Использование современных технических средств для изучения основ прикладной механики школьниками на принципе зубчатых передач
, , , студ. 3 курса Научный руководитель – к. т. н., доц.
Аннотация. В работе рассматриваются аспекты популяризации уроков технологии через разработку и изготовление деревянной модели планетарной зубчатой передачи.
Ключевые слова: планетарная передача, технология, прикладная механика, образование.
В общеобразовательных учреждениях в настоящее время наблюдается потеря интереса к предмету «технология». Тем не менее, этот предмет играет важную роль в школьном образовании, формируя первоначальные представления об инженерном деле у школьников.
Популяризировать технологическое образование в школе на уроках технологии предлагается через изучение и последующее изготовление отдельных моделей механизмов, которые получили широкое применение в реальных технических устройствах. Однако, решить задачи популяризации возможно только, если школьные лаборатории будут оснащаться современными станками и инструментами.
В работе рассматривается пример изготовления с помощью современного оборудования модели планетарной зубчатой передачи. На этом примере показаны потенциальные возможности развития школьного технологического образования, при соответствующем оснащении школ.
Планетарные зубчатые передачи нашли широкое применение в различных машинах, например, в автомобилях, станках, самолётах, военной технике.
Планетарная зубчатая передача состоит из солнечной шестерни – центральное колесо, взаимодействующее с сателлитами – колеса с перемещающимися осями вращения, и эпициклического колеса, которое представляет собой колесо с внутренними зубьями, взаимодействующее с сателлитами, а также водила, несущего на себе сателлиты. Одно из центральных колёс, как правило, эпициклическое, является неподвижным. Основная кинематическая характеристика зубчатой передачи – передаточное отношение.
В данной работе рассматривается пример изготовления планетарной передачи, состоящей из двух ступеней – двух отдельных планетарных передач, объединённых в одном механизме. Основные характеристики колёс: модуль для всех колес составляет 2 мм; число зубьев солнечной шестерни 15, диаметр центрального отверстия 10 мм; число зубьев сателлитов – 23, диаметр центрального отверстия 15 мм; число зубьев эпициклического колеса – 60. Количество сателлитов для каждой ступени – 3, которые расположены под углом 1200 друг к другу.
Для проектирования зубчатых колёс использовалась программа Gear template Generator, которая генерирует по исходным данным чертёж зубчатого колеса, далее чертеж для каждого колеса импортировался в редактор Corel Draw. Материал зубчатых колес и остальных элементов – фанера толщиной 6 мм. Колёса нарезались на лазерном станке Halk-53. Для придания дополнительной прочности колёса нарезались в двух экземплярах и склеивались между собой клеем ПВА, таким образом, толщина каждого колеса составляла 12 мм. Водило также нарезалось на лазерном станке. Диаметр отверстий для установки сателлитов – 14 мм, диаметр центрального отверстия – 10 мм. Для установки зубчатых колёс и водила были изготовлены оси. Размеры оси для установки сателлитов: диаметр 15,5 мм, длина – 17 мм. Размеры оси для установки солнечной шестерни: диаметр – 10 мм, длина – 103 мм. Материал изготовления осей – древесина. Оси изготавливались на токарном станке. Оси сателлитов склеивались с водилом с помощью клея ПВА. Водило первой ступени и солнечная шестерня второй ступени также склеивались между собой. Все звенья механизма после изготовления шлифовались. На рисунке 1 показаны изготовленные звенья механизма.
Рисунок 1 – Звенья механизма:
1, 3 – солнечные шестерни ступеней; 2 – водило; 4 – сателлиты.
Держатель и основание механизма изготавливалось из древесины. Основание было выполнено в форме прямоугольного параллелепипеда: ширина – 140 мм, длина – 260 мм, высота – 41 мм. Держатель и основание изготавливались на фрезерном станке. Размеры держателя не регламентировались. На рисунке 2 представлен механизм в сборе.
Рисунок 2 – Механизм в сборе.
Время на изготовление отдельных элементов механизма распределилось следующим образом: разработка чертежей зубчатых колес, нарезание, склеивание, шлифовка – 180 минут; изготовление вспомогательных деталей, обеспечивающих сборку механизма – 30 минут; изготовление осей, сборка сателлитов и водила – 45 минут; изготовление основания – 60 минут; изготовление держателя и рукоятки (на рисунке 2 – вид сзади) – 50 мин; окончательная сборка, исправление дефектов – 50 минут.
Для изготовления данного механизма на уроках «технологии» со школьниками предлагается два подхода. Первый - изготовление деталей ручным способом. Это подход больше подходит для средних классов. Преимуществами этого подхода являются: развитие аккуратности, навыков ручного труда, изучение свойств древесины. Недостатки: большое количество затраченного времени, сложность при изготовлении профилей зубьев зубчатых колёс. Данный подход целесообразен для изготовления небольших механизмов, например, механизмов, состоящих из двух зубчатых колёс
Второй подход связан с использование современных станков для изготовления отдельных деталей. Этот подход целесообразно применять для школьников старших классов. Достоинства: высокая точность изготовления деталей, изготавливаемая модель механизма максимально приближена по конструкции к реально-действующим механизмам, меньшие затраты времени на изготовление, а также ознакомление школьников с современными видами производства, программами моделирования и управления станками. Однако недостатками являются: использование дорогостоящего оборудования и высокая стоимость его обслуживания для бюджетов школ.
В процессе изготовления зубчатых передач перед школьниками ставятся задачи не только по изготовлению отдельных деталей и сборке механизма, но и задачи, направленные на анализ механизмов, например, как изменить направление вращения колеса или от чего зависит частота вращения колёс, какие ещё конструкции зубчатых передач школьники могут предложить и др.
Изучение и изготовление зубчатых передач на уроках «технологии» позволяет двигаться в сторону совершенствования межпредметных связей в школе. Например, изучение движения колёс – это физика; разработка чертежей и изучение форм колёс – черчение и геометрия, выполнение расчётов – алгебра, также прививаются навыки работы по поиску и анализу различной технической информации и др.
Рассмотренные в работе аспекты позволяют совершенствовать как уроки технологии, так и способствуют развитию ассоциативного и абстрактного мышления, мотивации, интересу и стремлению к изобретательности и многим другим качествам развития личности школьника.
Однако основные достоинства подхода, который представлен в данной работе, в полной мере могут проявиться только при модернизации школьных лабораторий и с оснащением их современным оборудованием, в частности, необходимо программное обеспечение, с помощью которого школьники получат возможность решать начальные инженерные задачи, современное оборудование и инструмент для изготовления отдельных компонентов. Несмотря на то, что такое оборудование стоит достаточно дорого необходимо стремиться к внедрению его в учебный процесс, а педагогическому сообществу поднимать вопросы, связанные с развитием материально-технической базы.
