{{:fogaskerekek.jpg?600|}} Osztálykészlet Minden, ami a fogaskerekekkel kapcsolatos termék óratervek **Tartalom:** * Egy osztálykészlet 16 egyéni készletet tartalmaz * Egy osztálykészlet például 30 diák és egy tanár számára alkalmas * Belépés a fogaskerekek világába * Gyorsan összeszerelhető modellek, tökéletesek tantermi használatra * A témával kapcsolatos információk és 12 kísérlet online elérhető A fogaskerekek felépítése minden alkalommal nem tarthat tovább 10-15 percnél. Az eredményt ezután röviden értékelni kell és meg kell beszélni (5 perc). A hat feladat teljes becsült két iskolai óra (2 x 45 perc); a feladatokkal keverhető fogaskerekek hátterének (definíció, funkció, előzmény) magyarázatának időigénye egy pótórára. ====Bevezetés==== A fogaskerekek központi szerepet játszanak az emberiség történetében. Egyszerű fogaskerekeket használtak a tüzek indításához, bonyolultabbakra az olyan építmények forgatásához volt szükség, mint a Stonehenge (i.e. 3500 körül) vagy az ókori világ hét csodája, köztük a gízai piramisok (i.e. 2500 körül), amelyek még mindig megcsodálhatók. A fogaskerekek kulcsfontosságúak voltak az emberi civilizáció fejlődésében: lehetővé tették nagy épületek építését, vízfelvételt vagy nehéz tárgyak emelését és szállítását. Később energiatermelésre (futópadok, vízi kerekek, szélkerekek, gőzgépek), vízszivattyúzásra (Marly gép) vagy járművek vezetésére használták őket. A fogaskerekek az időmérésben is fontos szerepet játszottak: csak ingaórákkal és finommechanikus fogaskerekekkel lehetett olyan órákat építeni, amelyekkel pontosabban lehetett meghatározni az időt, mint a nap helyzetének meghatározásával. Manapság szinte minden elektromos eszközben megtalálhatóak a fogaskerekek, többnyire láthatatlanok a felhasználó számára. Mosógépek, mosogatógépek, porszívók, varrógépek, kerékpárok, liftek, hajszárítók, mixerek, kávéfőzők, garázskapuk, faliórák, mérlegek – a mindennapi életben e technikai vívmányok egyike sem valósulna meg fogaskerekek nélkül. Még a legegyszerűbb eszközök is, mint a dugóhúzó vagy a sörnyitó fogaskerekek. Fogaskerekek nélkül valószínűleg még mindig barlangokban élnénk. És a dinoszauruszok talán nem maradtak életben. ---- ====Meghatározás==== Mi is pontosan a sebességváltó? Fogaskeréknek nevezünk olyan műszaki alkatrészt (más néven "gépelemet"), amely a mozgási paraméterek megváltoztatására szolgál. Az mit jelent? Egy objektum (vagy "objektum") mozgása leírható irány, pálya (vagy "pozíció"), sebesség és típus (forgás, oda-vissza) segítségével. A fogaskerék egy vagy több tulajdonságot megváltoztat, amelyeket mozgásváltozóknak is nevezünk . Minden sebességváltónak van egy "bemenete", az úgynevezett hajtás , amelyre például egy hajtókar, egy motor vagy más gépelem ad át teljesítményt, és (legalább) egy "kimenet", a kimenet, ahol egy mozgás vagy erő átadódik egy másik gépelemnek. Ezt a valószínűleg legegyszerűbb mechanizmussal, a karral tesszük egyértelművé . A kar egy merev testből (például gerendából) áll, amely egy ponton elfordul. Képzeljen el egy libikókát a játszótéren – pontosan ilyen a kar. A lengőgerenda két része, amely a csapágytól balra és jobbra kinyúlik, kar karrá válikhívott. Az egyik kar a meghajtó, a másik a kimenet. Ha a libikóka egyik oldalán ül, a karja lefelé, a másik karja pedig felfelé mozdul el - tehát a libikóka (kar) megváltoztatja a mozgás irányát. Megváltoztatja a mozgás pályáját is, mivel az egyik kar mozgása átkerül a másik kar végére. A kar pedig a mozgás sebességét is változtathatja: ha a karunk hosszabb, mint a kimenő kar, akkor nagyobb távolságot fog ringatni, mint a másik kar vége – de ugyanakkor. Tehát a kimenet mozgása lelassul. Valami lenyűgöző történik: az erő, amelyet a libikóka hajtókarjára a súlyán keresztül fejt ki, átkerül a kimenő karra. Ha rövidebb, mint a hajtókar kar, a teljesítmény nő! Valószínűleg Ön is megfigyelte már ezt: Ha egy nagyobb gyerek ül a libikóka egyik oldalán, mint a másik oldalán, a libikóka egyensúlyba hozható úgy, hogy a nagyobb gyermek előrelendítve (a forgócsap felé) megrövidíti a karját. Tehát egy fogaskerék másra is képes: növelheti a teljesítményt. ---- ====Történelem==== Az egyszerű fogaskerekek, mint például a kar vagy a blokk, évezredek óta ismertek az emberek számára, és főként terhek emelésére használták őket (például épületekben vagy hajók és kocsik be- és kirakodására). A legrégebbi ismert feljegyzések, amelyekben a fogaskerekeket szisztematikusan vizsgálták, a görögöktől származnak. Tehát amennyire tudjuk, a "kar törvényét" először a szirakúzai Arkhimédész írta le (kb. ie 287-212). Annyira felizgatta egy kar ereje, hogy még felkiáltott: "Adj egy fix pontot a térben, és felforgatom a világot." Marcus Vitruvius Pollio római építész és építőmester (Vitruvius, kb. i. e. 75-15) megírta „Tíz könyvét az építészetről” (amelyek a mai napig fennmaradtak), mint az első építészeti művet. A 10. kötetet a "gépészetnek" szentelte, és részletesen ismertette az akkor ismert gépeket és hajtóműveket. Ezek közé tartozott a szíjtárcsa, a hullámos kerék, a futófelületi kerék, a trispastos (egyszerű daru), a görög vízórák és az arkhimédeszi csavar (a víz pumpálására szolgáló "csiga"). Az alexandriai görög gém (valószínűleg Vitruvius kortársa) műveiben is találunk fogaskerekes "automatákat", pl. B. szél által hajtott orgona vagy az első fogaskerekek. A rómaiak hadigépeket is építettek (hajítógépeket és csúzlikat), amelyek fogaskerekeket használtak. A fogaskerekek néhány évszázaddal később fontos szerepet játszottak az energiatermelésben. A vízenergiát és a szélenergiát víz- és szélkerekek alakították át forgó mozgássá. Malmoknak ez elég volt; a kőfűrészeknél azonban a fűrész forgó mozgását át kellett alakítani oda-vissza mozgássá. A Kr.u. 3. századból származó sírkövön egy vízikerékkel ellátott kőfűrész "rajza" az első bizonyítéka egy ilyen forgattyús mechanizmus létezésének. A bolygómozgások iránti elfoglaltság a mechanikus órák kifejlesztéséhez vezetett. 1900-ban görög szivacsbúvárok egy Kr.e. I. századból származó elsüllyedt görög hajó maradványaiban egy rendkívül összetett mechanizmust ("Antikythera Mechanizmus") fedeztek fel, amely több mint 40 fogaskerékből áll, és amelyet csillagászati ​​óráként lehetett rekonstruálni. Az építőipari ismeretek azonban ismét elvesztek. Csak körülbelül 1500 évvel később, a 14. század második felében jelentek meg az első toronyórák összetett fogaskerekekkel a csillagászati ​​(például a holdfázisok) megjelenítésére. A Gears virágkorát a reneszánsz idején élte át, amikor újra felfedezték a görögök és rómaiak "régi írásait". Különösen Leonardo da Vinci (1452-1519) rajzain található számos hajtómű építőipari gépekhez, harci gépekhez és az első járművekhez. Az 1657-ben készült első ingaórát a holland Christiaan Huygensnek (1629-1695) köszönhetjük. A precíziós fogaskerekek napi néhány másodperces pontosságot értek el, ami akkoriban hihetetlen volt. A mérlegkerék feltalálása után divatba jöttek a zsebórák. 1759-ben John Harrison (1693-1776) egy ilyen precíziós zsebórával oldotta meg a "hosszúsági problémát" - a hosszúság pontos meghatározását a nyílt tengeren -, amely egy több hónapig tartó tengeri utazás során mindössze négy másodpercet hibázott. A 19. és 20. századi motorizált „autógépek” fejlődésével a sebességváltók újabb fontos jelentést kaptak. A motor hajtóerejét a lehető legnagyobb hatékonysággal kellett átadniuk a kerekekre. Ehhez kézi és differenciálműre volt szükségük. ---- ====Alapfogalmak==== A fogaskerekek elemeinek első rendszerezése a svéd Christopher Polhemtől (1661-1751) származik, aki 1697-ben megalapította az első mérnökiskolát, és kidolgozott egy "mechanikai ábécét" az elemi fogaskerekek modelljeivel. Majdnem száz évvel később Franz Reuleaux (1829-1905) kifejlesztett egy olyan hajtóműrendszert, amely a gépészet szabványává vált. A fogaskerekeket többféleképpen kategorizálhatjuk, például az általuk okozott mozgásváltozás, a bennük lévő alkatrészek (görgők, fogaskerekek, hajtókarok) vagy az erőátvitel típusa szerint. Sok sebességfokozat több mozgásváltoztatást eredményez, és különböző alkatrészekkel is megvalósítható, így a kategóriákba sorolás ritkán egyértelmű. A következőkben az előidézett mozgásváltozás szerint némileg leegyszerűsítve fogaskerekeket különböztetünk meg: • A mozgás irányának változása • A mozgás típusának változása • A mozgási sebesség változása (erőerősítés) Többet is megismerünk fogaskerekek típusai, amelyek tulajdonságait és funkcióját a különböző feladatok során elmélyítik. Ezután néhány speciális és összetettebb váltót mutatnak be a középiskolások I+II. * Sebességváltó * Lánc meghajtás * Szíjas sebességváltó * Csiga kerék * Fogaskerékhajtás * Forgattyús fogantyú * Nyomaték és Teljesítménynövelés * Differenciálmű ---- ====1. Fokozat és szíj hajtómű==== {{::fogas1.jpg?600|}} Munkahajtóművek építése **Sebességváltó 1. feladat - fogaskerék- és szíjhajtás** **tervezési feladat** {{:fogas_rajz_1.jpg?600|}} * A képen két párhuzamos, szerelt tengely látható. Az egyik a hajtás (hajtókar), a másik a kimenet (kis "zászló"). Adjon hozzá egy fogaskereket a szerkezethez, hogy a két tengely ellentétes irányba forogjon, amikor elforgatja a hajtókart. **kísérleti feladat** - Hogyan lehet meghosszabbítani a fogaskereket úgy, hogy a két tengely egy irányba forogjon? - Változik-e a kimenet mozgása, ha másik harmadik fokozatot használ? - Hogyan lehet megoldani az 1. kísérletet fogaskerekek helyett lánc vagy gumiszalag használatával? - Hogyan lehet a gumiszalag fogaskerekét úgy cserélni, hogy a tengelyek ellentétes irányba forogjanak? ---- **Megoldási lap** * A kísérleti feladatokra néha különböző megoldások születnek, mindegyiknek megvannak az előnyei és a hátrányai. A tanulóknak ezeket a megoldásokat összehasonlítóan kell értékelniük. A bemenet és a kimenet átviteli arányának kiszámítása (5. gyakorlat) a törtek szép és hasznos gyakorlati alkalmazása. **tervezési feladat** {{:fogaskerek_rajz_1_1.png?600|}} **kísérleti feladat** 1. A forgásirány megfordítható egy másik fokozat (vagy páratlan számú fokozat) hozzáadásával, így a tengelyek ismét ugyanabba az irányba fordulnak. {{:fogaskerek_rajz_1_2.png?600|}} 2. A kimenet mozgása nem változik, ha a Z30-at másik fokozatra cseréli. 3. Szíjhajtásnál és lánchajtásnál a forgásirány változatlan marad. {{::fogaskerek_rajz_1_3.png?600|}} {{::fogaskerek_rajz_1_4.png?600|}} 4. A forgásirány megfordítható a hajtószíj (gumiszalag) keresztezésével. {{::fogaskerek_rajz_1_5.png?600|}} ---- ====2. Kúpkerekes fogaskerék és korona fogaskerék==== {{:fogas2.jpg?600|}} **tervezési feladat** **Kúpkerekes hajtás** Szerkessze meg az ábrán látható fogaskereket. Azokat a fogaskerekeket, amelyek merőlegesen, azaz derékszögben (90°) találkoznak és hálóznak („háló”), kúpfogaskerekeknek nevezzük. **Tematikus kérdés** Nézze meg a leszorítóerőt, és forgassa el a hajtókart. Melyik tengely (bemenet/kimenet) forog gyorsabban? Miért? **Kísérleti feladat** - Próbáljon meg egy másik "90°-os fogaskereket" építeni kúpfogaskerekek nélkül, a dobozból származó fogaskerekek alkatrészeinek felhasználásával. - Ismertesse az építkezést! Nézze meg a leszorítóerőt, és forgassa el a hajtókart. Melyik tengely (bemenet/kimenet) forog gyorsabban? Miért? ---- **Megoldási lap** **2. feladat - kúpkerekes fogaskerék és korona fogaskerék** A kísérleti feladatokra néha különböző megoldások születnek, mindegyiknek megvannak az előnyei és a hátrányai. A tanulóknak ezeket a megoldásokat összehasonlítóan kell értékelniük. A bemeneti és kimeneti átviteli arány kiszámítása a törtek szép és hasznos gyakorlati alkalmazása. **Tematikus kérdés** Mindkét tengely azonos sebességgel forog, mivel a fogak száma mindkét kúpkeréken (10) azonos (nincs fordítás). **Kísérleti feladat** 1. A kúpfogaskerekek helyett Z40-el. {{:fogaskerek_rajz_2_1.png?600|}} Alternatív konstrukció a következő fogasléces fogasléc. A forgó mozgás itt is 90°-kal alakul át, ha a második hajtókar a kimenet. A fogaskerék hátránya: A fogasléc hossza korlátozott. {{::fogaskerek_rajz_2_2.png?600|}} 2. A korona fogaskerék konstrukciója esetén 20:32 (vagy rövidítve: 5:8) csökkentés történik. Ez azt jelenti, hogy a Z20 nyolcszor, míg a Z40 (Z32) ötször forog. Ez kísérletileg nagyon könnyen ellenőrizhető a fogaskerekeken lévő színes pontragasztóval és forgatás közbeni számolással. Fogasléces fogaskerekek esetén a bemeneti és a kimeneti tengelyek azonos sebességgel mozognak. ----