Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ LEGO В ПРЕПОДАВАНИИ ДИСЦИПЛИНЫ ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН

Галкина Н.В. 1
1 ГОУ ВО МО «ГСГУ» (Государственный социально-гуманитарный университет) РФ
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. Научная новизна заключается в определении возможности использования LEGO в преподавании темы зубчатые зацепления курса теории механизмов и машин. 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. 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.
lego
зубчатые зацепления
курс теории механизмов и машин
ременная передача
червячная передача
1. Бабич, А. В. Промышленная робототехника / А.В. Бабич. - М.: Книга по Требованию, 2015. - 263 c.
2. Гавриленко В.А. Геометрическая теория эвольвентных зубчатых передач: Машгиз, 2012.
3. Костров, Б. В. Искусственный интеллект и робототехника / Б.В. Костров, В.Н. Ручкин, В.А. Фулин. - М.: Диалог-Мифи, 2013. - 224 c.
4. Макаров, И. М. Робототехника. История и перспективы / И.М. Макаров, Ю.И. Топчеев. - М.: Наука, МАИ, 2015. - 352 c.
5. Робототехника, прогноз, программирование. - М.: ЛКИ, 2016. - 208c.
6. Тывес, Л. И. Механизмы робототехники. Концепция развязок в кинематике, динамике и планировании движений / Л.И. Тывес. - М.: Ленанд, 2014. - 208 c.
7. Юревич, Е. И. Основы робототехники / Е.И. Юревич. - Л.: Машиностроение, 2013. - 272 c.

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.

http://img.alicdn.com/imgextra/i4/1859813738/TB25rF2mXXXXXbpXpXXXXXXXXXX_!!1859813738.jpg

http://andrew372.ucoz.ru/Tematichesroe/zubchajam.jpg

http://alldrawings.ru/images/stories/zoo/upload_images/zubchataya-peredacha.png

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 .

https://i.pinimg.com/736x/91/ee/68/91ee6877643461a9a86bbf92905a54c4--lego-nxt-digital-designer.jpghttp://seymouria.pl/images/W02-005.png

Рисунок 3. Примеры механизмов

*Коническая зубчатая передача - применяют в тех случаях, когда оси валов пересекаются под некоторым углом, чаще всего 90° [5, с.53].

Коническая зубчатая пара - Тольяттинский завод механической обработки

Коническая зубчатая передача | Скачать чертежи, схемы, рисунки ...

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.

http://www.robotodrom.ru/images/stories/Uroki/vidi_peredach/pic4.jpg

Рисунок 5. Общий вид ременной передачи

https://autozona54.ru/wp-content/uploads/2020/03/remennaya-peredacha.jpg

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].

http://www.robotodrom.ru/images/stories/Uroki/vidi_peredach/pic5.jpg

Рисунок 7. Общий вид червячной передачи

https://metall-servise.ru/wp-content/uploads/2018/03/575045_1.jpeg

http://alldrawings.ru/images/stories/zoo/uploads/peredacha-chervyachnaya--zubchataya-_-mch.04.19.jpg

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.

http://www.robotodrom.ru/images/stories/Uroki/vidi_peredach/pic4.jpg

Рисунок 9. Общий вид реечной передачи

http://vecgroup.com/assets/images/products/main/lineynie-zubchato-reechnie-privodi-stober-ztr-phv.png

https://im0-tub-ru.yandex.net/i?id=0622d9a4df32d9f22e41741e7b8970ce&n=13

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.


Библиографическая ссылка

Галкина Н.В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ LEGO В ПРЕПОДАВАНИИ ДИСЦИПЛИНЫ ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН // Международный студенческий научный вестник. – 2020. – № 6. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=20317 (дата обращения: 27.11.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074