乐高第3课-齿轮传动——风扇-教学案.doc

第3课 齿轮传动——风扇教学案

一、提出问题
　　　　当夏天到来时，天气很热，我们经常会打开电风扇来解热，电风扇可以说是我们在夏天里的“小伙伴”，现在就让我们动手来制作一个风扇吧！

二、联想
如图3-1和图3-2所示， 想一想生活中的风扇是什么样子的?风扇都有什么特点呢?

图3-1风扇1
图3-2　风扇2
三、要求：
风扇制作
1. 风扇有扇叶并且可以转动
2. 利用齿轮传动加快扇叶转动
3. 稳定的放在桌面上

四、构建
技能牌：齿轮
齿轮的作用：
　　　　　齿轮是依靠齿的啮合来传递动力的零件，通过齿轮的传动还可以改变输出的扭矩和角速度，或者是改变运动的方向。

扭矩：扭矩是齿轮转动时切向的力，我们可以理解为齿轮发生转动的力。例如，当我们喝饮料时，我们要使用一定的力去把瓶盖拧开。

角速度：是物体转动的速度。单位是弧度每秒。例如，这节课我们将制作的风扇，它转动的角速度就非常快。

齿轮的传动：
乐高机器人套装中提供了很多种齿轮，这节课我们先来认识一下直齿轮。如图3-3所示,乐高直齿轮从左到右分别为40齿，24齿，16齿和8齿共4种类型。

图3-3　乐高直齿轮

机器人可以通过这些齿轮的传动来改变扭矩，改变角速度或改变方
向。一般来说，乐高的齿轮在搭建的时候通常要与梁来进行配合，将齿轮用轴与梁进行连接，你可能会有这样的担心，齿轮会不会与梁有接触而产生摩擦呢?不过，当你使用的时候，你会发现乐高的齿轮能够与梁配合的非常好，完全不用担心会产生摩擦或阻力的问题。下面我们来看几组齿轮传动的例子。
例1
8齿齿轮传动40齿齿轮，如图3-4所示。

图3-4 8齿传动40齿

例2

图3-5 40齿传动8齿
40齿齿轮传动8齿齿轮，如图3-5所示。

例3
40齿齿轮传动24齿齿轮传动8齿齿轮，如图3-6所示。

图3-6 3个齿轮传动

例4　
24齿齿轮传动8齿齿轮传动24齿齿轮，如图3-7所示。

图3-7 3个齿轮传动

齿数，扭矩和角速度的关系
齿数（n）与扭矩（T）成正比 T1×n2=T2×n1
齿数（n）与角速度（T）成反比 n1×w1=n2×w2

我们以例1的8齿传动40齿为例，由于齿数与扭矩成正比关系，因此传动后40齿这根轴输出的扭矩是8齿的5倍；由于齿数与角速度成反比，因此传动后40齿这根轴输出的角速度是8齿的1/5。

请你写出例2，例3，例4中扭矩和角速度的变化。
例2中输出扭矩的变化__________，输出角速度的变化___________。
例3中输出扭矩的变化__________，输出角速度的变化___________。
例4中输出扭矩的变化__________，输出角速度的变化___________。

大家可以看到，齿轮的传动可以改变物体运动的速度，下面我们来制作一个风扇，在风扇的制作中就会应用到齿轮传动的技术。

1. 制作扇叶
制作一个有3个扇叶的风扇，如图3-8所示。

图3-8 扇叶

2. 齿轮转动
为了加快扇叶的转速，我们应当用大齿轮带动小齿轮，使角速度加快。在图3-9中，我们利用手柄带动40齿大齿轮转动， 然后，40齿齿轮再传动8齿齿轮，使其的转速增加5倍。风扇的齿轮传动如图3-10所示。

图3-9 大齿轮
图3-10　齿轮传动
3. 底盘制作
如图3-11所示，底盘的制作利用两根方梁和两根弯梁来完成，中间留出的位置是要固定风扇的那根梁，这样利用几根梁就可以完成底盘与风扇的固定，既简单，又坚固。

图3-11 底盘

风扇制作完成效果图，如图3-12所示。

图3-12 手摇风扇

　 风扇制作完成了，让我们摇动手柄，看一看风扇的转动效果吧！
五、优化与改进
　　 同学们知道风扇的转速是非常快的，上面制作的风扇是用40齿齿轮传动8齿齿轮，转速增加了5倍，但是还能不能更快呢?请你利用齿轮的传动，让风扇转动的速度更快一些。
齿轮传动的改进，如图3-13所示。

图3-13　多齿轮传动

我们可以看到方梁的两面都有齿轮，传动从40齿大齿轮依次传动给8齿齿轮，然后同轴的另一侧40齿齿轮，又传递给8齿齿轮，可以看到最终传动的速度会更快。
改进后的风扇效果图：
如图3-14和图3-15所示，这是最终改进后的风扇，风扇的转速很快，但是它的扭矩却很小。

图3-14 改进后的风扇侧面
图3-15　改进后的风扇背面
六、实践与讨论
改进后的风扇转速增加了多少倍？_____________________________
改进后的风扇扭矩减小了多少倍？_____________________________
减速电机为什么会减速呢？___________________________________
七、拓展
刚才我们利用齿轮传动，提高转速制作了风扇，那么齿轮传动也可以起到减速的作用，下面我们就来制作一个停车场栏杆器，如图3-16所示。

要求：
1、 栏杆器固定在桌面上
2、 栏杆缓慢升起和落下

图3-16 生活中的栏杆器

(1) 底座的制作：如图3-17所示。

图3-17 底座

用4根梁和3个双销连接件完成的底座。
(2)栏杆的制作： 如图3-18所示。

图3-18 栏杆

在栏杆器的制作中，注意结点的连接。为了方便轴连接到这个结点，特意使用了一个中心带轴连接的绿色块与梁拼接到一起。这样就可以使用轴直接插入到结点中，从而能够带动整根梁的开启和关闭。
(3)齿轮的传动：如图3-19所示。

图3-19　齿轮传动

齿轮的传动利用8齿带动40齿。这里的技巧是齿轮要贴紧圆梁，轴的两端要用轴套固定，防止齿轮在传动的时候脱齿。
将栏杆安装到底盘上，我们来看一下安装完成后的效果，如图3-20所示。

图3-20 完成的栏杆器

制作完成后，当我们调试的时候会发现栏杆在下降的时候会碰触到地面当上升时候会向后倒过去，这与我们在停车场见到的栏杆不一样，我们还需要再改进一下。

加入长销来限制栏杆的抬起和落下，如图3-21和图3-22所示。

图3-21 加入长销侧面图
图3-22加入长销底面图
看一下我们最后制作完成后的效果，如图3-23和图3-24所示。

图3-23 栏杆器抬起
图3-24 栏杆器落下

八、作业：
想一想，制作完成后的停车场栏杆器，它的扭矩的变化是什么?看一看，栏杆升降的速度是加快了还是减慢了，为什么?

风扇搭建图

1. 风扇转动轴零件

2. 轴与齿轮连接

3. 与轴连接器连接

4. 扇叶制作所需乐高零件

5. 扇叶制作

6. 扇叶与轴连接器相连

7. 扇叶侧面

8. 手柄搭建所需乐高零件

9. 手柄与梁连接

10. 将扇叶与红色方梁连接

11. 底座的制作

12. 底座与扇叶连接

13. 风扇背面

14. 加入齿轮传动，加快风扇转动

15. 另一侧连接手柄

16. 齿轮传动

17. 转速更快的风扇

18. 风扇背面

19. 风扇侧面

栏杆器搭建图

1. 制作栏杆所需要乐高零件

2. 栏杆器

3. 每两根圆梁通过双销连接

4. 利用双销将前面两排圆梁连接

5. 制作手柄

6. 将手柄连接到底盘上

7. 底盘背面图

8. 将栏杆连接到底盘，抬起栏杆器

9. 放下栏杆器

10. 长销，用来限制栏杆放下的位置

11. 将长销固定在底盘上

12. 长销连接侧面图

13. 制作完成后的栏杆器