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（）