LEGO-инженерия: создание функционального вакуумного двигателя и коробки передач

В современном образовательном процессе все чаще используются конструкторы LEGO как эффективное средство формирования инженерного мышления и практических навыков у школьников среднего звена.

Использование LEGO-деталей позволяет не только значительно упростить конструирование, но и обеспечить высокую степень модульности, быструю диагностику неисправностей и простоту замены элементов при разборе и сборке, кроме того, конструкторы LEGO являются массовыми.

Применение элементов конструктора в сочетании с простейшими техническими устройствами позволяет учащимся в доступной форме познакомиться с основами механики, энергетики и систем управления, закрепить теоретические знания на практике.

В статье рассмотрен опыт создания в рамках внеурочной деятельности вакуумного двигателя из элементов LEGO с коробкой передач, работающего за счет разрежения воздуха учащимся 7 класса.

В основе вакуумного двигателя лежит идея преобразования энергии разреженного воздуха в механическое движение. В отличие от привычных поршневых двигателей, работающих за счет повышения давления сгорающих топливно-воздушных смесей, двигатель, рассмотренный в данной работе, функционирует за счет пониженного давления – вакуума, создаваемого бытовым пылесосом.

Рама двигателя выполнена из стандартных LEGO-пластин и балок, на которых закреплены цилиндр поршневой камеры, кривошипно-шатунный механизм, клапанный узел и интерфейс для подключения шланга пылесоса. Поршневую камеру изготавливают из цилиндрических деталей LEGO, подобранных таким образом, чтобы между стенками и поршнем сохранялось минимальное, но достаточное для работы уплотнение. Поршень имеет размеры, обеспечивающие сцепление с цилиндром без существенных утечек воздуха. Для создания обратного потока пружинное или маховичковое устройство не применяется: возврат поршня в исходное положение осуществляется за счет энергии, накопленной маховиком при предыдущем ходе, и синхронизируется с работой клапана, установленного непосредственно над камерой.

Клапанный узел состоит из одностороннего клапана, выполненного путем сочетания плоской LEGO-пластины и резинового уплотнителя, что позволяет воздуху выходить из камеры при создании разрежения (при работе пылесоса), но не впускать атмосферный воздух обратно до определенного момента. Это создает циклическое движение поршня: при включенном пылесосе внутри камеры устанавливается пониженное давление (вакуум), и поршень втягивается внутрь цилиндра, преодолевая силу сопротивления кривошипно-шатунной системы; затем, в фазе ослабления вакуума (при закрытии клапана), поршень посредством накопленной кинетической энергии маховика возвращается в исходное состояние, вытесняя остатки воздуха, но не допускает входа атмосферного давления во время хода вытягивания. Таким образом, обеспечивается непрерывный цикл движения поршня, который посредством шатунного звена передается на кривошип, приводя в движение выходной вал вращательного типа.

Особое внимание в конструкции уделено элементу регулировки разрежения – заслонки, представляющей собой вращающуюся шайбу с отверстием, вращающуюся внутри специального корпуса, соединенного с цилиндрической камерой. При полном открытии заслонки пылесос создает максимально возможное разрежение, и двигатель развивает максимальный крутящий момент при минимальной частоте вращения; при частичном перекрытии канала заслонка снижает разрежение, что позволяет снизить крутящий момент и увеличить частоту вращения выходного вала, поскольку двигатель начинает работать при менее интенсивном притяжении поршня.

Такая регулировка удобна для наглядной демонстрации учащимся взаимосвязи между разрежением, крутящим моментом и скоростью вращения.

Коробка передач, встроенная в двигательную установку, выполнена из стандартных LEGO-шестерен и осей. Основными элементами являются входной вал, набор шестерен разных диаметров, механизм переключения и выходной вал. Входной вал жестко соединен с валом вакуумного двигателя посредством сцепного элемента (муфты), что позволяет передавать вращающий момент без заметных люфтов. Набор шестерен включает в себя пары с передаточными числами 1:1, 2:1, 3:1 и 4:1 по отношению к входному валу. Выбор передачи осуществляется с помощью линейного рычага переключения, который перемещает промежуточную шестерню вперед или назад, обеспечивая зацепление с нужной парой зубчатых колес. Корпус коробки передач собран из LEGO-блоков таким образом, чтобы оси шестерен были закреплены в подшипниковых опорах, уменьшающих трение и повышающих плавность работы. Конструкция позволяет легко изменить набор и количество шестерен, экспериментируя с нестандартными передаточными числами или добавлять синхронизаторы (в виде полигональных шестерен со скользящими муфтами), что демонстрирует принципы синхронизации и согласования вращения валов.

Рис.1 Коробка передач

Принцип работы коробки передач в предлагаемой модели аналогичен автомобильному: при отпускании рычага в нейтральное положение все шестерни разобщены, и выходной вал остается неподвижным, несмотря на вращение входного вала; при выборе первой передачи на выходном валу устанавливается высокая передаточная пара (4:1), что обеспечивает большой крутящий момент, но небольшую частоту вращения (идеально для демонстрации работы силовых механизмов и подъемных устройств); при переходе на более высокие передачи передаточное число уменьшается, что повышает скорость на выходе, но снижает крутящий момент, демонстрируя ученикам общий закон сохранения энергии и принцип «момент против скорости».

Корпус вакуумного двигателя и коробки передач выполнен из LEGO-конструктора, что позволяет быстро модифицировать модель и тестировать различные варианты. Использование стандартных крепежных элементов и профилей делает возможным изменение конфигурации без применения дополнительных инструментов.

Важным учебным навыком, полученным учащимся при работе с данной моделью, является сборка сложной системы из множества отдельных деталей, настройка работы клапанного узла, регулировка заслонки и изменение передаточных чисел.

Рис. 2 Модель в сборе

Созданная модель имеет большой образовательный потенциал. Например, изучая характеристики передачи, учащиеся могут строить графики зависимости крутящего момента и скорости от передаточного числа, что развивает навыки обработки экспериментальных данных и интерпретации результатов. При этом простота конструкции позволяет использовать доступные инструменты измерения: стандартный тензодатчик для оценки крутящего момента, тахометр для измерения частоты вращения вала и манометр (вакуумметр) для контроля величины разрежения в камере.

Измерение характеристик двигателя и передачи способствует привлечению внимания школьников к инженерным дисциплинам и мотивирует их к дальнейшему обучению в области естественно-научных дисциплин. Кроме того, модель может служить идеальным наглядным пособием для уроков физики в инженерных классах.

Таким образом LEGO-инженерия способствует формированию у учащихся глубокого понимания инженерных основ, развивает пространственное мышление и понимание того, как взаимодействуют элементы механизма в едином устройстве, развивает навыки эксперимента, анализа и критического мышления, а также предоставляет возможность реализации практико-ориентированных межпредметных проектов, объединяющих физику, математику, информатику и технологии.

1. Большая книга идей LEGO Technic. Машины и механизмы / Йошихито Исогава ; [пер. с англ. О.В. Обручевой]. – Москва : Эксмо, 2021 – 328 с.
2. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego-конструкции оживают / С. М. Богданова, Е. Е. Попова // «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С.160-163.
3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319 с.