Как собрать конструктор шестеренки

Обновлено: 18.05.2024

Сначала я где-то увидела упоминание о конструкторе, который состоит из шестеренок, крепится с помощью магнитов на холодильник, и позволяет познавать базовые принципы механики. Затем был найдет этот конструктор на Aliexpress. Но поскольку готовилась к отправке посылка из Китая, приобрести я его решила на Taobao. Хочу сразу отметить, что разница в цене вышла незначительной. Поэтому где заказывать такой конструктор - выбор за вами.

Поставляется конструктор в простой картонной коробке. К чему относится цифра "62" я так и не поняла, но 82 - это, судя по всему, количество элементов. Те версии, что продаются на Aliexpress в описании имеют 81 элемент. Основной отличие от внутрикитайской версии - наличие батарейки. За границы Китая ее не вкладывают, а внутри Китая она есть в наличии.

Весь конструктор поставляется в двух пакетах. В первом - база-основание, на которую крепится вся механическая часть. Вторая - непосредственно шестеренки, фигурки и прочие дополнительные элементы.

Что должно быть в наборе.

Что есть по факту. 24 элемента основания четырех цветов.

Остальные элементы не пересчитывала, но вроде бы все соответствует заявленному.

О качестве. Каких-либо посторонних запахов нет. Конструктор ни чем не пахнет. Все элементы выглядят хлипкими, но пока со своими функциями справляются, ничего не сломалось. Есть некоторые нарекания к качеству фиксации. Опоры шестеренок на базу крепятся с усилием. А вот вытаскиваются с еще бОльшим усилием и помощью папы. А фигурки животных наоборот, во всех качелях-каруселях фиксируются плохо, и выпадают периодически.

Размеры элементов

Элементы в деталях. Шестеренки.

Привод. Работает от одной батарейки типа "АА". Скорость вращения небольшая. Выключатель маловат. Было бы лучше, если был не ползункового типа, а "качелей".

Фигурки и их применение. У меня в комплекте были три медведя и три обезьяны. Однако, это не показатель. Может быть и шесть одинаковых фигурок.

Обезьяны на карусели.

Медведи на своей карусели.

Медведь на качели.

Собирается конструктор, несложно, но помощь взрослых, наверняка, понадобиться. Все шестерни устанавливаются на специальное основание, которое с помощью четырех штырьков крепиться на основу. Точно такие же отверстия есть и на самих шестеренках. Они позволяют установить на них карусели или фигурки животных. Чего в конструкторе не хватает - так это возможности собрать полноценный редуктор. Но папа пообещал эту проблему решить, зафиксировав некоторые шестерни на их осях с помощью термоклея.

Вот так это выглядит в сборе. Вариантов комбинаций множество. Можно даже передавать вращение на 90 градусов и строить импровизированные машинки. Мы попробовали одну такую сделать, результат, увы, не удовлетворил. При приводе на одно "колесо" машинка крутиться вокруг своей оси. Передать привод на два колеса сложно, т.к. не хватает мощности привода и возникают большое потери при двух изменениях вектора тяги на 90 градусов.

Больше всего ребенку нравится в конструкторе возможность составлять и наблюдать работу различных конструкций. До самостоятельных решений пока далеко, но с помощью папы получаются забавные конструкции. Младшему ребенку (2,5 года) нравится просто включать и смотреть, как животные катаются на каруселях.

В комплекте идет лист с наклейками, которые можно наклеить на шестерни для большей красоты. Функционал шестерен после этого страдает - на них ничего невозможно закрепить.

С шестерёнками в нашем детстве обстояло даже хуже, чем с винтами. Эти зубчатые штуки неизменно привлекали внимание в часах и других механизмах, но самостоятельно сделать что-нибудь с ними удавалось нечасто. Моим детям повезло больше - они овладели зубчатой передачей, не дожидаясь трех лет. Как и в случае с винтовыми конструкторами, надо было всего лишь сделать шестерёнки большими и легкими.

Помню, когда мне было лет десять, на кружке технического творчества я собирал машину-вышку. Все детали были выпилены и склеены, и даже электромоторчик найден. Но оказалось, что он "не тянет" мою вышку. Я пытался сделать редуктор из шестеренок от сломанного будильника. Ничего не вышло, и вся работа пошла насмарку.

Моим детям повезло больше - они овладели зубчатой передачей, не дожидаясь трех лет. Как и в случае с винтовыми конструкторами, надо было всего лишь сделать шестерёнки большими и легкими.

FridgiGears

Это набор пластиковых шестеренок с магнитами, которые лепятся на холодильник, позволяя создавать произвольные зубчатые передачи. А в самой большой шестеренке - моторчик. Нажимаешь на нее рукой - и вся схема закрутилась.

Я купил этот конструктор старшему сыну Киту, когда ему было два с половиной. И даже придержал подарок какое-то время, выдал ему ближе к трем годам. Видимо, сработал стереотип о том, что "это сложно", да и на коробке было написано "3+". Оказалось, что и три года - не особенно рано. Дочка Ева научилась прилеплять колеса старшего брата на холодильник в 10 месяцев, а в полтора года уже собирала узоры из зубчатых передач и сама включала движок. Сейчас то же самое делает годовалый Лева.

Минус у этого конструктора только один - после частых бросаний на пол магниты отклеиваются от колес. Мы в этом случае прилепляем их обратно обычным пластилином.

Продавался FridgiGears в Москве в магазине Le Futur, но сейчас его там нет. Однако можно заказать его в зарубежных магазинах с доставкой в Россию: например здесьили здесь.

Junior Engineer Magic Gears

Тут уже не только шестеренки на одной плоскости, а множество деталей, из которых можно собирать разные механизмы. В России такой набор продается, например, в IQToys.

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Вопрос о моделировании шестерней поднимался неоднократно, но решения либо подразумевали использование серьезных платных программ, либо были слишком упрощенными и им не хватало инженерной строгости.

В этой статье я постараюсь с одной стороны, дать сухую мэйкерскую инструкцию, как смоделировать шестерню по нескольким легко измеряемым параметрам, с другой, не обойду и теорию.

В качестве примера возьмем шестерню от дроссельной заслонки автомобиля:

Это классическая цилиндрическая прямозубая шестерня с эвольвентным зацеплением (точнее, это две таких шестерни).

Принцип эвольвентного зацепления:

Для нас важно, что подавляющее большинство встречающихся в быту шестерней имеют именно эвольвентное зацепление.

Для изучения параметров шестерней воспользуемся программой с остроумным названием Gearotic. Мощнейшая узкоспециализированная программа для моделирования и анимирования всевозможных шестерней и передач.

Бесплатная версия не дает экспортировать сгенерированные шестерни, но нам и не надо. Непосредственно моделировать будем позже.

Итак, запускаем Gearotic

Первые два столбца Wheel и Pinion

Wheel - это будет наша шестерня, а Pinion - ответная часть, которая нас в данном случае не интересует.

Teeth - количество зубьев

Mods - модификаторы формы зуба. Самый простой способ понять, что они делают - поварьировать их. Не все параметры применяются автоматически. После изменения нужно нажимать кнопку ReGen. В нашем случае (как и в большинстве других) оставляем эти значения по умолчанию.

Галка Planetary - выворачивает шестерню зубьями внутрь (коронная шестерня).

Галка Rght Hnd (Right Hand) - меняет направление скоса у косозубых шестерней.

Блок Size Params

DP (Diametral Pitch) - число зубьев, деленное на диаметр делительной окружности (pitch diameter)

Неинтересный для нас параметр, т.к. измерять диаметр делительной окружности неудобно.

Module (модуль) - важнейший для нас параметр. Вычисляется по формуле M=D/(n+2), где D - внешний диаметр шестерни (легко измеряемый штангенциркулем), n - число зубьев.

Pressure Angle (угол профиля) - острый угол между касательной к профилю в данной точке и радиусом - вектором, проведенным в данную точку из центра колеса.

Существуют типичные значения этого угла: 14.5 и 20 градусов. 14.5 используется гораздо реже и в основном на очень маленьких шестернях, которые на FDM-принтере всё равно отпечатаются с большой погрешностью, так что на практике можно смело ставить 20 градусов.

Rack Fillet - сглаживание основания зуба. Оставляем 0.

Блок Tooth Form

Оставляем Involute - эвольвентное зацепление. Epicylcoidal - циклоидное зацепление, используемое в точном приборостроении, например, в часовых механизмах.

Face Width - толщина шестерни.

Spur - наша прямозубая шестерня.

Helical - косозубая шестерня:

Вернемся к нашей шестерне.

Большое колесо имеет 47 зубьев, внешний диаметр 44.6 мм, диаметр отверстия 5 мм, толщину 6 мм.

Модуль будет равен 44.6(47+2)=0.91 (округлим до второго знака).

Вносим эти данные:

Слева расположена таблица параметров. Смотрим Outside Diam (внешний диаметр) 44.59 мм. Т.е. вполне в пределах погрешности измерения штангенциркуля.

Таким образом мы получили профиль нашей шестерни, выполнив всего одно простое измерение и посчитав количество зубьев.

Укажем толщину (Face Width) и диаметр отверстия (Shaft Dia в верхней части экрана). Жмем Add Wheel to Proj для получения 3d-визуализации:

Увы, бесплатная версия не дает экспортировать результат, поэтому придется задействовать другие инструменты.

Устанавливаем FreeCAD Кто не владеет Фрикадом - не волнуйтесь, глубоких знаний не потребуется. Скачиваем плагин FCGear.

Находим папку, куда установился Фрикад. В папке Mod создаем папку gear и помещаем в нее содержимое архива.

После запуска Фрикад в выпадающем списке должен появиться пункт gear:

Выбираем его, затем Файл - Создать

Нажимаем на иконку involute gear вверху экрана, затем выделяем появившуюся шестерню в дереве слева и переходим на вкладку 'Данные' в самом низу:

В этой таблице параметров

teeth - количество зубьев

height - толщина (или высота)

alpha - угол профиля

backlash - значение угла для косозубых шестерней (мы оставляем 0)

Остальные параметры являются модификаторами и, как правило, не используются.

Вносим наши значения:

Добавим еще одну шестерню.

Укажем высоту 18 мм (общая высота нашей исходной шестерни), количество зубьев - 10, модуль 1.2083 (диаметр 14.5 мм)

Осталось сделать отверстие. Перейдем на вкладку Part и выберем Создать цилиндр. В Данных укажем радиус 2.5 мм и высоту 20 мм

Удерживая клавишу Ctrl выделим в дереве шестерни и нажмем Создать объединение нескольких фигур на панели инструментов.

Затем, опять же удерживая Ctrl, выделим сначала получившуюся единую шестерню, а затем цилиндр и нажмем Выполнить обрезку двух фигур

Далее выделяем результат, Файл - Экспортировать. сохраняем в stl. Шестерня готова.

P.S. Хотел еще немного поговорить об экзотических случаях, но статья получилась большой, так что наверное, в другой раз.

Подпишитесь на автора

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Про моделирование и печать шестеренок здесь написано достаточно. Однако, большинство статей предполагают использование спец. программ. Но, у каждого пользователя есть своя «любимая» программа для моделирования. Кроме того, не все хотят устанавливать и изучать дополнительный софт. Как же моделировать профиль зуба шестерни в программе, где не предусмотрено вычерчивание эвольвентного профиля? Очень просто! Но муторно… :)

Нам понадобится любая программа, которая может работать с 2D графикой. Например, ваша любимая программа! Она работает с 3D? Значит и с 2D сможет! ;) Строим профиль эвольвентного зуба без коррекции. Если кому-то захочется построить корригированный зуб, он может с этим разобраться самостоятельно. Информации полно - и в интернете, и в литературе. Если в вашей шестеренке зубьев больше 17-ти, то вам коррекция не понадобится. Если же зубьев 17 или меньше, то без коррекции возникает «утоньшение» ножки зуба, а при чрезмерной коррекции возникает заострение вершины зуба. Что выбрать? Решать вам.

Определяем делительную окружность шестерни. Зачем это нужно? Чтобы определить межосевое расстояние. Т.е. где у вас будет располагаться одна шестерня, а где другая. Сложив диаметры делительных окружностей шестеренок и разделив сумму пополам, вы определите межосевое расстояние.

Чтобы определить диаметр делительной окружности нужно знать два параметра: модуль зуба и количество зубьев. Ну, с количеством зубьев – тут всем все понятно. Количеством зубьев на одной и другой шестерне определяется нужное нам передаточное отношение. Что такое модуль? Чтобы не связываться с числом «пи», инженеры придумали модуль. :) Как вы знаете из курса школьной математики: D= 2 «Пи» R. Так вот, что касается шестеренок, там D = m* z, где D – это диаметр делительной окружности, m – модуль, z – количество зубьев. Модуль – величина, характеризующая размер зуба. Высота зуба равна 2,25 m. Модуль принято выбирать из стандартного ряда величин: 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32 (ГОСТ-9563). Можно ли придумать «свой» модуль? Конечно! Но ваша шестеренка будет нестандартная! ;)

Чертим делительную окружность. У кого нет подходящей «проги», чертит на бумаге, фанере или металле! :) От делительной окружности «откладываем» наружу на величину модуля (m) окружность вершин зубьев. Внутрь откладываем модуль и еще четверть модуля (1,25 m) - получаем окружность впадин зубьев. Четверть модуля дается на зазор между зубом другой шестерни и впадиной этой шестерни.

Строим основную окружность. Основная окружность – это окружность, по которой «перекатывается» прямая линия, своим концом вычерчивая эвольвенту. Формула для расчета диаметра основной окружности очень простая: Db = D * cos a, где а – угол рейки 20 градусов. Эта формула нам не нужна! Все гораздо проще. Строим прямую линию через любую точку делительной окружности. Удобнее взять самую высокую точку, на «12 часов». Тогда линия будет горизонтальная. Повернем эту линию на угол в 20 градусов против часовой стрелки. Можно ли повернуть на другой угол? Думаю, можно, но не нужно. :) Кому интересно, ищем в литературе или интернете ответ на вопрос.

Прямую линию, которую мы получили, будем поворачивать вокруг центра шестерни маленькими угловыми шагами. Но, самое главное, при каждом повороте против часовой стрелки будем удлинять нашу линию на длину той дуги основной окружности, которую она прошла. А при повороте по часовой стрелки наша линия будет укорачиваться на ту же величину. Длину дуги или мерим в программе, или считаем по формуле: Длина дуги = (Пи * Db * угол поворота (в градусах)) / 360

«Прокатываем» прямую линию по основной окружности с нужным угловым шагом. Получаем точки эвольвентного профиля. Чем точнее хотим строить эвольвенту, тем меньший угловой шаг выбираем.

К сожалению, в большинстве программ автоматического проектирования (CAD) не предусмотрено построение эвольвенты. Поэтому эвольвенту строим по точкам либо прямыми, либо дугами, либо сплайнами. При построении эвольвента заканчивается на основной окружности. Оставшуюся часть зуба до впадины можно построить дугой того же радиуса, который получается на трех последних точках. Для 3D печати я рисовал эвольвенту сплайнами. Для лазерной резки металла мне пришлось рисовать эвольвенту дугами. Для лазера нужно создать файл в формате dwg или dxf (для некоторых, почему-то, только dxf). «Понимает» лазер только прямые, дуги и окружности, сплайны не понимает. На лазере можно сделать только прямозубые шестерни.

Делим окружность на такое количество частей, которое в 4 раза больше количества зубьев шестерни. Эвольвенту отзеркаливаем относительно оси зуба и копируем с поворотом нужное количество раз.

Чтобы получить шестерню в объеме, то задаем толщину и получаем прямозубую цилиндрическую шестерню:

Если нужна косозубая шестерня, то вводим наклон зубьев и получаем:

Для получения шевронной шестерни, нужно отзеркалить косозубую шестерню относительно нужной торцевой поверхности:

Как смоделировать коническую шестерню, придумайте сами. :)

К вопросу о точности шестеренок. Те шестеренки, которые я распечатал на 3D принтере, сначала вращались, издавая легкое поскрипывание. Прошло некоторое время, и звук прекратился. Шестеренки «притерлись». :)

После модернизации принтера, шестеренки не печатал. Возможно, сейчас они напечатаются более точно, и не будут скрипеть.

Для вакуумной машины смоделировал пару – «шестерня-рейка». Их вырезали на лазере:

Рейка будет перемещать прижимную рамку с материалом (листовой АБС) из области нагрева в область вакуумного формования. Рейка и шестерня еще не испытывались. Возможно, придется «дорабатывать напильником». На рейке и шестерне видны «волны» от лазера – слишком толстый металл. Они то и могут заклинить. А, может, разработается. :) Время покажет!

Подпишитесь на автора

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Всем участникам сообщества добрый день.

Я хотел найти способ чертить шестерни под свои нужды. На 3Dtoday предлагается много вариантов, но нужно разбираться в шестернях. Если задать все параметры, то конечно получится то, что должно. Но, честно сказать, разобраться до конца сходу не получилось.

Поначалу попробовал сделать шестерню 'в лоб': начертил на глаз что-то похожее и что-то получилось конечно, но не очень. Далее попробовал сделать косозубую шестерню:

Оказалось ничего не получится, перебирал разные значения, все не то. Косозубая нужна чтобы уменьшить шум и увеличить плавность хода.

Дальнейшие поиски (среди кучи всего что есть) привели на онлайн калькулятор-генератор шестеренок: ссылка

И все хорошо, минимум задаваемых параметров и получаем шестеренку с эвольвентным профилем и сразу STL модель, бери да печатай. Вот оно)).

Но есть недостаток: неизвестно расстояние между осями, а оно важно.

Пришлось воспользоваться ещё одной программой: скачать можно отсюда. Она бесплатная. Скриншот:

Задается модуль и количество зубьев. Что такое коэффициент смещения пока не разбирался.

Все достаточно понятно становится. А 25 градусов потому, что при них - минимально рекомендуемое количество зубьев 9. А при 20 градусах - 13 зубьев. Просто из-за компактности.

В результате получаем файл dxf:

И самое главное известно расстояние между осями. В комментариях пишут, что профиль не совсем правильный, но применительно к напечатанным шестерням это думаю не критично: притрется)).

Далее его можно использовать как эскиз и выдавить нужную шестреню и распечатать.

Данный эксперимент применительно к моему принтеру: у меня сопло 0,6. Модуль 0.8 слева, 0,9 справа. 9 и 37 зубов.

Модуль определяет размер зуба и соответственно размер шестерни. Для моего сопла модуль меньше 0,8 не стоит делать.

В работе еще не проверял. Это пища для ума.

Всем приятной печати.

Подпишитесь на автора

Читайте также: