Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы "Школа № 979"

Инженерное конструирование

 Серегина Анастасия Андреевна

Удовенко Алеся Александровна

 Научный руководитель:

 Учитель физики и астрономии Ухмылина Ольга Игоревна

Москва, 2018

Содержание

Содержание        2

Аннотация        3

Введение        4

Обзор литературы        6

Структура машин        8

Расчет мощности двигателя        10

Передаточный механизм        11

Материалы и методы        13

Результаты        14

Анализ полученных результатов        15

Выводы        16

Список литературы        17

Аннотация

Введение

Кто-то или что-то создало жизнь на Земле, и среди этой жизни был воздвигнут столь неординарно сложный механизм под названием «человек», который стал неким прообразом своего творца. Именно поэтому мы считаем, что смысл жизни каждого из нас в том, чтобы что-то производить и быть полезным для общества.

Таким образом, проблема, которая нас заинтересовала - это проблема создания новых устройств. Но для того, чтобы конструировать даже простейшие машины, надо уметь разбираться в составляющих ее частях и знать ответ на вопрос: «Что является сердцем машины?» Ведь только одна единственная деталь превращает предмет в подвижный механизм, который в дальнейшем можно приручить и получить от него какую-нибудь пользу.

Выдвинутая нами проблема, несомненно, актуальна. Сейчас все чаще средства массовой информации предсказывают, что в ближайшем будущем наиболее перспективной профессией станет профессия - инженер. Потребность создания автоматизированных устройств в современной инженерии возрастает. Чтобы сделать простейшую машину, нужно найти ее важнейшую деталь, и опираясь на эту деталь составить четкий алгоритм расчетов устройства в целом, который может быть использован в дальнейшем и другими.

Мы выдвинули следующую гипотезу: «Сердцем машины является двигатель». Для того, чтобы в этом убедиться – нужно изучить основные законы механики и электродинамики, познакомиться с понятиями, необходимыми для того, чтобы понять устройство и работу двигателя, и рассмотреть работу двигателя, используя его на практике.  

В практической части на основе изученных конструкций и законов, созданного нами алгоритма расчетов мы создадим свои новые устройства, которые являются нашими авторскими машинами, что вносит новизну в наше исследование. Эта работа может быть применима теми, кто начинает свою конструкторскую деятельность уже в школе.

Из всего выше сказанного, можно выделить объект нашего исследования. Им является инженерное конструирование, а предметом является – электродвигатель.

В поиске сердца машины мы поставили себе следующую цель: исследовать проблемы современной инженерии путем изучения основ конструирования, разрабатывая и реализовывая свои авторские идеи на практике.

Для этого нам нужно было решить следующие задачи:

1. Исследовать проблемы современной инженерии и познакомиться с основными специальностями профессии инженера:

• Инженер-механик
• Инженер-расчетчик
• Программист
• Инженер по проектам
• Инженер-проектировщик

2. Изучить основные инженерные конструкции и механизмы

• Планетарные механизмы
• Конструирование корпусных деталей и подшипников
• Крутильные колебания коленчатого вала

3. Познакомиться с работой электродвигателя и доказать его основную роль
4. Разработать идеи своих авторских устройств и реализовать их на практике с использованием недорогого старого оборудования

Обзор литературы

Кто такие инженеры и чем они занимаются?

Инженеры бывают разные, но их объединяет то, что каждый инженер создает. Одни из них - придумывают, другие - рассчитывают, третьи - моделируют на компьютере, а четвертые - соединяют все в одно и исправляют неполадки.

Инженерное дело (от лат. ingenium — «искусность» и лат. ingeniare — «изловчиться, разработать» — «изобретательность», «выдумка», «знания», «искусный») — область технической деятельности, включающая в себя целый ряд специализированных областей и дисциплин, направленная на практическое приложение и применение научных, экономических, социальных и практических знаний с целью обращения природных ресурсов на пользу человека. Синонимом термина «инженерное дело» является слово техника (от др.-греч. τεχνικός ← τέχνη — «искусство», «мастерство», «умение»), обозначающее активную творческую деятельность, направленную на преобразование природы с целью удовлетворения разнообразных жизненных человеческих потребностей.

Основные проблемы, которые решает инженер:

• Постановка задачи
• Рассмотрение всех возможных решений
• Моделирование решений
• Проверка решений
• Если задач было много, их решения надо соединить в одну систему
• Реализация теории и моделей на практике

Среди инженеров можно выделить несколько специальностей:

• Инженер-механик - должен обладать обширными познаниями практически во-всех естественно-научных областях, и уметь совмещать их важнейшие свойства для достижений оптимальных результатов.
• Инженер-расчетчик - делает расчеты конструкций (на прочность, жесткость и др.). На нем лежит ответственность за многие технические решения, которые образуют основу будущей конструкции. Но в современном мире эта профессия вымирает, потому что появляются прогрессивные ПО, к таким можно отнести ANSYS
• Инженер – программист - разрабатывает программы, обеспечивающие возможность выполнения алгоритма и соответственно поставленной задачи средствами вычислительной техники, проводит их тестирование и отладку. Разрабатывает технологию решения задачи по всем этапам обработки информации.
• Инженер-проектировщик - это специалист, занимающийся разработкой специальных планов и схем.
• Инженер-конструктор - разрабатывает конструкцию прибора, оборудования
• Инженер-технолог - разрабатывает процесс изготовления, обработки изделия или продукта

Наиболее всего наше внимание привлек инженер-конструктор. Как правило, на заводе может быть много инженеров и начальников, и даже директоров, но главный инженер-конструктор, как правило, один, и он – тот мозг, без которого не может существовать производство. «Engineer-designer» – так звучит на английском «инженер-конструктор». «Designer» - имеет и второе значение. Это слово также переводится, как «дизайнер-художник». И это не просто так! Ведь, и художники, и дизайнеры создают. Но для того, чтобы создать что-то более сложное, что-то такое, что могло бы двигаться и приносить практическую пользу, нужно знать физику.

Каждый объект должен быть правильно рассчитан. Представьте себе, какой бы была Земля, если бы ее не рассчитал Бог? Скорее всего, она бы оказалась на месте Меркурия или Плутона, а может быть попала бы в черную дыру и ни Земли, ни жизни на ней и вовсе бы не было. Но как все рассчитать? С чего начать? Какие основные принципы расчетов, механизмы уже существуют?

Структура машин

Прежде чем рассмотреть работу электродвигателя и приступить к расчетам, нужно было рассмотреть, что является электрическим и магнитным полем, так как принцип его действия связан с двумя этими материями. Электрическое и магнитное поле изучается в 8-ом классе, но мы ознакомились с основными понятиями, касающимися раздела «Электродинамика» на кружке «Юный физик». Писать подробно обо всех известных понятиях нет смысла, поэтому приступим сразу к рассмотрению машин.

Согласно учебному пособию «Детали машин» под ред. Гордина  П. В., Рослякова  Е. М., Эвелекова В. И., любую машину можно представить, как техническую систему, состоящую из нескольких составных частей. Ими являются корпус и система управления, которая включает в себя двигатель, передачу и исполнительный механизм. Все компоненты, входящие в систему управления, являются немаловажными для работы машины. Но все же, двигатель играет важнейшую роль (См. табл. 1 в приложении).

В качестве двигателя могут применяться электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, паровые или газовые турбины. Наиболее доступным устройством является электродвигатель. Поэтому мы решили изучить подробно его устройство и принцип работы.

Чем ценен электродвигатель?

Электродвигатели – это устройства, в которых электрическая энергия превращается в механическую. В основе принципа их действия лежит явление электромагнитной индукции, которое связано с возникновением электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него [4]. 

В принцип работы электродвигателя постоянного тока входит свойство отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и притягивания разноименных. Приоритет его изобретения принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Первая промышленная модель двигателя постоянного тока была создана в 1838 году.

На иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагается проволочная рамка и пропускается по ней ток. Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение – мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. 

Двигатели постоянного тока имеют возможность плавной регулировки частоты вращения, поэтому их применяют в качестве тяговых на электротранспорте и грузоподъемном оборудовании (см. рис. 1 в приложении).

Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока для создания крутящего момента предусматривают использование вращающегося магнитного поля. Их изобретателем считается русский инженер М. О. Доливо-Добровольский, создавший в 1890 году первый промышленный образец двигателя и являющийся основоположником теории и техники трехфазного переменного тока.

Вращающееся магнитное поле возникает в трех обмотках статора двигателя сразу, как только они подключаются к цепи питающего напряжения. Ротор такого электромотора в традиционном исполнении не имеет никаких обмоток и представляет собой, грубо говоря, кусок железа, чем-то напоминающий беличье колесо. Магнитное поле статора провоцирует возникновение в роторе тока, причем очень большого, ведь это короткозамкнутая конструкция. Этот ток вызывает возникновение собственного поля якоря, которое «сцепляется» с вихревым магнитным потом статора и заставляет вращаться вал двигателя в том же направлении. Магнитное поле якоря имеет ту же скорость, что и статора, но отстает от него по фазе примерно на 8–100. Именно поэтому двигатели переменного тока называются асинхронными.

Расчет мощности двигателя

Мы можем собрать из мусора макет, но он так и будет стоять на полке, если ему не вставить сердце. И если даже по нему будет течь кровь (электрический ток), его жизнь будет статична и неправдоподобна, как жизнь того, кто всю жизнь лежит и не может сдвинуться с места.

Несомненно, мы должны вставить в устройство двигатель. Самый доступный для нас вариант – это электродвигатель. Для электродвигателя необходимо уметь определять мощность. Определять ее можно по шильдику электродвигателя. Для этого надо разобрать один из шильдиков. На против буквы P можно увидеть надпись - 13 кВт. Но это не есть его электрическая мощность, это полезная механическая мощность на валу. В табличке (рис. 2) можно также увидеть значение КПД (ᵑ) и cos ᵠ (угол между активной и полной мощностью). В итоге потребляемая двигателем мощность определяется по формуле

Но если не создать для него хотя бы самого элементарного скелета, то сердце (т. е. электродвигатель) будет биться в пустоту.

У скелета должны быть суставы. В качестве суставов в инженерии обычно используют шестеренки.

Передаточный механизм

Передаточный механизм передает движение от одного тела к другому. Параметры движения тел определяются с учетом параметров точек соприкосновения (зацепления) этих тел.

На рис. 3 (а, б, в, г) приведены различные схемы передачи движения от одного тела к другому.

На рисунке 3а (внешнее зацепление) колёса вращаются в противоположные стороны, на рисунке 3б (внутреннее зацепление) колеса вращаются в одну сторону.

На рисунке 3в в приложении показана цепная (ременная) передача. 

На рисунке 3г поступательное движение стержня обеспечивает вращение колеса.

На рисунке 4 изображена фрикционная передача: колесо 1, прижимаясь к торцу колеса 2 в точке C, обеспечивает его вращение вокруг вертикальной оси.

В создании робота-утки мы пользовались червячной передачей, которая изображена на рис. 5 в приложении.

Материалы и методы

Методы, используемые в работе: 
- счет
- измерение
- сравнение

- эксперимент
- лабораторный опыт
- анализ
- изучение и обобщение

Для реализации наших механизмов мы использовали следующие материалы:

• старые отечественные школьные электромоторы и электромоторы со следующими параметрами:
• по 2 пальчиковые батарейки АА по 1,5 В для утки и вентилятора - 1, 2 мизинчиковые батарейки ААА для робота-щетки и батарейку для машинки-пушки
• пластиковый мусор
• конструктор «Механика»
• скотч и клей для пластика
• клеевой пистолет
• провода, отвертки и набор для паяния
• червячный механизм

Результаты

Изучение работы электродвигателя происходило на реализации простых машин:

• робот-утка
• роботы-вентиляторы
• робот-щетка
• Робот-машинка

В каждом из этих устройств использовался электродвигатель, питаемый батарейкой, который вносит основной вклад в движение механизма.

В процессе исследования у нас было изобретено несколько машин.

1. Машина-птица из использованных маркеров. В этой машине присутствует двигатель мощностью 50 Вт, передачей является червячный придаточный механизм исполнительный механизм – ноги и пластмассовый корпус, оформленный фломастерами. Фломастеры склеены в виде каркаса утки.

При создании робота-утки мы пользовались готовым конструктором-ногами. В этот конструктор входит электромотор без параметров, каркас с ногами и червячный механизм. Мы решили повторить такой же механизм самостоятельно из подручных материалов (см. рис. 11 а,б).

2. Машина-щетка
3. 2 машины-вентилятора
4. Робот-пушка

Анализ полученных результатов

Мы составили таблицу устройств, собранных и изученных нами (см. таблицу 2 в приложении).

При создании всех роботов основным устройством, которое вносило смысл в их существование, был электродвигатель. В будущем, возможно, у этих устройств появится «мозг» и «нейроны», (т. е. возможность программирования и датчики), но устройство может приносить пользу под частично внешним управлением. Каждое из устройств может быть усовершенствованно и применено в пользу человека. Но если вытащить двигатель, то машина сразу теряет свою роль и превращается в мусор. Конечно, двигатель нужно подпитывать батарейками. Но батареи уже больше играют роль «крови», текущей по «сосудам» (проводам), а сердцем, все-таки, является двигатель.

Выводы

На основе изученной нами литературы, собранных моделей и проверки их работы, мы пришли к выводу, что сердцем машины является двигатель. Эта деталь превращает обычное устройство в машину-робота. Конечно, у настоящего робота должен быть мозг, и скорее всего, это будет тема нашего следующего проекта. Но, как и люди, машины могут работать, не полностью управляя самостоятельно своими действиями. Некоторые машины могут быть полезными при частичном вмешательстве из внешней среды. Тем не менее, наши устройства двигаются самостоятельно, и если их в будущем дорабатывать, то можно превратить в настоящих «терминаторов».

Проблема, поставленная нами вначале проекта, рассмотрена, и доказана гипотеза, что «Сердцем машины является двигатель». Как сердце, являющееся насосом нашего организма, перегоняет кровь, текущую по жилам человека, и заставляет человека двигаться, так и электромотор превращает электрическую энергию тока, текущего по проводам в механическую энергию машины.

Список литературы

1. Лекции Константина Анохина «Мозг и разум» (2 части).

2. Гордин П. В., Росляков Е. М., Эвелеков В. И. Детали машин и основы конструирования. Учебное пособие. — СПб.: СЗТУ, 2006. — 186 с.

3. Elektrik24 http://elektrik24.net/http://elektrik24.net/elektrooborudovanie/elektrodvigateli/princip-raboty-3.html
4. Википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/
5. Сайт Джедай-электромастер http://jelektro.ru/covety-elektrika/podbor-jelektrodvigatelja.html 
6. Сайт Школа 30 https://shkola30.livejournal.com/10221.html
7. Сайт Школа для электрика http://electricalschool.info/main/osnovy/1705-jelektricheskoe-i-magnitnoe-pole-v-chem.html
8. Сайт http://slavapril.narod.ru/moshnost_electrodvigatela.html
9. Сайт «Сопромат». http://www.isopromat.ru/teormeh/obzornyj-kurs/peredatochnye-mehanizmy
10. А. В. Перышкин. Физика 7 класс. Учебник для общеобразовательных заведений. Москва, ДРОФА, 2010
11. А. В. Перышкин. Физика 8 класс. Учебник для общеобразовательных заведений. Москва, ДРОФА, 2010
12. Я. И. Перельман. Дом занимательной науки. «Занимательная физика». СЗКЭО, Санкт-Петербург, 2016.
13. Перельман Я. И. «Знаете ли физику?», Екатеринбург, «Тезис» 1994
14. Энциклопедия для детей т.4 М. Аванта. 1995 г.