Was sind Zahnräder?
Lehrer-Toolbox
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Der Zweck dieses Abschnitts
Der Abschnitt Spielen dieses STEM-Labors führt DIE Schüler in die Zahnräder und ihren Zweck innerhalb eines Builds ein. Auf dieser ersten Seite werden Begriffe wie: kämmende Zahnräder, Antriebszahnräder, angetriebene Zahnräder, Übersetzungsverhältnisse, mechanischer Vorteil und Kraftübertragung vorgestellt. Auf der nächsten Seite wird der Aufbau des M.A.D. besprochen. Box, ihre Übersetzungen und die mechanischen Vorteile von Drehmoment oder Drehzahl, die durch diese Übersetzungen erzeugt werden. Die nächste Seite gipfelt in der Berechnung des Übersetzungsverhältnisses für den gesamten M.A.D. Box-Build.
Es kann eine gute Idee sein, die erste Seite als Klasse durchzulesen und dann die zweite Seite von Schülergruppen durcharbeiten zu lassen. Jeder Schüler sollte mitlesen.
Bei der Arbeit in Dreiergruppen können die Schüler einer von drei Rollen zugewiesen werden:
1) Der Bauexperte: Dieser Schüler findet den Schritt des Baus in den Bauanweisungen und weist darauf hin, wo sich diese Zahnräder im fertigen Bau befinden.
2) Der Rechner: Dieser Schüler führt die Berechnungen der Übersetzungen durch.
3) Der Rekorder: Dieser Schüler überprüft die Mathematik des Rechners, interpretiert, was das Übersetzungsverhältnis bedeutet, und stellt sicher, dass das Team alle seine Arbeiten in seinem technischen Notizbuch aufzeichnet.
Wenn Gruppen von Schülern mehr als drei Schüler haben, könnten mehrere Schüler für dieselbe Rolle verantwortlich sein. Wenn Gruppen weniger als drei haben, kann derselbe Schüler mehrere Rollen übernehmen.
Klicken Sie hier(Google Doc / .docx / .pdf ) für die Rubrik Zusammenarbeit, oder klicken Sie hier (Google Doc / .docx / .pdf) für die gruppenbasierte Engineering-Notizbuch-Rubrik. Es gibt auch eine Rubrik Individuelles Notizbuch für Ingenieure, klicken Sie hier (Google Doc / .docx / .pdf ) . Alle Rubriken, die für die Bewertung verwendet werden, sollten den Schülern vor Beginn der Arbeit mitgeteilt und erklärt werden.
Getriebe
Zahnräder sehen aus wie Scheiben mit Zähnen an ihren Rändern. Es ist wichtig zu beachten, dass ihre Zähne gleichmäßig beabstandet sind, da die Zahnräder funktionieren, indem ihre Zähne ineinander greifen, wie in der Abbildung oben gezeigt. Wenn sich ein Zahnrad dreht, dreht es das nächste, weil seine Zähne zwischen einander positioniert sind, was als Ineinandergreifen bekannt ist.
Zahnräder sind typischerweise durch eine Welle oder Basis montiert oder mit anderen Teilen verbunden. So werden Zahnräder verwendet, um Drehbewegung oder Kraft von einer Welle auf eine andere zu übertragen. Die Welle befindet sich in der Regel in der Mitte des Getriebes. Im obigen Bild der vex IQ-GETRIEBE ist das mittlere Loch, durch das eine Welle geführt wird, quadratisch, da die IQ-Wellen quadratisch sind.
Eine der wichtigsten Möglichkeiten, ein Zahnrad zu definieren, ist die Anzahl der Zähne, die es hat.
Lehrertipps
Es kann hilfreich sein, die Schüler auf das Poster von vex IQ Parts hinzuweisen und sie darauf aufmerksam zu machen, dass die im Super-Kit enthaltenen Zahnräder nach ihrer Zähnezahl benannt sind (60, 36 und 12 Zahnräder). Wenn die Schüler durch die Montage von Zahnrädern auf Wellen verwirrt sind, können sie angewiesen werden, sich den M.A.D. anzuschauen. Box-Build und beachten Sie, dass alle Zahnräder innerhalb des Builds auf Wellen in ihren Zentren gebaut wurden.
Ineinandergreifende Zahnräder
Wenn zwei Zahnräder miteinander kämmen, dreht ein Zahnrad das nächste. Das Zahnrad, das zuerst dreht, wird als Antriebszahnrad bezeichnet. Das Fahrwerk kann als eine Art Eingang betrachtet werden. Das Zahnrad, das durch das erste Zahnrad gedreht wird, wird als angetriebenes Zahnrad bezeichnet. Das Abtriebszahnrad ist somit der Abtrieb.
Sehen Sie sich die Animation unten an, um ineinandergreifende Zahnräder in Aktion zu sehen.
Sie sollten bemerkt haben, dass sich das Antriebszahnrad und das Abtriebszahnrad in entgegengesetzte Richtungen drehen. Sie müssen sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, weil ihre Zähne ineinander greifen und sie sich in ihren Zentren drehen.
Übersetzungsverhältnisse
Ein Übersetzungsverhältnis ist ein Vergleich des Eingangs (Antriebszahnrad) mit dem Ausgang (Abtriebszahnrad) und wird unter Berücksichtigung der Zähnezahl jedes in Eingriff stehenden Zahnrads berechnet.
Im obigen Beispiel weisen das Antriebszahnrad (Eingang) und das Abtriebszahnrad (Ausgang) beide 60 Zähne auf.
Hier ist die Formel zur Berechnung eines Übersetzungsverhältnisses:
Lassen Sie uns das Beispiel der beiden 60 Zahnräder oben verwenden, weil es ein einfaches Verhältnis zu berechnen ist.
Das Übersetzungsverhältnis dieser beiden ineinandergreifenden Zahnräder beträgt 1:1, was bedeutet, dass jedes Mal, wenn sich das Antriebszahnrad (Eingang) um eine volle Umdrehung dreht, sich auch das Abtriebszahnrad (Ausgang) um eine volle Umdrehung dreht.
Lehrertipps
Stellen Sie sicher, dass die Schüler erkennen, welche Verhältnisse aus dieser oder einer anderen Klasse stammen. Einfach ausgedrückt, ist ein Verhältnis eine Aussage darüber, wie sich zwei Zahlen vergleichen.
Stellen Sie außerdem sicher, dass die Schüler verstehen, wie man Brüche reduziert, indem Sie Zähler und Nenner durch den gleichen Betrag teilen.
Mechanischer Vorteil
Immer wenn zwei oder mehr Zahnräder ineinandergreifen, entsteht ein mechanischer Vorteil innerhalb dieses Bauwerks.
Der mechanische Vorteil ist definiert als die Änderung der Eingangskraft innerhalb einer Maschine. Die Änderung kann durch einen Vergleich von Eingang und Ausgang gemessen werden.
Im obigen Beispiel haben Eingang und Ausgang ein Verhältnis von 1:1, so dass es so aussehen mag, als gäbe es keinen mechanischen Vorteil, aber es gibt ihn tatsächlich. Der mechanische Vorteil, wenn zwei Zahnräder gleich groß sind, wird als Kraftübertragung bezeichnet, da sich das Abtriebszahnrad und seine Welle genauso drehen wie das Antriebszahnrad und seine Welle. So übertrug das Antriebszahnrad (Eingang) seine gesamte Leistung auf das Abtriebszahnrad (Ausgang).
In der nächsten Aktivität überprüfen Sie Ihren M.A.D. Box bauen und berechnet und testet die mechanischen Vorteile von Drehzahl und Drehmoment.
Erweitern Sie Ihr Lernen
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Zahnräder im täglichen Leben
Viele mechanische Geräte verwenden Zahnräder. Im digitalen Zeitalter gibt es anscheinend weniger, aber die Schüler sollten in der Lage sein, mindestens fünf Geräte zu identifizieren, die Zahnräder verwenden. Sie können auch Werkzeuge vor der Elektrizität untersuchen. Die Schüler sollten dann erklären, wie jedes Zahnrad verwendet wird und welche Funktion(en) das Zahnradsystem hat.
Hier sind einige Beispiele:
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Viele Fahrräder verwenden Gänge, damit der Fahrer die Gänge schalten kann, um schneller oder mit mehr Kraft in die Pedale zu treten.
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Handmischer in der Küche verwendeten vor Elektrizität Zahnräder, so dass der Benutzer eine gehandhabte Kurbel in eine Richtung (z. B. auf und ab) drehen und die Rührwerke des Mischers in einer anderen Richtung (z. B. vor und zurück) in der Schüssel mit Zutaten drehen lassen kann.
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Wassermühlen verwendeten auch Zahnräder, um die Richtung der Kraft durch Kraftübertragung zu ändern. Das Wasser würde die Turbine (Wasserrad) drehen, die Zahnräder drehen und Kraft in die Fabrik übertragen würde, wo es zum Fräsen, Walzen oder Hämmern von Produkten verwendet wurde.