变速电钻
【活动目标】
- 1、认识电钻的作用。
- 2、学习齿轮传动。
- 3、利用冠齿传动和两点一线，搭建电钻。
【活动引入】
一、变速电钻的童话故事
从前，有一个叫小明的孩子。他很喜欢制作一些小玩具和手工艺品，但是他只有一个普通的电钻，总是无法满足他的需要。于是，他开始寻找一个更加强大的电钻。
有一天，他听说了一个神奇的变速电钻，它可以根据工作需要自动调整转速。小明非常着迷，决定去寻找这个神奇的电钻。
他走遍了整个城市，向每个工具店和市场打听变速电钻的消息。最终，他在一家偏僻的工具店里找到了这个特殊的电钻。
老板告诉小明，这个电钻有一个魔法按钮，按下去就可以自动调整转速。但是，这个按钮非常昂贵。
小明想了想，认为这个电钻值得一试。于是，他拿出了所有积蓄买下了这个电钻和那个魔法按钮。
回到家，他立刻开始测试这个电钻。不出所料，电钻的表现非常优秀。当他需要高速旋转时，电钻自动加速；当他需要低速旋转时，则会自动降低速度。
最后，小明成功地制作了他一直梦想的玩具模型。他感到非常满足，因为他知道这个电钻将陪伴他进行更多的创造。
从那天起，小明成为了所有孩子心目中的英雄，因为他拥有了一个神奇的变速电钻，它可以让他的手工艺品更加完美。
本节课将深入了解变速电钻的起源和为什么能变速，以及主要用途和注意事项。让我们一起来学习吧！
二、变速电钻的起源
变速电钻是一种电动工具，它可以通过调整转速来适应不同的工作需求。其起源可以追溯到 20 世纪初期的美国。1900 年，美国工程师 Wilhelm Fein 发明了第一台手持式电动钻机，并在 1914 年开始商业化生产销售。而变速电钻则是在 20 世纪 50 年代由 Black & Decker 公司推出的。
1917 年，美国发明家约瑟夫·斯科特（Joseph W. Skirrow）获得了一项名为 “制造自动控制器的装置” 的专利。这项装置可以将直流电动机的转速控制在一个范围内，并可以进行调整。然而，这个设备并没有实际应用于电钻等工具上。
最初的电钻通常只有一个固定的转速，由于其操作简单和便携性好，很快就受到了广泛的应用。但是，在实际使用过程中，用户会发现有些材料需要不同的转速才能钻孔，因此，Black & Decker公司开始开发可调节转速的电钻，并在 1954 年推出了第一款变速电钻，从而满足了用户对不同转速需求的要求。
随着时间的推移和技术的进步，变速电钻逐渐得到改进，如增加扭力控制、提高精度等，可变速电钻也逐渐成为正式的电动工具产品系列，并广泛应用于建筑、木工和金属加工等领域。
现代变速电钻通常采用电子调速技术和先进的电机设计，可以实现更精确的转速控制和更高的工作效率。
三、变速电钻为什么能变速
变速电钻之所以能够变速，是因为其配备了可变速控制系统。这个系统可以控制电机的转速，从而实现电钻的转速调节。
一般而言，变速电钻会配备一个旋钮或开关，用于设置电钻的转速。通过这个旋钮或开关，用户可以随时调整电钻的转速，以适应不同的工作需求。
变速电钻的转速调节原理是利用电动机的电源电压和相位进行调节。在使用过程中，控制系统会自动检测电动机的负载情况，并根据需要调节电源电压和相位，从而精确地控制电动机的转速。
总之，变速电钻能够变速，是因为其内置了可变速控制系统，能够根据用户的需要精确控制电动机的转速。
日常生活中需要用到手电钻的场景主要是装修和一些家具、家庭维修方面，下面就给大家介绍下电钻在日常生活中的主要用途，以及手电钻的使用安全注意事项。
四、电钻日常生活中的主要用途
1、装修场景：家庭装修过程中经常会遇到需要穿墙、打孔的地方，还有设备的安装，这些场景都需要用到手电钻，不过这个场景除非自己装修，不然大多数还是由装修工人来完成的。
2、墙上挂东西场景：例如挂个照片墙、挂个结婚照或者一副画、厨房、卫生间装一个置物架等等这些场景都需要用到手电钻。
3、家庭维修场景：桌椅等家具使用久了难免会有所松动，可以用手电钻重新打孔固定；部分安装在墙上的设备因为重力原因年久需要加固，这个时候也需要用到手电钻；一些老旧设备螺丝锈死拧不开，用手电钻就可以拧开。
手电钻必定是一种手持式的电动工具，而且能够穿墙打孔所以破坏力也是比较大，使用的时候要特别注意安全，下面就给大家介绍下电钻日常使用中需要注意的几点。
五、电钻的注意事项
电钻是一种常见的电动工具，主要用于在木材、金属、混凝土等硬质材料上钻孔或打孔。以下是电钻的一些注意事项：
注意事项：
- 安全使用：使用电钻时需要戴上安全镜、手套和防护口罩等安全装备，以保护自己免受意外伤害。
- 电钻选择：根据需要的功能、功率和大小选择合适的电钻。对于需要长时间使用的任务，应选择具有高级别的制造质量和耐用性的电钻。
- 钻头选择：根据不同材料选择适合的钻头，以确保在材料上钻孔时效果最佳。
- 保持平稳：在使用电钻时，需要保持平稳，不要施加太大的力量，以免导致手部和腕部受伤。
- 断电：在更换钻头、拆卸附件或进行其他维护操作之前，务必断开电源并等待电钻完全停止旋转。
有一天，一个工人在上班的时候，他忘记带电钻。没有电钻，他就不能工作。所以今天让我们一起帮他搭建一个变速电钻吧！
【活动准备】
乐高积木9686套装
本次所用零件：
| 底片 | 轴 | 销 | 梁 | 轴套 | 齿轮 | 其它 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2*6蓝色底片【2】 | 8轴【1】 | 黑色摩擦销【2】 | 1*4蓝色镶嵌梁【2】 | 灰色轴套【2】 | 8齿轮【3】 | 电池盒【1】 |
| 10轴【2】 | 蓝色长销【1】 | 1*16蓝色镶嵌梁【2】 | 16齿轮【1】 | 中型马达【1】 | ||
| 红色套栓【2】 | 蓝色“L”型角梁【1】 | 24齿轮【2】 | ||||
| 40齿轮【1】 | ||||||
| 冠齿轮【1】 |
【活动过程】
步骤图
变速电钻常由电钻头、传动装置和供能手柄组成，我们也按照这样的组成来制作变速电钻。
- 制作变速电钻的电钻。
- 制作传动装置和供能手柄。
- 完成后，就可以组合成变速电钻了。
graph TB
传动装置-->供能手柄
电钻头-->供能手柄
供能手柄-->变速电钻
第一步
先搭建电钻的核心的传动装置，起到变速的效果。
使用的材料有：1* 4蓝色镶嵌梁2个、1* 16蓝色镶嵌梁2个、2* 6蓝色底片2个、黑色摩擦销2个、10轴2个、灰色轴套1个、冠齿轮1个、8齿轮1个、24齿轮1个、红色套栓2个、蓝色“L”型角梁1个、蓝色长销1个。
第二步
搭建一个多极的电钻头。
使用的材料有：8轴1个、8齿轮2个、16齿轮1个、24齿轮1个、40齿轮1个、灰色轴套1个。
第三步
安装电源手柄，组合好后我们的变速电钻完成啦！
使用的材料有：电池盒1个、中型马达1个。
【问题思考】
一. 提出问题
- 1、电钻用到的齿轮是加速装置还是减速装置？
- 2、如何避免电钻工作时受冲力而散架？
二. 问题回答
- 1、加速装置，加速更符合电钻的使用。
- 2、加固电钻的支撑架。
【科学知识】
机械原理
变速电钻的机械原理基本上与常规电钻相同，都是通过将电能转化为机械能来实现。它主要由电动机、传动系统、变速控制器和钻头组成。
在变速电钻中，电动机是核心部件，它负责转换电能为机械能。传动系统包括齿轮和离合器等机构，用于改变电动机的输出转矩和速度。变速控制器则用于控制电动机的输入电压和频率，以实现变速效果。而钻头则是变速电钻的工作部件，用于将旋转动能转化为冲击能，从而进行钻孔操作。
变速电钻的特殊之处在于其变速控制器。这种控制器可以通过调节电动机的输入电压和频率来改变电动机的输出转矩和速度，从而实现不同的钻孔需求。当需要高转矩时，变速控制器会降低电动机的输出速度，并增加输出的扭矩；而当需要高速钻孔时，则会提高输出速度，减少输出扭矩。
总的来说，变速电钻的机械原理是通过电动机、传动系统、变速控制器和钻头的协作，实现将电能转化为机械能，并通过变速控制器来调节输出转矩和速度，从而实现不同的钻孔需求。
电钻扭矩调整结构原理
电钻扭矩调整结构是为了满足不同工作需求而设计的，其原理是通过使用不同的扭矩设置来控制电钻输出的扭矩大小。
通常情况下，电钻扭矩调整结构由一个调节环和一个扭矩限制环组成。调节环通常位于电钻手柄上方或者电钻机身上，用户可以通过旋转调节环来改变电钻的扭矩输出大小。调节环上通常有一些数字或符号表示不同的扭矩设置。
当调节环上的扭矩选择与所需工作相匹配时，用户启动电钻，此时电钻将在设定的扭矩范围内工作。一旦达到设定扭矩值，扭矩限制环便会触发，停止电钻继续施力，从而避免过量施力损坏工件或器具。
需要注意的是，电钻的最高扭矩取决于其电机的功率和设计，因此应根据产品说明书进行正确使用和设置，以确保工作的安全性和效果。
扭矩限制器结构
扭矩限制结构是一种保护装置，可以限制机械设备或工具施力时的扭矩大小。在电钻中，扭矩限制结构通常由一个扭矩限制环组成。当电钻达到预设扭矩值时，扭矩限制环便会触发，停止电钻继续施力，从而避免过量施力损坏工件或器具。
扭矩限制结构可以根据设计要求进行调整和设置，以适应不同的工作需求。一些高端电钻配备了数字显示屏幕，可以实时显示电钻输出的扭矩值和设置值，方便用户进行精确控制。
需要注意的是，在使用电钻时一定要正确地设置扭矩限制值，以确保工作的安全性和效果。如果扭矩限制值设置过低，可能会导致电钻无法完成其工作；如果设置过高，可能会损坏工件或者危及操作人员的安全。因此，使用前应仔细阅读产品说明书，并按照其指示正确地设置扭矩限制值。
行星齿轮
行星齿轮是一种常见的机械传动装置，由太阳轮、行星轮和内齿圆环组成。它们以一定的方式相互嵌合，通过齿轮间的啮合传递转矩和速度，从而实现机械装置的运转。
行星齿轮广泛应用于各种设备和产品中，例如汽车变速箱、风力涡轮发电机、工业机器人、航空航天领域等。在这些产品中，行星齿轮通常被用作减速器或者变速器，其作用是将高速低扭矩的驱动源转换为低速大扭矩的输出，从而满足不同的工作需求。
除此之外，行星齿轮的结构紧凑、传动效率高、负载分配均匀等特点，也使得它可以用于各种需要精准传动的场合，例如工业机器人的关节传动、3D 打印机的控制系统等。
行星齿轮是一种重要的传动装置，其优缺点如下：
优点：
- 大传动比：行星齿轮传动机构可以实现大传动比，使得驱动轴转速高于从动轴转速。
- 负载分布均匀：行星齿轮的行星轮与太阳轮与固定轮组成了三点支撑结构，因此传递的力矩分布均匀，能够承受较大的负载。
- 紧凑结构：行星齿轮的构造紧凑，占用空间小，且具有较高的传递效率和精度。
- 可实现自锁功能：行星齿轮传动机构可通过设置倒档器变速机构等机构实现自锁功能。
缺点：
- 制造复杂：行星齿轮由多个部件组成，制造工艺较为复杂，加工精度要求较高，因此成本较高。
- 磨损大：行星齿轮在工作过程中的摩擦磨损较大，需要经常进行维护和保养。
- 不适合高速运转：由于行星齿轮是通过滚动方式传递动力，因此不适合高速运转，容易产生热量和噪声。
【举一反三】
- 1、如何减少钻头的损坏率？
- 2、如何减少齿轮间摩擦所产生的热量？
