双头轮轴式改锥的设计制作.docx
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双头轮轴式改锥的设计制作
北京第二实验小学学生创新成果集
《双头轮轴式改锥的设计制作》
姓名:
王真乙
辅导教师:
甄奕闫莹莹
获2010年北京市金鹏科技论坛一等奖
2010年西城区金鹏科技论坛一等奖
[前言]我的业余爱好是组装、操控各式各样的遥控汽车模型。
在组装和修理过程中,经常使用到不同口径和样式的小改锥,外出携带不方便。
自从在学校学到轮轴原理后,我的头脑中突然有了改造小工具的想法,要让它小巧实用、方便携带、操作省力、功能组合。
一、小发明构思过程及目的
1、了解目前普通改锥改进工作的现状;
2、对普通改锥进行改进,努力将设计思路转化为适用的工具,使它功能多样、省力、提高工作效率。
3、进行使用情况调查和测试,验证它轮轴力学的使用效果,以便更好的改进和提高。
二、发明的研究方法
1、概念的认知
我的发明构思涉及到的内容,主要包括改锥、扳手、螺钉和它们之间应用的轮轴力学原理,对它的认知是非常必要的。
轮轴力学的实质是可以连续旋转的杠杆,使用轮轴时一般情况下,在轮上的力和轴上的力的作用线都与轮轴相切。
因此,它们的力臂是对应的轮半径和轴半径。
轮半径为R,轴半径为r,作用在轮上的力F1和作用在轴上的力F2,支点在轴心,轮轴在转动时,轮与轴有相同的速度。
根据杠杆平衡条件,得到公式如下:
R×F1=r×F2
当轮的半径大于轴半径时(R>r),给轮半径一个较小的作用力,就可以在轴半径上获得一个较大的被动力(F1<F2)。
2、设计构思及创新特点
(1)发明构思设计图
注:
1、主改锥2、手柄3、凹口4、辅助改锥5、固定轴6、软垫7、“十”字头8、“一”字头
(2)应用轮轴原理及功能特点
①互为轮轴力臂的设计:
我设计的主、辅改锥组合式设计,两者可以互为轮力臂。
当主改锥工作为轴时,辅助改锥开启与主改锥为90度,有效的增加了轮的半径。
当辅助改锥开启工作为轴时,主改锥手柄为轮的半径,很明显轮半径大于轴半径。
并由手臂提供旋转的动力,带动工作锥头的旋转,作用在螺钉上。
这样互为力臂的设计,非常符合轮轴力学原理,并大大提高了改锥的轮轴应用效果。
②功能特点
普通改锥头部的设计只有一种样式和口径,也只能对应一种螺钉头的样式和口径。
我设计的“双头轮轴式改锥”,由两种不同样式和口径的锥头组成。
在实际的操作使用中,可以表现出以下的功能特点:
●主、辅改锥可以紧固、拆卸两种不同样式和口径的螺钉。
●辅助改锥折起后同手柄成90度。
无论哪一方工作,对方都可以成为工作方的轮轴延长力臂,运用轮轴力学原理,使操作者省力。
●辅助改锥在不工作时,可折叠藏在主改锥的手柄中,方便携带。
●主、辅改锥的头部样式和口径,可根据工作部件紧、拆对象的规格,进行针对性组合设计,以方便操纵者的使用。
3、模型制作过程
手动工具大部分以金属为主要材料,根据我最初的条件和能力,只能先做出模型。
在最终设计确认后,再制作实物。
(1)材料:
高密度板条、木筷子、铁钉、白色乳胶等
(2)工具:
手锯、钳子、壁纸刀、刷子、木锉、电钻、细钻头、
砂纸、铁锉
(3)先用壁纸刀把木筷子削“一字”和“十字”锥头,再把它切割成设计的长度。
(4)用手锯把高密度板条切割成主改锥手柄大小,用乳胶粘接,粘接时把主改锥插入固定。
预先留有辅助改锥折藏槽。
(胶干后再做下一步工序)
(5)用钳子把铁钉两头切下,长度符合要求,用铁锉打磨毛边。
(6)用电钻在手柄和辅助改锥上打孔,再将辅助改锥有孔部位放入手柄中,对好孔,用处理好的铁钉串孔联接。
折起藏入符合要求。
(7)先用木锉打磨手柄凌角,使它圆滑。
再砂纸打磨抛光测试、调试。
4、作品改进调整
(1)改进说明
第一件模型制作完成后,通过模拟使用,与使用者探讨。
总结经验:
主、辅改锥只是简单的组合在一起。
主改锥在单独使用时,和其他独立式的改锥没有区别,只是在手柄槽内加了一件辅助改锥,多了一项功能。
辅助改锥折起后处在手柄中间位置,在主改锥工作时,手掌不能用力把握,无法提高轮的力臂效果。
经过再次的设计,我把辅助改锥由开启后的手柄中间部位,移到手柄的顶端。
这样做,有效提高了轮的力臂效果。
当主改锥工作时,辅助改锥折起,延长轮力臂,使操作者工作时减少用力。
当辅助改锥工作时,主改锥加手柄同样应用轮轴原理,减少操作者的用力。
第二件模型作品的设计结构,使主、辅改锥互为延长的轮的力臂,让两个锥头在工作时,把轮轴力学原理发挥到最佳。
(2)改进前、后的图片
图一
(3)实物图片
图二
三、研究结果、分析及结论
普通改锥也是轮轴力学原理。
为了证明我的作品,能更好的提高轮轴应用效果,下面我将运用实验测试的方式,证明我的设计优于普通改锥。
1、测试结构设计
(1)用小改锥把小螺钉,紧固在主改锥手柄尾部的中心,使小螺钉与主改锥及锥头成为一条轴线。
(2)用剪刀把胶带剪下合适长度,紧牢小纸箱,并在纸箱上口中间部位,量出直线上两个点A和B,用笔标记。
再用剪刀在A、B两点上各剪出一个小口。
小纸箱和A、B点起支架作用。
(3)把紧好小螺钉的模型作品,主改锥放入B点,手柄尾部小螺钉放入A点。
用手旋转主改锥,使模型可在A、B点上自由转动,测试结构合理,符合测试要求。
2、用轮轴原理说明与测试方法
(1)用轮轴原理说明
图三
如图三所示,主改锥与小螺钉形成直线为同轴,在小纸箱A、B点上可自由转动。
设主改锥头为工作部位,轴上点为C,轴半径为R1,阻力为F1;手柄为轮,轮上的点为E,轮半径为R2,操作动力为F2;辅助改锥开启后为轮,轮上的点为D,轮半径为R3,操作动力为F3。
依据轮轴力学平衡原理,得出:
R1×F1=R2×F2=R3×F3
因为R1<R2<R3所以F1>>F2>F3
F2是普通改锥手柄轮的操作动力,F3是我的创新发明的操作动力。
从轮轴力学原理上推导,我的作品操作时所用动力小于普通改锥。
(2)测试方法
①手柄式改锥测试:
用根大约30cm小细绳,一头盘成一个结做成小环,另一头盘绕固定在主改锥C点,然后把绳向左盘绕几圈。
再用另一根大约30cm小细绳,把两头各盘成一个结做成小环,将一头的小环套在辅助改锥的杆上固定,再将小绳盘绕在手柄E点上,方向向右。
再将改锥放入支架(小纸箱)A、B点上,同时悬挂备好的砝码,直到轴停止旋转平衡为止,方可读取数据。
②模型作品改锥测试:
主改锥C点盘绳保持不变。
把手柄E点盘绳解下。
用大约15cm小细绳,盘结做成两个相连的小环。
用其中一个小环套在辅助改锥C点。
这时可同时向C点和D点的小环悬挂备好的砝码,直到轴停止旋转平衡为止,方可读取数据。
(注:
在小纸箱A点垂直向下F点,拧一个小螺钉,再用小细线把主改锥尾部螺钉和F点小螺钉,活扣连接在一起。
以防止C点悬挂砝码过重,改锥轴翘起。
)
3、数据记录及分析结论
测试砝码每块为50克,砝码自身带挂钩,可相连悬挂。
(1)手柄式改锥测试数据:
根据测试结果,主改锥轴在停止旋转,C点和E点的相互作用力达到平衡时:
F1阻力是3块×50克/块=150克;
F2动力是1块×50克/块=50克。
图四
结论:
手柄改锥轮E点在获取50克动力时,主改锥头C点可获得克服150克的阻力。
(2)模型作品改锥测试数据:
根据测试结果,主改锥轴在停止旋转,C点和D点的相互作用力达到平衡时:
F1阻力是8块×50克/块=400克,
F3动力是1块×50克/块=50克。
图五
结论:
模型作品辅助改锥轮D点在获取50克动力时,主改锥头C点可获得克服400克的阻力。
(3)实验测试结论:
很明显,当动力为一块砝码50克时,由于轮半径的不同,在主改锥C点克服的阻力也不相同。
通过计算,150克÷400克×100%=37.5%,普通改锥在相同动力下,只能获取轮轴式改锥的37.5%的效果。
结论:
我的创新发明优于普通改锥。
致谢:
首先,非常感谢各位评委老师给我这次锻炼的机会。
非常感谢闫莹莹老师、甄奕老师给予我的悉心指导和鼓励!
在这近4个多月的时间里,我用了大量的业余时间和精力进行作品的试制,在制作过程中遇到了困难和失败,在老师、家长的鼓励和指导下,我克服了困难,坚定了成功的信心。
最重要的是,我深深懂得,要想取得成功,必须付出辛勤的劳动。
这段经历和体验我将终生难忘。
感谢爸爸、妈妈对我进行的帮助,帮我拍摄创作过程的照片,记录了作品创作的美好瞬间!
感谢参与填写我的作品使用情况调查问卷以及试用作品的叔叔、阿姨、老师和小朋友们!
参考文献:
1、中华人民共和国国家知识产权网()
2、全国青少年科技创新活动服务平台(www.xiaoxiaotong.org)
3、中文互动百科()