Wat zijn tandwielen?
Teacher Toolbox
-
Het doel van deze sectie
Het gedeelte Afspelen van dit STEM-LAB zal studenten kennis laten maken met versnellingen en hun doel binnen een build. Deze eerste pagina introduceert termen als: maasvormige tandwielen, aandrijfwielen, aangedreven tandwielen, overbrengingsverhoudingen, mechanisch voordeel en krachtoverdracht. Op de volgende pagina wordt de opbouw van de M.A.D. Doos, de overbrengingsverhoudingen en de mechanische voordelen van koppel of snelheid die door die verhoudingen worden gecreëerd. De volgende pagina culmineert in de berekening van de overbrengingsverhouding voor de gehele M.A.D. Box-build.
Het kan een goed idee zijn om de eerste pagina als klas door te lezen en vervolgens studentengroepen door de tweede pagina te laten werken. Elke leerling zou mee moeten lezen.
Als studenten in groepen van drie werken, kunnen ze worden toegewezen aan een van de drie rollen:
1) De bouwdeskundige: deze student vindt de bouwstap in de bouwinstructies en wijst aan waar in de voltooide bouw die tandwielen zich bevinden.
2) De Calculator: Deze student voert de berekeningen van de overbrengingsverhoudingen uit.
3) De recorder: deze student controleert de wiskunde van de rekenmachine, interpreteert wat de overbrengingsverhouding betekent en zorgt ervoor dat het team al zijn werk registreert in zijn technische notebook.
Als groepen studenten meer dan drie studenten hebben, kunnen meerdere studenten verantwoordelijk zijn voor dezelfde rol. Als groepen minder dan drie hebben, kan dezelfde student meerdere rollen aannemen.
Klik hier(Google Doc / .docx / .pdf ) voor de rubriek Collaboration, of klik hier (Google Doc / .docx / .pdf) voor de rubriek group-based engineering notebook. Er is ook een rubriek Individual engineering notebook, klik hier (Google Doc / .docx / .pdf ) . Alle rubrieken die worden gebruikt voor het scoren, moeten worden gedeeld met en uitgelegd aan studenten voordat het werk begint.
Tandwielen
Tandwielen zien eruit als schijven met tanden rond hun randen. Het is belangrijk om op te merken dat hun tanden gelijkmatig verdeeld zijn, omdat tandwielen werken door hun tanden aan elkaar te laten mazen, zoals te zien is in de bovenstaande afbeelding. Wanneer de ene versnelling draait, draait de volgende omdat hun tanden tussen elkaar zijn geplaatst, wat bekend staat als mazen.
Tandwielen worden meestal gemonteerd of verbonden met andere onderdelen door een as of basis. Dus tandwielen worden gebruikt om roterende beweging, of kracht, van de ene as naar de andere over te brengen. De as bevindt zich meestal in het midden van het tandwiel. In de afbeelding hierboven van de VEX IQ Gears is het middelste gat om een as doorheen te passeren het vierkante gat omdat de IQ Shafts vierkant zijn.
Een van de belangrijkste manieren om een tandwiel te definiëren, is door het aantal tanden dat het heeft.
Tips voor docenten
Het kan helpen om studenten naar de poster van VEX IQ Parts te leiden en hen te laten merken dat de tandwielen in de Super Kit zijn vernoemd naar hun aantal tanden (60, 36 en 12 tandwielen). Als studenten in de war raken door de montage van tandwielen op assen, kunnen ze worden aangestuurd om naar de M.A.D. te kijken. Box-build en merk op dat alle tandwielen in de build op assen in hun midden zijn gebouwd.
Meshed Gears
Wanneer twee tandwielen aan elkaar zijn gemaasd, draait de ene versnelling de volgende. De versnelling die als eerste draait, wordt de aandrijving genoemd. Het aandrijfwerk kan worden gezien als een soort ingang. De versnelling die door de eerste versnelling wordt gedraaid, wordt de aangedreven versnelling genoemd. Het aangedreven tandwiel is dus de output.
Bekijk de onderstaande animatie om maaswerk in actie te zien.
Het zou u moeten zijn opgevallen dat het aandrijfmechanisme en het aandrijfmechanisme in tegengestelde richting draaien. Ze moeten in tegengestelde richtingen draaien, omdat hun tanden fijnmazig zijn en ze in hun midden draaien.
Overbrengingsverhoudingen
Een overbrengingsverhouding is een vergelijking van de invoer (aandrijfwiel) met de uitvoer (aangedreven tandwiel) en wordt berekend door rekening te houden met het aantal tanden van elk maaswerk.
In het bovenstaande voorbeeld hebben het aandrijfwiel (ingang) en het aangedreven tandwiel (uitgang) beide 60 tanden.
Hier is de formule voor het berekenen van een overbrengingsverhouding:
Laten we het voorbeeld van de twee 60 tandwielen hierboven gebruiken, omdat het een eenvoudige verhouding is om te berekenen.
De overbrengingsverhouding van deze twee gemaasde tandwielen is 1:1, wat betekent dat elke keer dat het aandrijfwiel (ingang) één volledige rotatie draait, het aangedreven tandwiel (uitgang) ook één volledige rotatie draait.
Tips voor docenten
Zorg ervoor dat studenten herkennen welke verhoudingen uit deze of een andere klas komen. Eenvoudig gezegd is een ratio een verklaring van hoe twee getallen zich verhouden.
Zorg er ook voor dat studenten begrijpen hoe ze breuken kunnen verminderen door de teller en noemer door hetzelfde bedrag te delen.
Mechanisch voordeel
Wanneer twee of meer tandwielen worden gemaasd, ontstaat er een mechanisch voordeel binnen die constructie.
Mechanisch voordeel wordt gedefinieerd als de verandering van ingangskracht binnen een machine. De verandering kan worden gemeten door de input en output te vergelijken.
In het bovenstaande voorbeeld hebben de invoer en uitvoer een verhouding van 1:1, dus het lijkt misschien alsof er geen mechanisch voordeel is, maar dat is er wel. Het mechanische voordeel wanneer twee tandwielen dezelfde grootte hebben, wordt krachtoverdracht genoemd omdat het aangedreven tandwiel en de as net zoveel draaien als het aangedreven tandwiel en de as. Dus het aandrijfwiel (ingang) bracht al zijn vermogen over naar het aangedreven tandwiel (uitgang).
In de volgende activiteit bekijk je je M.A.D. Box bouwen en zal de mechanische voordelen van snelheid en koppel berekenen en testen.
Breid je leerproces uit
-
Versnellingen in het dagelijks leven
Veel mechanische apparaten gebruiken tandwielen. In het digitale tijdperk zijn er misschien minder, maar studenten moeten ten minste vijf apparaten kunnen identificeren die tandwielen gebruiken. Ze kunnen ook tools onderzoeken voorafgaand aan elektriciteit. Studenten moeten vervolgens uitleggen hoe elke versnelling wordt gebruikt en wat de functie(s) van het versnellingssysteem is.
Hier zijn enkele voorbeelden:
-
Veel fietsen gebruiken versnellingen om de rijder te laten schakelen om sneller of met meer kracht te trappen.
-
Handmixers in de keuken, voorafgaand aan elektriciteit, gebruikten tandwielen zodat de gebruiker een handgreep in één richting (bijv. op en neer) kon draaien en de kloppers van de mixer in een andere (bijv. heen en weer) in de kom met ingrediënten kon laten draaien.
-
Watermolens gebruikten ook tandwielen om de richting van de kracht te veranderen door middel van krachtoverdracht. Het water zou de turbine (waterrad) draaien die tandwielen zou draaien, waardoor het vermogen zou worden overgebracht naar de fabriek waar het werd gebruikt om producten te frezen, te rollen of te hameren.