольников на более высокий уровень, и это является одной из составляющих успеха их дальнейшего обучения.
Цель исследования: изучить возможности использования LEGO в преподавании темы зубчатые зацепления курса теории механизмов и машин.
Задачи:
- изучить механические передачи и их виды с использованием LEGO;
- произвести расчёт передаточных отношений;
- выявить преимущества использования LEGO
Материал и методы исследования. При изучении темы «Использование LEGO в преподавании дисциплины теории механизмов и машин» используются такие методы обучения:
- наглядные
- словесные
- практические
Результаты исследования и их обсуждение .
Для наглядного усвоения и активизирования визуальной памяти мы предлагаем изучение механизмов с использованием наборов LEGO, а именно:
- зубчатая передача;
- ременная передача;
- червячная передача;
- реечная передача.
Далее разберём подробно каждый вид механизмов:
1.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 [3, с.167].
Рисунок 1. Общий вид зубчатой передачи
|
Ведущая меньше ведомой – скорость уменьшается. Мощность увеличивается.
|
Ведущая больше ведомой – скорость увеличивается. Мощность уменьшается.
|
Зубчатые передачи классифицируют по расположению валов:
- с параллельными осями (цилиндрические с внутренним и внешним зацеплениями);
- с пересекающимися осями (конические);
*Цилиндрические зубчатые передачи -оба колеса расположены в одной плоскости и передают вращение с одного вала на другой, параллельный ему. Колеса цилиндрических передач всегда вращаются в противоположные стороны.
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
а – фото передачи, б – сконструированнная передача, в – эскиз передачи
Рисунок 2. Общий вид цилиндрической зубчатой передачи сконструированный с помощью наборов LEGO
Таким образом , можно заниматься конструированием и удаленно ,если даже нет наборов под рукой используя LEGO Digital Designer .
Рисунок 3. Примеры механизмов
*Коническая зубчатая передача - применяют в тех случаях, когда оси валов пересекаются под некоторым углом, чаще всего 90° [5, с.53].
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
а – фото передачи, б – сконструированнная передача, в – эскиз передачи
Рисунок 4. Общий вид конической зубчатой передачи сконструированный с помощью наборов LEGO
2.Ременная передача - передача вращательного движения (крутящего момента) на параллельные оси использование ремня безопасности и минимум двух шкивов.
Рисунок 5. Общий вид ременной передачи
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
а – фото передачи, б – сконструированнная передача, в – эскиз передачи
Рисунок 6. Общий вид ременной передачи сконструированный с помощью наборов LEGO
3.Червячная передача - передача вращательного движения (крутящего момента) на скрещивающиеся оси с помощью червяка и зубчатого колеса [7, с.92].
Рисунок 7. Общий вид червячной передачи
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
а – фото передачи, б – сконструированнная передача, в – эскиз передачи
Рисунок 8. Общий вид червячной передачи сконструированный с помощью наборов LEGO
4. Реечная передача - один из видов механических передач, преобразующий вращательное движение в поступательное.
Рисунок 9. Общий вид реечной передачи
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
а – фото передачи, б – сконструированнная передача, в – эскиз передачи
Рисунок 10. Общий вид реечной передачи сконструированный с помощью наборов LEGO
Более подробно остановимся на примере расчета редуктора сконструированного из наборов LEGO.
Пример расчета прямозубого внешнего эвольвентного зубчатого зацепления
1.Исходные данные:
Число зубьев шестерни z1= 10
Число зубьев колеса z2= 26
Модуль зубчатых колес m= 4 мм
2. Определение размеров зубчатого зацепления
Передаточное отношение зубчатой передачи:
(1)
i= 26/10=2,6
z1 + z2 < 60
Для шестерни: X1= 0,60
Для колеса: X2=0,12
Шаг зацепления по дуге делительной окружности:
р = m · π (2)
р =4*3,14=12,56
Делительный диаметр:
d1 = z1 · m (3)
d1= 10*4=40
d2 =z2 · m (4)
d2= 26*4=104
Диаметр основной окружности:
dв1 = d1· cos α (5)
dв1= 40*0,94=37,6
dв2 = d2 · cos α (6)
dв2= 104*0,94=97,76
где α =20°.
Суммарный коэффициент смещений:
XΣ = x1 + x2 (7)
XΣ = 0,60+0,12=0,72
Толщина зуба по дуге делительной окружности:
S1 = 0,5 * р + 2 * x1 * m * tg α (8)
S1= 0,5*12,56+2*0,60*4*0,3639=8,027
S2 = 0,5 * р + 2 * x2 * m * tg α (9)
S2= 0,5*12,56+2*0,12*4*0,3639=6,63
Угол зацепления
(10)
invαw = 2*0,72*0,3639/36+0,0149=0,03
для invαw по справочнику Анурьева (Т2, таблица 16, стр. 421 ) подбираем αw = 24°25'.
Начальное межосевое расстояние:
(11)
αw =(26+10)*4*0,93/2*1,827=74,05
Начальный диаметр:
(12)
dw1=2*74,05/3,6=41,14
(13)
dw2=2,74,05*2,6/3,6=106,96
Коэффициент уравнительного смещения:
(14)
0,72-((74,9-72)/4)=0,1975
Делительное межосевое расстояние:
a = 0.5 · m · (z1 + z2) (15)
a = 0,5*4*36=72
Проверка межосевых расстояний
(16)
74,05
(17)
Диаметр окружности вершин зубьев:
da1 = d1 + 2 · (ha* + x1 - Δy) · m (18)
da1 = 40+2*(1+0,60-0,1975)*4=51,22
da2 = d2 + 2 · (ha* + x2 - Δy) · m (19)
da2 =104+2*(1+0,12-0,1975)*4=111,38
где ha*=1
Диаметр окружности впадин зубьев:
df1 = d1 – 2 · (ha* + C* – x1) · m (20)
df1=40-2*(1+0,25-0,60)*4=34,8
df2 = d2 – 2 · (ha* + C* – x2) · m (21)
df2 = 104-2*(1+0,25-0,12)*4=94,96
C*=0,25 [2].
Выводы или заключение.
Применение LEGO способствует:
1. Развитию у детей сенсорных представлений, поскольку используются детали разной формы, окрашенные в основные цвета;
2. Развитию и совершенствованию высших психических функций (памяти, внимания, мышления, делается упор на развитие таких мыслительных процессов, как анализ, синтез, классификация, обобщение);
3. Тренировки пальцев кистей рук, что очень важно для развития мелкой моторики и в дальнейшем поможет подготовить руку ребёнка к письму;
4. Сплочению детского коллектива, формированию чувства симпатии друг к другу, т. к. дети учатся совместно решать задачи, распределять роли, объяснять друг другу важность данного конструктивного решения.
5. Конструктивная деятельность очень тесно связана с развитием речи, т. к. вначале с ребёнком проговаривается, что он хочет построить, из каких деталей, почему, какое количество, размеры и т. д., что в дальнейшем помогает ребёнку самому определять конечный результат работы.
Конструктор LEGO используется в играх детьми разных поколений уже на протяжении нескольких десятилетий. В последние годы стали появляться книги и статьи, предлагающие информацию о разнообразии моделей конструктора LEGO для разных возрастных групп детей и разной тематики.