第 84 回全国会議資料 平成 31 年 2 月 27 日町田市少年少女発明クラブ指導員中島良浩 1
1. 第 4 回 (2013 年 ) 以降は基本的にルールは同じ ( 動力車と山車を連結してパフォーマンス ) 2. スコア構成 ( 第 9 回 :2018 年 ) a. 15 点 : 作品構造に関する客観評価 ( 加点項目 ) b. 35 点 : 走行に関する客観評価 ( 時間内走行 コースアウト回数 ) c. 50 点 : パフォーマンス評価 ( 審査員による評価 ) パフォーマンス 構造 15% 走行 ( 完走 ) 走行点は総得点の 35% だが 完走できなければ 10 点減点走り切れなければパフォーマンスも活きない 走行性能はチャレコン作品の基礎 50% 10% 走行 25% 2
山車のパフォーマンスを引き出せる動力車に必要な仕様 速度 パワートレイン ( 電源 モーター ギヤボックス ) 操舵 牽引力? ( 実はこれが重要 ) 3
概ね 1km/h( 歩く速度の 1/4 程度 ) が必要 参考 走行タイムテーブル スタート 00 秒動力車スタート (1m 後退 ) <5 秒 > 05 秒動力車が山車と連結開始 ( 山車を連結 ) <0~5 秒 > 10 秒動力車が連結して山車を牽引開始 (11m 蛇行コース走行 ) <40~50 秒 > ゴール!50~60 秒動力車がゴールラインに到達 山車を牽引しながら 40 秒で 11m の蛇行コースを走り切る 必要な速度は 11m/40 秒 =0.275m/ 秒 =16.5m/ 分 1km/ 時 4 これは 歩く速度 (4km/h) の 1/4 程度
山車を牽引できるだけのモーターと電源 ( 電池 ) 協会支給 山崎教育システム Q ブロックギヤスピードセット ギヤ比は 1:6, 1:30, 1:160 の 3 種類モーターは 2 種類から選択 (FA-130 か RE-260 が使用可能 ) 添付モーターは RE-260 http://www.yamazaki-kk.com/ 協会支給のギヤボックスを使いこなす 牽引力重視 : 1:160 のギヤ比とし モーターを過電圧で稼働 ( オーバードライブ ) 速度重視 : 1: 30 のギヤ比とし モーターの電圧を調整 5
FA-130RA/RE-260RA は 1.5V~3.0V が定格 ( マブチモーターサイトより ) https://www.mabuchi-motor.co.jp/motorize/branch/motor/ FA-130RA RE-260RA 使用電圧範囲 1.5 3.0V 適正電圧 1.5V 適正負荷 0.39mN m(4.0gf cm) 無負荷回転数 8,600r/min 適正電圧 負荷時の回転数 6,500r/min 適正電圧 負荷時の消費電流 500mA シャフト径 2.0mm 重量 18g 外観寸法 25.0 20.1mm 使用電圧範囲 1.5 3.0V 適正電圧 3.0V 適正負荷 0.98mN m(10.0gf cm) 無負荷回転数 10,900r/min 適正電圧 負荷時の回転数 7,500r/min 適正電圧 負荷時の消費電流 700mA シャフト径 2.0mm 重量 30g 外観寸法 26.9 23.8mm 6
1:160( 牽引力重視 ) 5.33 倍 1:30( 速度重視 ) 7 RE-260 を適正電圧 3.0V 適正負荷で稼働 ( 消費電流 0.7A) 7,500rpm 125 回転 / 秒 支給タイヤ ( 外径 56mm) を 1:160 のギヤ比で回す 駆動力 = モータートルク x ギヤ比 / タイヤ半径 = 10(gf-cm) x 160 / 2.8(cm) = 571.4(gf) 秒速 =1 秒当たりのタイヤ回転数 x タイヤの外周 = 125( 回転 / 秒 )x 1/160 x 0.056(m) x 3.14 =0.137m/ 秒 必要な 0.275m/ 秒の 1/2 過電圧をかけて速度を確保大径タイヤに交換 RE-260 RE-260 を適正電圧 3.0V 適正負荷で稼働 ( 消費電流 0.7A) 7,500rpm 125 回転 / 秒 支給タイヤ ( 外径 56mm) を 1:30 のギヤ比で回す 駆動力 = モータートルク x ギヤ比 / タイヤ半径 = 10(gf-cm) x 30 / 2.8(cm) = 107.1(gf) 秒速 =1 秒当たりのタイヤ回転数 x タイヤの外周 = 125( 回転 / 秒 )x 1/30 x 0.056(m) x 3.14 =0.733m/ 秒 必要な 0.275m/ 秒の 2.6 倍 電圧を選んで速度を調整
駆動輪 : 二輪駆動 四輪駆動 総輪駆動 (6 輪など ) 駆動輪の数は牽引力に比例 第 6 回東京都代表作品 町田 第 9 回全国大会観戦レポート http://blog.livedoor.jp/machida_club/archives/1073319850.html 特許庁長官賞 第 9 回大阪府代表作品 特許庁長官賞 森之宮 第 9 回愛知県代表作品 NHK 会長賞 豊橋 第 9 回東京都代表作品 Top20 作品 町田 第 9 回富山県代表作品 読売新聞社賞 第 9 回宮崎県代表作品 都城 文部科学大臣賞 8 砺波
駆動輪 : 二輪駆動 四輪駆動 総輪駆動 (6 輪など ) 駆動輪の数は牽引力に比例 第 5 回東京都代表作品特許庁長官賞 http://kids.jiii.or.jp/modules/d3blog3/details.php?bid=35 (3:50-4:31) 10 輪車 8 輪駆動 /8 輪操舵駆動 :10x8 操舵 : 8WS 9 町田
モーター (RE-260) 使用電圧範囲 1.5 3.0V 適正電圧 3.0V 適正負荷 0.98mN m(10.0gf cm) 無負荷回転数 10,900r/min 適正電圧 負荷時の回転数 7,500r/min 適正電圧 負荷時の消費電流 700mA モーターは何個ありますか? 必要な電流は何 A? 期待する速度が出ない場合 モーターに必要な電圧と電流が供給できていないケースが多い 10 動力車の電源を単 3 電池で済ませていませんか?
電源電圧 ( 乾電池の本数で調整 :1.5/3.0/4.5/6.0/7.5/9.0V) 低速と高速 ( リカバリ用 ) の電圧切替式が全国大会上位陣に多い 電圧降下 負荷 電線 接点などを考慮 考察 パナソニック 乾電池の電池容量はどれ位? https://jpn.faq.panasonic.com/app/answers/detail/a_id/29060/p/1844,1845/session/l3rpbwuvmtu0ntazmdkwny9zawqvzlvnqtzwvgrfotroywtemwgwem9rrepqegi zanfot2hyzfpjy3bkefrpqni1ntfpwmx1zfrlcwdtaxnat1flnthirdc4ncu3rxdtqk52agvdjtdfz3i3mddsu0zpbuk4mm5wsxpsa0npog5ub19zmmnevknenvc5vvfdzyuym SUyMQ== 前進 後進に関する制御なので チャレコンのルールの範囲内 電源電圧が 6V でもモーター電圧は 4.5V などはザラ テスターで測ってみて下さい ( 主に電池の内部抵抗 ) 電流を 10 倍にすると持続時間は 23~28 倍も短くなる ( 電池の内部抵抗が大きくなり 電池が発熱する ) エボルタ 100mA 持続時間単 1: 約 150 時間 単 2: 約 65 時間 単 3: 約 23 時間 エボルタ1000mA(1A) 持続時間単 1: 約 6 時間 単 2: 約 2 時間 単 3: 約 1 時間 11 単容量 1は単 : 単 31 の約は単 63 倍の容量の約 6 倍
強力なパワーのためには 強力な電源が必要 電圧だけでなく 電流にも配慮 電圧 : 直列接続 3.0V:1A:3W 電流 : 並列接続 電流を多く使うと 急激に持続時間が短くなる 1.5V:2A:3W 電池の並列接続によって電池 1 つあたりの電流量を下げると電池の消耗が抑えられる 12 エボルタ単 1 電池定電流連続放電性能 http://jpn.faq.panasonic.com/euf/assets/images/panasonic/answer_images/energy/battery/drycell/29060_e_1.pdf
正確に蛇行コースを走行できる 左右駆動輪の回転数差を利用 タイヤスリップが前提になる ( 体育館の床なら許容 ) 操舵システム ( タイヤが左右に振れる ) 搭載 基本的にはこれが必要 4WS 操舵の動力車も全国大会に出場している https://youtu.be/0rbtr2_d5ds (1:09-1:17) 第 9 回東京都代表作品 Top20 作品 町田 後輪左右回転差による操舵は敏感なので連結が難しい傾向 操縦技術でカバーする https://youtu.be/irtblj6utla 第 9 回愛知県代表作品 NHK 会長賞 豊橋 13
牽引力 には動力車自身の重量が必要牽引力とは摩擦力 摩擦力 F=μN ( 特に N: 動力車自体の重量がポイント ) 牽引力 = 摩擦力 =F を出す動力機構 重量と牽引力のバランスが重要 動力車がスリップして牽引できない 動力車自体の重量不足が原因応急処置として μ 向上 タイヤに輪ゴムを巻く という手はある F 摩擦係数 μ N 第 9 回熊本県代表作品 Top20 作品 荒尾 14 協会支給タイヤに滑り止めマットの加工品
主に磁石式 カンヌキ型 磁石式意外に癖がある N/S 極の配置を工夫する 極性を揃えた場合連結器N S N S N S N S 極性を工夫した場合連連結器S N 連結器結器N S N S S N カンヌキ型連結具合が見て分かる利点があり 指導は楽 カンヌキ型連結器 15 連結部分を幅広にして操舵の許容範囲を広げれば 自動連結しやすくする 特に山車側
主に磁石式 カンヌキ型 磁石式意外に癖がある N/S 極の配置を工夫する ( 磁力線を考える ) 極性を揃えた場合極性を工夫した場合連結器N S N S 磁力線放射連N S 結器N S カンヌキ型連結具合が見て分かる利点があり 指導は楽 連結器N S N S S N 磁力線ループ 連結器S N 極性を工夫すると 磁力が強くなり 動力車が近づくと連結器同士が面を向けるようにも作れる カンヌキ型連結器 16 連結部分を幅広にして操舵の許容範囲を広げれば 自動連結しやすくする 特に山車側
第 9 回熊本県代表作品 Top20 作品 カンヌキ型 荒尾 動力車連結器山車 第 9 回東京都代表作品 Top20 作品 17 磁石式 町田
山車のパフォーマンスを引き出せる動力車に必要な仕様 速度 1km/h パワー ギヤ比 電源操舵 操縦技術で対応 / ステアリング機構牽引力 動力車自身の重量 動力車開発は ものづくり を 経験してもらうための 大事なテーマ 18
観察 : 子どもと一緒に なにが起きているのか を観察 大人の先入観に囚われず 子どもと一緒に考える作品制作のカナメは バランス 動力車の牽引力はモーターだけでなく車体重量がポイント 重くする パワーが必要 電源強化 と相互に関連試行錯誤を楽しむ 子どもたちに試行錯誤を楽しんで貰う 試作と試走を繰り返して完成度を向上させるのが王道 作品は思ったように動かない 作ったように動く 思ったように動くように作ることが ものづくり 19
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