Передачи WeDo 2.0: пять видов на деталях одного набора

У мотора WeDo 2.0 на выходе всегда одно и то же — вращение вала, но моделям нужны разные характеристики: вентилятору — скорость вращения выше, чем у мотора, а тираннозавру — в двадцать четыре раза ниже и с большим усилием. Эту разницу делают механические передачи WeDo 2.0 — связки шестерён и ремней между мотором и тем, что должно двигаться. Видов пять: зубчатая, коническая, червячная, реечная и ременная. Все собираются из деталей одной коробки, и каждую можно посмотреть вживую на моделях нашего каталога.

Как передача меняет вращение

Передача — это цепочка деталей, по которой вращение доходит от мотора до рабочего узла — колеса или лапы. По пути она может изменить направление вращения, скорость и усилие. Выходная ось может вращаться в другую сторону или под углом к оси мотора, а её скорость бывает выше или ниже скорости моторного вала. Скорость и усилие связаны обратно: чем медленнее вращается ось, тем сильнее она тянет, и наоборот. Оба выигрыша сразу получить нельзя. Передаточное отношение считают по зубьям: число зубьев ведомой шестерни (которую крутят) делят на число зубьев ведущей (которая крутит).

Детали для всех пяти передач лежат в базовой коробке: цилиндрические и конические шестерни, червяк в прозрачном кейсе, зубчатые рейки, шкивы и резиновые кольца-ремни. Сколько чего кладут по описи оригинального набора LEGO Education 45300, мы разбирали в статье о составе набора. Комплектации бывают разные — чем они отличаются, написано в гиде как выбрать набор WeDo 2.0.

Зубчатая (цилиндрическая) передача

Собрать её из конструктора проще всего: две шестерни на параллельных осях, зубья входят в зацепление. Её же называют цилиндрической. Сцепленные шестерни вращаются в противоположных направлениях: малая в одну сторону, большая в другую.

Разглядывать её лучше всего на «Пауке с редуктором». Между двумя лаймовыми кирпичиками там стоят три шестерни в ряд: в середине малая на 12 зубьев, по краям две большие на 20, каждая на своей оси. Средняя шестерня — ведущая: пять оборотов её вала дают три оборота лап, при этом усилие вырастает во столько же раз. А обе большие идут в одну сторону, ведь каждая сцеплена с одной и той же малой — между собой они не соприкасаются.

Есть у паука и вторая пара, незаметная: на валу мотора шестерня на 8 зубьев, под ней ещё одна такая же. Эта пара не меняет скорость, а передаёт вращение на ряд ниже, к редуктору.

Коническая передача под прямым углом

У зубчатой передачи есть жёсткое условие: оси параллельны. А если мотор лежит вдоль корпуса, а крутить нужно ось поперёк? Цилиндрические шестерни в таком положении не зацепятся. Для этого случая в наборе есть конические — зубья у них скошены, и две такие шестерни сцепляются под прямым углом.

В «Гоночной машине с крыльями» на оси мотора стоит чёрная двойная коническая шестерня на 20 зубьев. С ней сцеплена бежевая, тоже на 20, только повёрнутая на четверть оборота: её ось уходит поперёк корпуса, к колёсам. Поскольку зубьев поровну, скорость остаётся прежней, а направление вращения меняется. Вся пара умещается в зазоре между рамой и балкой борта — промежуточный вал не понадобился.

Коническую пару можно использовать и для замедления. В «Вертолёте с витым проводом» чёрная шестерня на 12 зубьев ведёт бежевую на 20: пять оборотов вала — три оборота винта.

Червячная передача: почему поднятый ковш не падает

У «Трактора с ковшом» ковш поднимают вручную — жёлтым шариком, торчащим из борта; в этой модели мотор приводит в движение колёса. Покрутите шарик, поднимите в ковше груз и отпустите. Ковш остаётся наверху, хотя защёлки в конструкции нет.

Мотор, СмартХаб и два датчика — в наборе РобоГуру 2.0 на 280 деталей. Купить — 3 490 ₽  →

Держит его червячная передача. Червяк — деталь с винтовой нарезкой, похожая на толстый короткий шуруп; колесом называют шестерню, которую он вертит. Для этой пары в наборе есть прозрачный кейс: червяк помещают внутрь, а колесо устанавливают сверху, поэтому отдельное крепление собирать не нужно. За полный оборот червяк продвигает колесо на один зуб — всего пятнадцать градусов, если зубьев двадцать четыре. Ровно такое колесо стоит у трактора и у «Зелёного тираннозавра»: двадцать четыре оборота червяка — один оборот оси. Скорость падает в двадцать четыре раза, усилие вырастает почти во столько же. Часть съедает трение витков.

Теперь про «висит и не падает». Червяк легко вращает колесо, но колесо почти не может провернуть червяк: нарезка червяка идёт слишком полого, и трение удерживает механизм на месте. Поэтому нагруженный ковш остаётся наверху, а выключенный тираннозавр не оседает на пол. Такая защита не бывает стопроцентной: у настоящих грузовых лебёдок рядом с червяком ставят тормоз, потому что от вибрации трение падает. Тот же механизм используют в колке гитары: колок наматывает струну, но её натяжение не раскручивает механизм обратно.

Реечная передача для движения по прямой

Четыре другие передачи передают вращение между осями. Реечная — единственная в наборе WeDo 2.0, которая превращает вращение в движение по прямой: шестерня входит в зацепление с зубчатой рейкой, длинной планкой с зубьями, и перемещает её вбок. Так устроен реечный рулевой механизм автомобиля. Шестерня на валу рулевой колонки двигает рейку влево-вправо, а тяги на её концах поворачивают колёса.

С моделями надо быть честными: рейки в коробке есть, а рабочего зацепления в наших разборах нет ни у одной модели. У «Джипа» рейки лежат на капоте зубьями вверх и ни с чем не сцеплены, у тираннозавра те же детали стоят в пасти и работают зубами. Красивая работа, но не передача. Поэтому на фото ниже — настоящий автомобильный механизм в разрезе, а не детали набора.

Рабочий пример всё же есть. В библиотеке моделей приложения WeDo 2.0 лежит механизм «Толчок»: четыре рейки уложены попарно, как рельсы, шестерни на 8 зубьев гоняют их вперёд-назад — вращение превращается в толчки по прямой. На этом механизме собран богомол из серии «Космический десант». Инструкция этого механизма есть и в нашем каталоге сборок — наберите в поиске слово «Толчок».

Ременная передача со шкивами

Типичная ошибка первого занятия: нужно передать вращение на дальнюю ось, под рукой красное резиновое кольцо — и ребёнок растягивает его через полмодели. Перетянутая резинка долго не живёт. Предупредите заранее: для дальних осей в наборе есть жёлтое кольцо, подлиннее. Бывает и обратная беда — кольцо по размеру, но шкивы поставили слишком близко: ремень провисает и проскальзывает.

Сама передача — это два шкива и кольцо между ними; шкив — колесо с клиновой канавкой по ободу. Зубьев нет, работает трение: под нагрузкой кольцо глубже вжимается в канавку и держит крепче. Крутятся оба шкива в одну сторону — в отличие от пары шестерён.

Проскальзывание — это ещё и защита. У «Кассы с конвейерной лентой» один мотор вертит три ролика двумя красными кольцами. Придержите ролик пальцем — кольцо прошуршит по шкиву, мотор продолжит крутиться. С шестернями такой номер не проходит: зуб упирается в зуб, и застрявшее колесо останавливает весь привод.

Ременную передачу можно использовать и между осями под прямым углом, где обычно ставят коническую пару. В «Тракторе с лебёдкой» шкивы развёрнуты друг к другу на 90°, кольцо ложится между ними с перекрутом на четверть оборота — и вращение поворачивает на прямой угол. В учебниках такую передачу зовут полуперекрёстной.

Повышающая, понижающая и нейтральная передача

У всех пяти видов есть общее. Важно, какая деталь ведущая: если малая шестерня ведёт большую, выходная ось вращается медленнее, зато тянет сильнее — это понижающая передача. Если большая шестерня ведёт малую, получается повышающая передача: выходная ось вращается быстрее, но развивает меньшее усилие. Одинаковые шестерни или одинаковые шкивы не меняют скорость вращения; такую пару называют нейтральной.

Передача	Кто ведёт	Что растёт	Что падает
Понижающая	малая шестерня	сила	скорость
Повышающая	большая шестерня	скорость	сила
Нейтральная	детали одинаковые	—	—

В наших разборах моделей повышающая передача нашлась ровно одна — у настольного «Вентилятора»: на валу мотора шестерня на 20 зубьев, на роторе — на 12, три оборота мотора дают пять оборотов ротора. Нагрузка на лопасти невелика, поэтому здесь важнее скорость. А в гоночной машине с крыльями стоит нейтральная пара 20 на 20: коническую пару там поставили ради поворота оси, а не ради скорости. Понижающие стоят там, где модель везёт груз, — у «Марсохода с камерой» малая шестерня ведёт большую, ось крутится медленнее моторного вала и тянет сильнее.

Наиль Кашапов, учитель информатики из казанской школы № 49, описывал на pedsovet.org приём для кружка: после гонок роботов ученики разбирают, почему тяжёлая машина пришла к финишу первой. Ответ находится в передачах.

С чего начать эксперименты

Начинать лучше не с модели, а с голой пары: балка, две оси, малая и большая шестерни. Покрутите шестерни рукой, чтобы увидеть встречное вращение и разницу в их скорости.

Затем переходите к моделям, схемы которых лежат в каталоге сборок. Все они собираются из деталей нашего набора РобоГуру. Начните с паука, у которого шестерни на виду, а червячную передачу оставьте напоследок, чтобы проверить фиксацию поднятого ковша.

Работу передач в моделях с характером можно посмотреть в подборке роботов-динозавров: у плезиозавра используется ременная передача, у анкилозавра — червячная.