《全国青少年机器人技术等级考试(一级)》课程,本系列课程以机器人相关的物理力学、机械原理、基础电子知识为主要内容,将孩子们带入一个妙趣横生的充满技术知识的机器人世界!)
认识打蛋器在制作糕点时,需要将蛋黄,蛋清分开,并把蛋清搅拌至奶油状,这是一项浩大的工程。为此,人们发明了如上图的手动打蛋器。
使用手动打蛋器时,需要我们一直往同一个方向快速搅拌蛋液,直到将蛋清搅拌至奶油状,相对于其他工具,手动搅拌器确实省了很大的力气,但搅拌需要快速、长时间的操作,手部就会感到很酸痛。
为了解决这个问题,我们把加速齿轮组加入到这个工具上,这样手腕转动速度就可以减慢,以减轻手部的负担。最后,我们又加上了把手,将手动打蛋器升级为手摇式打蛋器。
在手摇式打蛋器中,我们加入了齿轮组,由大齿轮作为主动,啮合小齿轮。当我们轮动大齿轮一周时,小齿轮却能转动好几周,从而带动搅拌叶转动好几周。这样,我们就不需要迅速的转动手腕,也能将蛋清搅拌成奶油状。
本节课程知识点齿轮:
齿轮是一种轮缘上有齿且能连续啮合传递运动和动力的机械零件。
齿轮上每一个用于啮合的凸起部分称为轮齿,一般叫做齿,这些凸起部分一般呈辐射状排列,配对齿轮上的轮齿互相接触,可使齿轮持续啮合运转。在齿轮的整个圆周上轮齿的总数称为齿数。
能够相互啮合的轮齿必须是一样大小的,所以相互啮合的齿轮中直径大的齿数就会多一些,直径小的齿数就会少一些。但齿轮在转动中转过的齿数是一样的,直径大的齿轮转动一周,直径小的齿轮会转动好几周,所以直径大的齿轮带动直径小的齿轮时,转速会变快,被称为加速齿轮装置。
齿轮的啮合
齿轮的啮合分为平行啮合和垂直啮合。
平行啮合时,齿轮转动的方向在同一平面上,转动方向相反。在手摇式打蛋器中对应是打蛋器中框架靠近叶片一端的两个齿轮。
垂直啮合时,齿轮转动方向在垂直的两个平面上,转动方向改变了,而力的方向也改变了。在手摇式打蛋器中对应的是框架中横轴和竖轴交叉处的两个齿轮。
轮轴
在搅拌器中还有一个轮轴的结构,那就是横轴上的把手,这种能绕共同轴线旋转的机械,都叫做轮轴。在轮轴中,外环叫轮,内环叫轴。轮轴两个环是同心圆。
轮轴的实质实际是一个能够连续旋转的杠杆。这个杠杆的支点就在轴线上,轮轴在转动时轮与轴有相同的转速,动力点就是轮的外圆(搅拌器中就是把手的地方,动力臂就是把手到轴中心的距离),而阻力点就是轴的外圆(阴力臂就是轴的半径),所以当动力作用在轮上,则轮轴为省力杠杆,轮和轴的半径相差越大则越省力,但越费距离。动力作用在轴上则轮轴为费力杠杆,轮和轴的半径相差越大则越费力,但越省距离。
轮轴的应用:
门把手
水井轱辘
扳手拧螺帽
齿轮的分类
齿轮的种类多种多样,按照外形一般分为:平齿轮,冠齿轮和蜗轮。
之前我们用到的都属于平齿轮。
上图所示的齿轮称为冠齿轮,冠齿轮的齿分布在端面,而不是在轮缘上,一般用在机械的变速、换向离合器上。
蜗轮蜗杆机构常用来传递两个交错轴之间的运动和动力。蜗杆上有和螺丝上相似的螺旋,蜗杆上的螺旋转动时会带动蜗轮转动。蜗轮与蜗杆在其中间平面内有点像齿轮与齿条。
蜗轮蜗杆有一个其他齿轮组所不具备的特性:蜗杆可以轻易转动蜗轮,但蜗轮无法转动蜗杆。这是因为蜗杆上的突角很浅,当蜗轮尝试旋转蜗杆时,蜗轮与蜗杆之间的摩擦力会让蜗杆保持原位。
搅拌器的参考模型尝试再次升级搅拌器,改装成电动搅拌器。
课后习题1、在生活中查找更多利用齿轮的应用,并分析它们都属于哪种齿轮?
2、轮轴使用了什么物理原理?
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