Соавторы: Русинов Алексей Сергеевич, Козлова Дарья Андреевна, Гусева Дарья Васильевна
Научный руководитель: Григорьева Марина Александровна, преподаватель ГАОУ ВО МГПУ, доцент
Код уникальной десятичной классификации: УДК 372.8

Аннотация. Для занятий по робототехнике, с целью расширения знаний о работе зубчатых передач, были рассмотрены примеры, демонстрирующие назначение и работу шестерёнок. Кроме этого, разобраны принципы взаимодействия шестерёнок при их различном расположении относительно друг друга, а также их скорость и направление вращения. Эти моменты очень важны, так как часто обучающиеся робототехнике, при сборке моделей с шестерёнками, не понимают и не могут объяснить, почему данная модель работает. Для того что бы обучение робототехнике было действительно полезным и продуктивным необходимо включить в занятие демонстрацию работы моделей зубчатых передач разной сложности.

Ключевые слова: Зубчатые колеса, шестерёнки, робототехника, робоконструкторы, зубчатые передачи.

На сегодняшний день интерес к робототехнике набирает обороты и изучать робототехнику начинают уже в начальной школе. На рынке присутствуют различные робототехнические конструкторы, как отечественные, так и импортные. Но не ко всем конструкторам прилагается методический материал для преподавателя по проведению занятий. В некоторых конструкторах методическое пособие содержит инструкции по сборке базовых моделей, без объяснения принципов работы отдельных элементов. Как частный случай, отсутствуют упражнения на принципы работы зубчатой передачи. На занятиях по робототехнике часто используются конструкторы, позволяющие использовать шестерни для реализации зубчатых передач. Учащиеся должны знать и понимать назначение и принципы работы зубчатой передачи при сборке модели с использованием шестерёнок.

В нашей работе описаны упражнения для учеников начальных классов, позволяющие объяснять назначение и демонстрировать работу шестерёнок и, как следствие, работу зубчатой передачи. Все упражнения разделены на три раздела. В первом разделе предложены упражнения, объясняющие устройство и назначение шестерёнок. Во втором разделе рассматривается работа шестерёнок при их различном взаимном расположении. Третий раздел раскрывает назначение зубчатых передач.

Раздел 1. Основные понятия

Ведущее и ведомое колесо

Если мы приставим к колесу другое колесо и начнём вращать первое колесо, то вращение перейдёт на второе колесо. То колесо, которое мы вращаем сами или вращает двигатель называется ведущее, а то колесо, которое вращается при соприкосновении с ведущим колесом называют ведомым колесом. Ведомых колёс может быть несколько.

В данном примере ученикам объясняется возможность передачи вращения и основные термины.

Зачем появились зубья на шестерёнках?

Колеса у нас гладкие и может случится так, что ведущее колесо будет крутиться, а ведомое будет слишком тяжело прокрутить и тогда ведущее колесо будет проскальзывать, как скользит колесо буксующей на льду машины. Чтобы колесо не проскальзывало на него нанесли зубья и назвали получившуюся деталь шестерёнка.

В данном примере ученикам объясняется почему именно зубчатые колеса – шестеренки используются для передачи вращения.

Вращение шестеренок

Когда ведущая шестерёнка вращается, её зуб давит на зуб ведомой шестерёнки и заставляет её вращаться (Рис. 1).

Вращение ведущей шестеренки

Рис. 1. Вращение ведущей шестеренки

В данном примере учащимся объясняется, каким образом зубья шестерёнок передают движение от одной шестерёнки к другой и в каком направлении вращаются при этом шестерёнки.

Виды зубьев шестеренок

Если зубья одной из шестеренок будут слишком большими или слишком маленькими по сравнению с зубьями другой шестеренки – то не получится зубьям одной шестеренки давить на зубья другой шестеренки (Рис. 2) и невозможно будет передать вращение.

Несовпадение зубьев у шестеренок

Рис. 2. Несовпадение зубьев у шестеренок


В данном примере ученикам объясняется, что для вращения важен размер зубьев соединяемых шестеренок и их форма и что шестеренки зубьями разных размеров не смогут вращаться.

Размеры шестерёнок

Шестеренки бывают маленькие и большие. При одинаковом размере зуба, чем больше шестерёнка, тем больше на ней разместится зубов (Рис. 3).

Соотношение размера шестеренки и количества зубов

Рис. 3. Соотношение размера шестеренки и количества зубов


В данном примере ученикам объясняется, что в зависимости от размеров шестерёнок на них будет разное количество одинаковых по размеру зубьев.

Раздел 2. Вращение: направление и скорость

Вращение трёх шестерёнок (в ряд)

Если добавляем третью шестерёнку, то она будет вращаться в обратную сторону со второй и в туже сторону, как и ведущая шестерёнка (Рис. 4). Как будет вращаться четвертая шестерёнка? Как будет вращаться пятая шестерёнка?

Стороны вращения шестеренок

Рис. 4. Стороны вращения шестеренок


В данном примере ученикам объясняется вращение более двух шестерёнок. Сначала объясняется, в каком направлении и почему вращаться каждая из шестерёнок. Затем учитель задаёт вопрос о направлении вращения добавленных четвертой, пятой шестерёнок в ряд.

Вращение ведущей и ведомых шестерёнок

К ведущей шестерёнке добавляется две или более ведомые шестерёнки таким образом, чтобы ведомые шестерёнки не соприкасались друг с другом. При этом все ведомые шестерёнки, подсоединённые к ведущей, будут вращаться в одну сторону (Рис. 5).

Направления вращения ведущих и ведомых шестеренок

Рис. 5. Направления вращения ведущих и ведомых шестеренок


В данном примере ученикам объясняется, что к ведущей шестерёнке можно подсоединить несколько ведомых шестерёнок (одного размера с ведущей), обращается внимание на количество возможных ведомых шестерёнок, присоединённых к ведущей, обсуждается, что их количество может быть от одной до пяти и объясняется направление вращения ведомых шестерёнок.

Три шестерёнки (пирамидой)

Если собрать три шестерёнки пирамидой, когда каждая шестерёнка сцеплена с двумя другими, то вращаться шестерёнки не смогут. Ведущая шестерёнка будет передавать вращение второй и третьей ведомым шестерёнкам. Направление вращения этих ведомых шестерёнок одинаково между собой и противоположно вращению ведущей шестерёнки. Но так как вторая и третья шестерёнки соединены между собой, то они должны вращаться в противоположные стороны, что невозможно (Рис. 6). Таким образом, три шестерёнки, соединённые между собой пирамидой, вращаться не смогут.

Особенности вращения шестеренок, соединенных пирамидой

Рис. 6. Особенности вращения шестеренок, соединенных пирамидой


В данном примере ученикам объясняется, почему не должны соприкасаться между собой ведомые шестерёнки, подключённые к ведущей.

Вращение шестерёнок разных размеров

Если сцеплены шестерёнки разных размеров, то меньшая шестерёнка будет крутиться быстрее, а большая шестерёнка будет крутиться медленнее. Например, ведущая большая шестерёнка содержит 50 зубьев, а в маленькая ведомая содержит 20 зубьев. Если нарисовать на прямой 50 зубьев, то будет видно, что в эти 50 зубьев входит два с половиной раза прямая с 20 зубьями. Следовательно, и шестерёнка с 20 зубьями успеет сделать два с половиной оборота за один оборот шестерёнки с 50 зубьями, те будет вращаться в два с половиной раза быстрее (Рис. 7).

Сцепление шестеренок разных размеров

Рис. 7. Сцепление шестеренок разных размеров

 

В данном примере ученикам объясняется, почему скорость вращения шестерёнки зависит от размера.

Вращение нескольких шестерёнок разных размеров

Если к ведущей шестерёнке подсоединить несколько ведомых шестерёнок разных размеров, то можно собрать модель с одним двигателем, в которой элементы конструктора, соединённые с шестернями, вращаются с разной скоростью. Примером может служить карусель, которая вращается с одной скоростью, а установленные на карусель сидения вращаются с другой скоростью.

В данном примере ученикам объясняется, что от одного источника вращения можно с помощью шестерёнок разных размеров получить различную скорость вращения элементов конструктора соединённых с этими шестерёнками.

Усилия при вращении

Если мы делаем ведущей маленькую шестерёнку, то её прокрутить будет сложнее, чем если ведущей будет большая шестерёнка. А чем больше шестерёнка, тем медленнее она вращается. Поэтому обычно подбирают оптимальную по размерам шестерёнку.

В данном примере ученикам объясняется ученикам, что чем меньше ведущая шестерёнка, тем сложнее её прокрутить, когда она сцеплена с ведомыми шестернями.

Вращение шестерёнок разных размеров на одной оси

Если две шестерёнки разных размеров размещены на одной оси, то они будут совершать одинаковое количество оборотов. При этом у большой шестерёнки будет скорость вращения больше, чем у маленькой (Рис. 8).

Вращение шестеренок на одной оси

Рис. 8. Вращение шестеренок на одной оси


В данном примере ученикам объясняется, что две шестерёнки различного размера, установленные на одну ось будут делать одинаковое количество оборотов, при этом скорость вращения будет различаться, у большей шестерни будет больше скорость вращения.

Раздел 3. Назначение шестерёночных передач

Передача вращения

С помощью шестерёночных передач можно передать вращение от двигателя на колесо, при этом двигатель может располагаться в стороне от колеса.

Попросить учеников объяснить утверждение.

Изменение скорости вращения

Можно увеличить или уменьшить скорость вращения колеса при одинаковых оборотах двигателя за счёт изменения размера шестерёнки, установленной на одну ось с двигателем.

Попросить учеников объяснить утверждение. Обсудить, можно ли изменять скорость вращения колеса, если меняется размер шестерёнки, установленной на одной оси с колесом.

Создать сложные системы вращения

Можно от одного двигателя передать вращение на несколько шестерёнок. Задавая различные размеры шестерёнок, возможно получить систему шестерёнок, вращающихся с разными скоростями.
Попросить учеников объяснить утверждение.

Создать тяжёлую модель или скоростную модель

Можно маломощным двигателем задавать движение тяжёлым объектам или мощным двигателем перемещать с большой скоростью.

Попросить учеников объяснить утверждение.

Заключение

Данная разработка имеет практическую значимость для преподавателей робототехники на любой ступени обучения. Мы рекомендуем пользоваться представленными демонстрационными упражнениями учителям при проведении занятий по робототехнике в начальных классах, ученикам при самостоятельной работе с конструкторами, позволяющими собирать модели с зубчатыми передачами, и родителям учеников, занимающихся со своими детьми конструированием.

При проведении занятий по робототехнике в начальной школе особое внимание надо уделять принципам работы конструктивных элементов модели. Используя данные упражнения, демонстрирующие работу зубчатой передачи, можно объяснить учащимся начальной школы, что такое шестерёнка, её устройство и назначение, использование шестерёнок в зубчатых передачах для передачи движения, изменения скорости и направления движения. Овладев этими знаниями учащийся сможет учитывать особенности работы зубчатых передач при конструировании своих моделей. Также учащийся сможет объяснить работу зубчатой передачи в собранных моделях и, при необходимости, модернизировать их под решение поставленной задачи.

 Approaches to the explanation of gears in the classroom robotics in the elementary grades

A.B. Abushkin,
D.V. Guseva,
D.A. Kozlova,
A.S. Rusinov,
undergraduates 2 courses GAOU VO MGPU, Moscow

Abstract. With the aim of expanding knowledge on the topic of gears, as the students and teachers were considered the main idea and purpose of gears. In addition, the principles of rotation of the gears and their speed and direction. These points are very important, as many, when working with the gears not understand many things or I just can't explain them. What would the robotics training was really useful and productive it is necessary to pay attention to things that may seem obvious or simple adults.

Keywords: gears, robotics, robotcontroller, gear.