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创意机械设计 | 冰雪运动之有舵雪橇

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教学目标

配合冬奥项目中的有舵雪橇运动,使用机械结构模拟有舵雪橇的基本样式讲解了机械知识——差速器及差速锁。
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建议时长

40分钟
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科技学堂

有舵雪橇项目介绍 2分钟

        有舵雪橇,起源于瑞士。由无舵雪橇发展而来。有舵雪车第一届冬季奥运会中即被列为正式比赛项目。现今冬奥会比赛项目雪车是原来的有舵雪橇与平底雪橇(无舵雪橇)项目。原来的国际有舵雪橇与平底雪橇联合会,亦改称为国际雪车联合会。冬奥会设双人座和四人座(1924年列入)两个比赛项目,仅限男子参加。比赛时每队下滑4次,以4次比赛的总时间计算名次,时间少者为胜。


有舵雪橇的结构 5分钟

        雪车用金属制成,形如小舟,车首覆有流线型罩,因此也得名"雪地之舟"。车底前部是一对舵板;上与方向盘相接,车底后部为一对固定平行滑板,车尾装有制动器便于在行进过程中适当控制速度或者在冲过终点线后的制动。

有舵雪橇1.png

        有舵雪橇的结构其实类似我们常见的汽车,无论是以前轮作为驱动轮还是后轮作为驱动轮,汽车的方向控制都是依靠着前方的一对轮胎,但是对于车轮来说,转向其实并没有我们看到的那么轻松。


关于转向的分析 5分钟

        我们以汽车为例,在现实生活中我们都知道汽车转向并不是一个很圆的圆弧,但是我们可以把汽车转向的轨迹模拟为一个理想的圆弧,这样有助于我们对转向进行分析。

        我们以一对车轮来进行观察,我们可以看到当汽车向一个方向转向时,内侧车轮和外侧车轮的运动轨迹是和下图绘制的轨迹一样的。

有舵雪橇2.png

        我们能够从图中看到,在最开始车轮从下方直行时内侧轮和外侧轮所行驶的距离是一样的,而开始转向后内侧车轮走蓝色的弧线,外侧车轮走红色的弧线,这时两个车轮所行进的距离就有了很大的差别,而如果我们仅仅用一根通轴连接两个轮胎的话,会让两个轮胎的角速度一样,而同一辆车的轮胎大小又是一致的,就会导致两个车轮所走的线速度也可以说是距离一样,这样可能会导致车辆转向不畅,磨损轮胎,严重时可能导致车辆跳跃甚至车轴断裂等问题。

        为了解决这个问题,我们就需要使用一种装置,叫做差速器。

1.差速器

        汽车差速器能够使左、右(或前、后)驱动轮实现以不同转速转动的机构。主要由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架组成。功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时,使左右车轮以不同转速滚动,即保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。

有舵雪橇3.png

2.差速器的原理

        差速器的工作顺序如下:

        (1)差速器通过一根外部动力轴配合斜齿轮带动整体外壳进行转动;

有舵雪橇4.png

        (2)差速器外壳进行转动后,带动其中的一个横向的斜齿轮进行转动;

有舵雪橇5.png

        (3)此时就出现了两种情况,一种是两侧齿轮轴所受到的阻力一致即车辆直行、第二种是一侧齿轮所受的阻力大于另一侧齿轮即车辆转弯;

  • 车辆直行时,由于两侧齿轮所收到的阻力一致,所以横向的斜齿轮达到了一个力的平衡,使得横向斜齿轮不会发生“自转”,只会跟着差速器外壳进行“公转”。

    有舵雪橇6.png

  • 车辆转弯时,其中一侧车轮转动快一侧车轮转动慢,导致横向的斜齿轮无法达到力的平衡,所以会发生向顺时针或逆时针的“自转”,这样自转的时候就可以解决左右转动不一致的情况。

    有舵雪橇7.png


模型拼装 20分钟

        接下来我们根据给出的图纸对模型进行拼搭,并测试我们的有舵雪橇模型。

有舵雪橇8.png

探究性学习 8分钟

        现在的差速器会有一个比较严重的问题,如果我们其中一个轮子陷入了沙地或者打滑,那么这时可以看到整个动力传输全都给予了打滑的轮胎,这样我们的车子还是会困在原地无法前进。(此处可以将有舵雪橇的一侧轮子放到桌子上,另一侧悬空放置模拟轮胎打滑的场景)。

有舵雪橇9.png

        可提供的解决方案:

        其实差速器的作用就是让两个轮胎不再一直保持“同轴”,而是在特定的时候保持住,在打滑的时候我们需要让动力传输到不打滑的一个轮胎上,这时只需要在现有的基础上添加一根轴,使得两个轮胎同轴就可以了,而在适当的时候让两个轮胎同轴,适当的时候不同轴,这也就让我们的差速器升级成了差速锁。


使用器材