Электрические приводы
для моделей

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Разработка электрических приводов для моделей является интересной технической задачей. Наряду с двигателями внутреннего сгорания, электрические двигатели позволяют обеспечить работу радиоуправляемых моделей автомобилей, судов и летательных аппаратов в течение длительного времени. Такие преимущества электроприводов, как простота запуска модели, отсутствие загрязнений, низкий уровень шума, а также возможность плавного изменения частоты вращения объясняют их широкое применение в авто- и судомоделизме. Благодаря появлению мощных электродвигателей и быстрозаряжающихся аккумуляторов, выдерживающих большую нагрузку, полеты авиамоделей с электродвигателями практически уже вышли из стадии экспериментирования: в настоящее время некоторые национальные федерации включили в свои правила соревнований класс авиамоделей с электроприводом. КПД электропривода улучшен настолько, что существуют радиоуправляемые авиамодели, рассчитанные на полет в течение нескольких часов, электроэнергию для двигателей которых вырабатывают солнечные элементы.
      Разнообразны типы и формы моделей, функционирование которых обеспечивается с помощью электрических приводов. На первый взгляд не менее разнообразными кажутся и технические проблемы, связанные с расчетом и конструированием таких приводов. Однако самые различные приводы для моделей, будь то модели автомобилей, летательных аппаратов, кораблей или судов, имеют много общего. Для этой книги отобраны примеры, помогающие выявить общие физические и технические закономерности, которым подчиняется работа электроприводов для любого типа моделей. При этом основное внимание обращено на решение задач, связанных с расчетом и конструированием элементов приводов, предназначенных для выполнения моделью ее функций. Очень кратко рассмотрены вопросы расчета электрических цепей и электронных схем. Подробнее описаны расчет и конструкции гребного и воздушного винтов, устройств передачи усилий, даны рекомендации по выбору электродвигателя и источника питания для него, а также аппаратуры дистанционного управления приводами.
      Свою первую модель начинающий моделист в большинстве случаев строит по чертежу или из деталей, продающихся в
      виде посылочного набора. Однако уже при изучении чертежа он должен не только обращать внимание на особенности изготовления отдельных деталей, но и всегда задавать себе вопрос: почему эти детали должны быть выполнены именно так, а не иначе? Правильное понимание функций, выполняемых деталью, избавит моделиста от неприятных неожиданностей при запусках модели и может явиться стимулом к разработке собственных конструкций.
      Книга предназначена в первую очередь для начинающих моделистов. Однако она может оказаться полезной и опытным спортсменам.
      Автор благодарит всех моделистов-спортсменов и работников фирм, оказавших ему помощь при подготовке рукописи.
      Д-р Гюнтер Миль Эрфурт, 1984 г.
     
      Глава 1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
      Задачей привода, установленного на модели, является преобразование энергии. Следовательно, конструирование привода должно быть направлено на то, чтобы обеспечить модель достаточным количеством аккумулированной энергии и максимально эффективно преобразовывать ее в мощность движителя.
      В качестве аккумуляторов энергии на моделях могут быть использованы: резина, сжимаемый газ (механическая энергия), твердое или жидкое топливо (химическая энергия), гальванические элементы (электрохимическая энергия).
      Самыми экономичными аккумуляторами энергии являются твердые и жидкие топлива, однако вследствие низкого КПД двигателей внутреннего сгорания и ракетных двигателей, составляющего 2 — 20 %, это их преимущество используется очень слабо. Иное дело — электродвигатели. Даже малогабаритные электродвигатели (мощностью до 100 Вт) имеют КПД от 50 до 65 %. Кроме того, их преимуществом является простота управления процессом преобразования энергии с помощью электронных схем.
      Возможность плавного дистанционного изменения частоты вращения в обоих направлениях от нуля до максимально возможной — важное достоинство электрических приводов. Технические усовершенствования в области очень энергоемких вторичных источников электропитания привели к разработке элементов, разряд которых может быть произведен за очень короткое время (от нескольких секунд до нескольких минут). Такие источники открывают путь к созданию приводов, достаточно мощных для моделей автомобилей, кораблей, судов и даже летательных аппаратов.
      Однако сначала следует бросить взгляд на историю развития электроприводов. Первый катер с приводом от электродвигателя, построенный русским физиком Якоби, прошел по Неве с 14 пассажирами в 1838 г. Самыми известными к настоящему времени электромобилями, управляемыми на расстоянии, являются Луноход-1 и Луноход-2 (рис. 1). Луноход-1 17 ноября 1970 г. был доставлен на Луну и по командам с Земли прошел по лунной поверхности около 10,5 км. Луноход-2 мягко прилунился 16 января 1973 г. и за 75 земных суток проделал путь, равный примерно 37 км.
      Первую модель самолета с электрическим приводом построил Ф. Милитки (США). Его первоначальные опыты в этом направлении относятся еще к 1940 г. В 1959 г. созданная им свободнолетающая модель впервые поднялась в воздух, а в 1971 г. взлетела первая управляемая по радио летающая модель Silencer с электрическим двигателем. Толчком к более широкой постройке таких моделей явился успех в разработке мощных малогабаритных электродвигателей. Дополнительным импульсом для Милитки стало также появление пилотируемого самолета с электродвигателем. В октябре 1973 г. этот самолет — МВ-Е1 (рис. 2 и 3) — продержался в воздухе 9 мин. В августе 1976 г. стартовала первая радиоуправляемая авиамодель Милитки, в которой для привода электродвигателя использовалась энергия Солнца. 96 солнечных элементов модели Solaris обеспечивали энергию, достаточную для набора ею высоты в течение 2,5 мин (рис. 4). Заметных успехов добились и другие конструкторы. X. Шенк (ГДР) построил модель с солнечными батареями, которая могла держаться в воздухе в течение 18 мин (в 1979 г.). Солнечные батареи, накрытые прозрачной пленкой, были расположены на крыльях (рис. 5).
      Модели автомобилей, кораблей, судов и летательных аппаратов относятся к традиционным типам моделей с электрическим приводом. В этой книге описаны электроприводы именно для
      таких моделей. Однако моделисты постоянно ведут поиск новых технических решений; идет процесс не только усовершенствования самих приводов, но и расширяется область их применения. Так, в 1979 г. в Японии были построены модели аппаратов на воздушной подушке и мотоциклов без колясок, также оснащенные электроприводами. Теперь эти модели продаются в виде посылочных наборов, т. е. они уже вышли из стадии экспериментирования.
      Модель аппарата на воздушной подушке может передвигаться как над сушей, так и над водной поверхностью (рис. 6). Ее корпус выполнен из твердого пенополистирола. Для образования воздушной подушки на модели установлен электродвигатель Mabuchi RS380S (6В/40 Вт). Эластичная «юбка, окружающая корпус модели снизу, значительно улучшает КПД воздушной подушки. Второй электродвигатель типа RS380S, частоту вращения которого можно изменять на расстоянии с помощью регулятора хода, обеспечивает движение модели. Изменение направления движения производится с помощью руля, расположенного в воздушном потоке толкающего винта и перекладываемого сервомеханизмом. При изменении направления вращения винта модель может передвигаться также задним ходом. Оба двигателя получают питание от двух раздельных никелевокадмиевых аккумуляторов (7,2 В/1,2 А ч).
      Если у модели аппарата на воздушной подушке интерес представляет в основном конструкция привода, то у радиоуправляемой модели мотоцикла (рис. 7) заслуживает внимания механизм управления передним колесом. Попытки построить управляемую на расстоянии модель мотоцикла без коляски велись уже давно. Но все они терпели неудачу из-за неудовлетворительного решения именно этого механизма. Однако благодаря оптимальному расположению центра тяжести системы, удачному выбору конструкции подвесок переднего и заднего колес, а также регулируемого привода оказалось возможным достичь устойчивого движения такой модели.
      Для обеспечения устойчивости движения по прямой вилке переднего колеса с помощью рулевой колонки придается продольный наклон. Конструктивной особенностью модели является способность рулевой колонки для сохранения устойчивости при изменении направления поворачиваться относительно продольной оси. При этом управляющее усилие сервомеханизма передается устройством Servosaver (см. рис. 30). Если рулевая колонка наклоняется, например, вправо, то передняя вилка с колесом отклоняется влево, и модель начинает правый поворот. Фирма, выпускающая такие модели, дала этой системе управления название Semi Direkt Steering System (система косвенного управления).
      В описании указывалось на устойчивость и хорошую управляемость модели мотоцикла; правда, запуск ее требует некоторого навыка. Шины колес из мягкой резины позволяют модели проходить при соответствующей скорости повороты с наклоном до 45°. Переднее и заднее колеса подрессорены. Рама выполнена штамповкой из стального листа. Источником питания для электродвигателя типа RS380S служит никелево-кадмиевый аккумулятор (6 В/1,2 А ч) с резисторным регулятором хода. Аккумулятор, с помощью резиновых захватов крепится под рамой, благодаря чему центр тяжести всей модели расположен очень низко. Приемник расположен в фигурке «водителя». В зависимости от опыта моделиста и требуемой скорости езды можно выбирать одно из трех передаточных отношений редуктора.
      Электродвигатели характеризуются следующими важными для моделиста техническими преимуществами: чистота и бесшумность работы; простота регулировки частоты вращения; возможность применения для самых различных моделей; высокая надежность работы; относительно большой срок службы; простота обслуживания.
      Недостатком по сравнению с двигателями внутреннего сгорания является меньшее отношение мощности к массе электродвигателя, при расчете которого необходимо учитывать и массу аккумулятора. В течение долгого времени широкому использованию мощных электродвигателей препятствовала также их цена. Однако со временем стоимость двигателей и аккумуляторов — благодаря выпуску их большими сериями — снизилась настолько, что электродвигатели стали конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания.
      Чтобы правильно использовать приводы с электрическими двигателями на модели, необходимо знать их технические характеристики. Кроме того, для определения требуемой мощности привода нужно знать закономерности, которым подчиняется движение моделей автомобилей, судов, кораблей и летательных аппаратов. Дело в том, что к расчету привода относится не только расчет деталей и узлов, обеспечивающих передачу усилий от двигателя, но и расчет характеристик самого этого движения.
      Какой прок от установки мощного двигателя, если, например, модель автомобиля не может двигаться по прямой или дергается на повороте, а модель катера не выходит на глиссирование или опрокидывается на вираже? На некоторых моделях для привода и поворота используются различные механизмы, на других один механизм решает обе эти задачи (например, на моделях гусеничных машин, судов с винторулевыми колонками и т. п.). Все эти особенности модели и определяют требования к приводу для нее. Нормальный привод работает с оптимальным КПД. Если же нужен привод, рассчитанный на отдачу наибольшей мощности, то в первую очередь стремятся к достижению максимальной скорости модели, не считаясь со снижением КПД.
      Содержание следующих глав призвано помочь моделисту самостоятельно производить расчет привода в каждом конкретном случае.
     
      Глава 2. ПРИВОДЫ ДЛЯ МОДЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ
      Как и у других моделей, приводы для автомоделей определяются типом самой модели и ее назначением. Поэтому сразу же следует рассмотреть эти типы.
      Согласно правилам соревнований по автомодельному спорту, к управляемым по радио моделям-копиям относятся модели, выполненные в соответствующем масштабе и копирующие настоящие автомобили, а также имеющие свободную конструкцию модели грузовых автомобилей с электроприводом или двигателем внутреннего сгорания и управляемые на расстоянии по радио (рис. 8). К ним относятся также модели гусеничных машин, военных транспортных средств и т. д. Одна из таких моделей представлена на рис. 9. Речь здесь идет об игрушечной машине на гусеницах, команды управления для которой подаются по проводам. Поскольку в такой игрушке имеется достаточно места для установки батарей и приемника аппаратуры дистанционного управления, она вполне пригодна для первых экспериментов с управлением модели на расстоянии.
      Управляемые по радио автомодели с электроприводом, участвующие в спортивных соревнованиях, в ГДР разбиты на следующие классы:
      Класс RC-EA. К этому классу относятся модели, копирующие существующие транспортные средства и изготовляемые самими моделистами в масштабе 1 :8, 1 : 10, 1 : 12, 1 : 15, 1 : 20 и 1 :25. Этот класс разбит на следующие подклассы:
      RC-EA: модели колесных машин (легковых, грузовых, специальных и военных автомобилей), участвующие в соревнованиях на прохождение гладкой трассы (рис. 10);
      Рис. 8. Модели спортивных автомобилей Porsche RSR Turbo (М 1:12) и De Tomaso Pant era (M 1:25)
      Рис. 9. Модель гусеничной машины
      RC-EAK: модели гусеничных машин (например, танков), которые соревнуются в прохождении трассы с препятствиями.
      Класс RC-EB. Этот класс включает модели свободных конструкций, имеющие длину до 700 мм, и состоит из следующих подклассов:
      RC-EB: модели колесных машин (легковых, грузовых и специальных автомобилей), которые могут участвовать в соревнованиях на прохождение гладкой трассы;
      RC-EBK: гусеничные машины (транспортеры, специальные машины и т. п.), предназначенные для соревнований на прохождение трассы с препятствиями.
      Класс RC-F. В этот класс входят функциональные модели, которые копируют существующие транспортные средства (колесные, гусеничные или специальные) или близкие им по форме.
      В их конструкции разрешено использовать детали промышленного изготовления. По радио могут подаваться команды на
      Рис. 10. Модель автомобиля класса RC-EA1 кг во время старта на прохождение специальной трассы
      Рис. II. Радиоуправляемые модели-копии автомобилей (слева направо) Porsche 917, De Tomaso Mangusta и Ferrari 312, выполненные в масштабе 1 : 12
      включение фар, сигнала, срабатывание крана или кузова (у самосвала), подачу специальных сигналов и т. д.
      Модели этих классов участвуют только в первенствах ГДР . (Международные соревнования для моделей с электроприводами пока не проводятся.) Они не только получают стендовую оценку, но и участвуют в гонках на скорость. Гонки всегда вызывают большой интерес зрителей.
      Для моделей класса RC-F наиболее широко применяется масштаб 1 : 12 (рис. 11). Модели спортивных автомобилей имеют внутри достаточно места для установки радиоаппаратуры и мощного привода. Их ходовые возможности производят сильное впечатление и позволяют спортсмену после небольшого числа тренировок уверенно управлять моделью на скорости 50 км/ч.
     
      2.1. Модели колесных транспортных средств
      Конструкция привода и ходовые характеристики автомодели тесно связаны между собой. Модель должна не только устойчиво двигаться по прямой, но и уверенно проходить повороты,
      В нашей стране принята иная классификация автомоделей с электроприводами. Они разбиты на следующие классы:
      ЭЛ-1 — кордовая модель-копия;
      ЭЛ-2 — простейшая кордовая модель;
      РЦА — радиоуправляемая модель-копия;
      РЦБ — радиоуправляемая модель автомобиля свободной конструкции. (Прим. ред.)
      Рис. 12. Координатные оси модели и ее перемещения относительно их быстро увеличивать скорость, надежно тормозить и преодолевать неровности трассы.
      Ниже пояснены некоторые понятия, необходимые для описания реакции модели на воздействие внешних сил.
      Приняты следующие координатные оси, проходящие через центр тяжести модели: продольная, поперечная, вертикальная.
      При воздействии внешних сил модель движется вдоль или поворачивается вокруг осей. Терминология, связанная с изменением положения модели относительно этих осей, приведена в табл. 1 и пояснена с помощью рис. 12.
      К динамическим ходовым характеристикам относятся: удельная масса модели, приемистость, тормозная способность, максимальная скорость и способность преодолевать подъемы.
      Удельная масса, которая представляет собой отношение мощности электродвигателя к массе модели, определяет длительность работы двигателя до смены или повторного заряда источника питания, а также максимальную скорость и ускорение модели. Предельные значения этих характеристик зависят от ее конструкции. Модель должна быть рассчитана на нагрузки, возникающие во время соревнований. При этом следует учитывать также возможность опрокидывания модели и ее столкновения с другими автомоделями.
      Приемистость и способность преодолевать подъемы, с одной стороны, а также максимальная скорость, с другой, не связаны между собой непосредственно. Для обеспечения хороших приемистости и способности преодолевать подъемы необходимо большое снижение частоты вращения двигателя при передаче крутящего момента на ведущие колеса, а для достижения высокой скорости, наоборот, это снижение должно быть минимально возможным. Для удовлетворения этих противоположных требований к модели спортсмены вынуждены идти по пути компромисса. Чтобы модель оптимально соответствовала условиям соревнований, целесообразно применять несколько сменных редукторов. На трассах, отличающихся большим числом поворотов и хорошими прямыми отрезками, приемистость важнее, чем высокая скорость. Иное дело при соревнованиях на трассах, имеющих длинные прямые участки: здесь компромисс должен быть в пользу достижения высокой скорости.
      Требования, предъявляемые к тормозной способности автомодели, соответствуют требованиям, предъявляемым к автомобилю. При этом модели с электроприводом имеют неоспоримое преимущество по сравнению с моделями с двигателями внутреннего сгорания, так как их торможение может производиться с помощью самого электродвигателя. Достаточно переключить его на задний ход, чтобы получить достаточно эффективное торможение, что делает излишней установку механических тормозов. Благодаря этому конструкция модели значительно упрощается.
      При прохождении поворотов и неровностей на модель воздействуют дополнительные силы. Реакция модели на воздействие этих сил определяет ее ходовые характеристики. Ниже описаны основные факторы, влияющие на эти характеристики.
      Центр тяжести
      Положение центра тяжести модели определяется распределением ее массы. Детали, обладающие наибольшей массой (например, аккумуляторы), должны быть расположены вблизи центра тяжести и возможно ниже; это обеспечивает получение малой величины момента инерции относительно координатных осей и в результате более благоприятных характеристик модели при проходе поворотов. Положение центра тяжести можно откорректировать соответствующим выбором места для приемника аппаратуры дистанционного управления.
      Центр тяжести автомодели должен лежать впереди задней оси на расстоянии, составляющем примерно 40 % от базы. Это
      ориентировочное значение уточняется в ходе конструирования модели и перед установкой радиоаппаратуры.
      Точное положение центра тяжести построенной модели может быть найдено с помощью настольных весов. Для этого сначала определяют массу модели, готовой к соревнования . Затем, как это показано на рис. 13, находят нагрузки на переднюю и заднюю оси. При этом модель устанавливают горизонтально одной осью на весы, другой — на жесткую подставку. Масса автомодели должна распределяться между передней и задней осями в соотношении примерно 2 :3 (40 и 60 %).
      Найденные таким образом нагрузки на оси называются ста-тичесГчИми. Во время движения модели их значения изменяются под влиянием ускорений и торможений, в результате чего развиваются динамические нагрузки на оси. При ускорениях передняя часть модели приподнимается, передние колеса разгружаются. Одновременно задние колеса нагружаются больше, что вызывает повышение их давления на дорожку. Это объясняет преимущества заднего расположения двигателя на характеристики разгона модели.
      Иное дело при торможении, при котором передняя часть модели опускается, задняя приподнимается, в результате этого передние колеса нагружаются сильнее, задние — разгружаются. Благодаря этому тормоза на передних колесах более эффективны, чем на задних. Правда, такое расположение тормозов у радиоуправляемых моделей-копий не применяется из-за связанных с этим технических трудностей. Поэтому описанные ниже колесные автомодели относятся к стандартному варианту (управляемые передние колеса, ведущие задние колеса с тормозами).
     
      Рама
      Рама представляет собой несущий элемент модели автомобиля. На ней устанавливаются радиоаппаратура, двигатель и аккумуляторы, она несет передний и задний мосты, а также ку-
      Рис. 14. Пластмассовое шасси автомодели, выполненной в масштабе 1 : 12
      зов, поэтому испытывает значительные нагрузки. Через подвески колес на нее передаются силы, вызываемые ускорениями, торможениями и поворотами и действующие в виде изгибных нагрузок. Неровности трассы заставляют, кроме того, работать раму на кручение. Она должна быть такой жесткой, чтобы эти силы не вызывали остаточных деформаций, но в то же время такой упругой (в комбинации с подвесками), чтобы постоянно сохранялся контакт колес с дорожкой. На моделях, выполненных в масштабе 1 : 12, в большинстве случаев дополнительным подрессориванием пренебрегают, а достигают примерно равноценного эффекта за счет упругости рамы. Для этого ее можно изготовить из листа пластмассы (рис. 14). Однако рама из дюралюминия также может быть упругой и достаточно жесткой на кручение. Последнее качество можно обеспечить посредством придания ей коробчатого или П-образного поперечного сечения, что удобно для крепления двигателя и аккумуляторов.
      Передняя часть рамы, имеющая форму пластины, обеспечивает приемлемое подрессоривание передних колес (рис. 15). Силы, развивающиеся при столкновениях, воспринимают пластмассовые бамперы, прикрепляемые к раме винтами.
      Если колеса подрессорены, то раму можно полностью выполнить в виде жесткой П-образной балки. К тому же рама из листового материала способствует лучшему охлаждению двигателя. Для этого его крепят с помощью широкого хомута, который обеспечивает хорошую теплоотдачу от двигателя к раме.
     
      Подрессоривание
      Хотя, как указывалось выше, сама рама в определенной мере и может решать задачу демпфирования, однако для обеспечения хороших ходовых характеристик значительно эффективнее подрессоривание колес или их осей. Чтобы колебания модели не увеличивались При повторении ударов колес о неровности
      дорожки, а быстро затухали, они должны демпфироваться. Влияние ударов на модель тем меньше, чем меньше отношение неподрессоренных масс (колес, осей, подвесок) к подрессоренным (шасси, двигатель, аккумуляторы, радиоаппаратура, кузов). Следует добиваться, чтобы собственные колебания рессор, подвесок, а также отношение неподрессоренных масс к подрессоренным были оптимальными.
      Рессоры предназначены для обеспечения постоянного контакта колес с дорожкой. Правда, колебания модели, особенно если они нарастают, снижают ее устойчивость. Следовательно, демпфирующие элементы должны воспринимать энергию колебаний модели и максимально быстро преобразовывать ее в тепло. На автомобилях эту задачу выполняют жидкостные амортизаторы. На моделях же для этой цели используют простые фрикционные амортизаторы в комбинации с винтовыми пружинами. Листовые рессоры обладают высоким собственным демпфированием.
      При выборе конструкции рессор для модели учитывается не только их демпфирующая способность, но и простота изготовления, возможность быстрой замены и ремонта.
      Передний мост на автомоделях в большинстве случаев выполняется в виде поперечной листовой рессоры (рис. 16). При таком простом решении вопроса рессора одновременно играет роль составной части подвески.
      Углы установки передних колес Поскольку ниже рассматриваются автомодели, задняя ось которых выполняется неразрезной, ограничимся анализом различных угловых положений передних осей. Эти угловые положения оказывают влияние на характеристики езды модели по прямой, величину управляющих усилий на поворотах, возврат элементов управления в нейтральное положение после прохождения поворота, а также износ шин.
      Рис. 16. Установка передних колес на поперечной листовой рессоре
     
      Схождение
      Схождением колес называется угол между продольными осями колес и рамы (рис. 17). При езде по прямой вращающиеся колеса под воздействием развивающихся при этом сил стремятся развернуться вокруг шкворней наружу, но благодаря правильному выбору угла схождения они на прямых участках занн-
      мают параллельное друг другу положение. Величина схождения может составлять от 0 до 3° (нулевое значение справедливо для ведущих передних колес); оптимальное значение находится экспериментально. При правильной установке схождения передние колеса вращаются без колебаний, а шины не испытывают заметного износа. Так как измерение угла схождения на модели вызывает трудности, производят замер расстояний между краями дисков колес спереди и сзади и полученные значения сравнивают с рассчитанными. Эти измерения следует производить при установке колес в нейтральное положение, поскольку при их повороте схождение изменяется вследствие действия рулевой трапеции.
     
      Продольный наклон шкворней
      Этот наклон характеризуется углом между осью шкворня и вертикалью в продольной вертикальной плоскости (рис. 18). Благодаря ему при поворотах возникает восстанавливающий момент, уменьшающий усилие, которое необходимо для возвращения колес в нейтральное положение. Кроме того, продольный наклон шкворней, как и схождение, предотвращает рыскание передних колес. Величина этого наклона выбирается в пределах от 8 до 25°. Большое значение вызывает необходимость в больших управляющих усилиях, что вызывается более высоким восстанавливающим моментом. Тот же эффект может быть достигнут вынесением шкворня (при сохранении его вертикального положения) вперед относительно оси вращения колеса.
     
      Развал и поперечный наклон шкворней передних колес
      Углом развала называется угол наклона колеса относительно продольной вертикальной плоскости (рис. 19). При положительном угле развала колесо своей верхней частью наклонено наружу, при отрицательном — внутрь. Как правило, передним управляемым колесам придается положительный угол развала, составляющий от 0,5 до 3°. Такой угол позволяет получить равномерную нагрузку на подшипники колес и уменьшить управляющие усилия. Однако следует принимать возможно меньшие углы развала, так как при слишком больших углах колеса начинают колебаться во время движения, увеличивается износ шин. Отрицательный угол развала применяется только у спортивных автомобилей; он улучшает устойчивость автомобиля, но увеличивает износ шин.
      Угол поперечного наклона шкворня представляет собой угол между продольной вертикальной плоскостью и осью шкворня в поперечной плоскости. Правильная установка развала и поперечного наклона шкворней уменьшает требуемые управляющие усилия, снижает воздействие неровностей дорожки на рулевое управление, повышает устойчивость модели при езде на прямых участках (подобно действию угла продольного наклона шкворней) и уменьшает износ шин.
      Совместное действие схождения, развала и углов наклона шкворней передних колес оказывает решающее влияние на ходовые характеристики модели. Их оптимальные значения определяются экспериментально для каждой модели.
     
      Подвеска колес
      Задачей подвесок является обеспечение упругой передачи сил между рамой и колесами (вызываемых массой модели), а также между колесами и рамой (вызываемых ускорениями, торможениями и поворотами). Кроме того, подвеска должна обеспечивать постоянный контакт колес с полотном дорожки. При этом масса самой подвески должна быть минимальной, а углы установки колес не должны изменяться (или изменяться в небольших допускаемых пределах) при изменении направления движения и езде по неровностям. Все эти требования не выполняет ни одна из известных сейчас конструкций. Ниже рассмотрены два оправдавших себя варианта подвесок.
      Что касается передних колес, то здесь оправдала себя независимая подвеска с поперечными рычагами. В конструкции, показанной на рис. 16, роль поперечных рычагов независимой подвески играют концы поперечной листовой рессоры. На рис. 20 также показана подвеска, в которой использованы поперечные рычаги, но без подрессоривания: демпфирование здесь обеспечивается упругостью пластмассовой рамы. Поперечный и продольный наклоны шкворней на подвеске, представленной на Рис. 21, выполнены посредством соответствующего изгиба рамы.
      При неподрессоренной подвеске передних колес, а также продольном и поперечном углах наклона шкворней на повороте внешнее (относительно центра поворота) колесо приподнимается, внутреннее — опускается. Чтобы внешнее колесо не потеряло контакт с дорожкой, рама должна быть достаточно гибкой. При жесткой раме поперечный наклон шкворней должен быть меньше, чем при гибкой.
      Задний мост автомоделей в большинстве случаев выполняется с неразрезной осью. Несмотря на свои отдельные недостатки, такая «грубая» конструкция самым лучшим образом оправдала себя на практике, обеспечивая простую передачу крутящего момента от двигателя на задние колеса. В конструкции заднего моста, показанного на рис. 22, оба колеса посажены на одну неразрезную ось, которая установлена в подшипниках из бронзокерамики. На рис. 23 представлен задний мост также с неразрезной осью, но с возможностью его колебания вокруг продольной оси. Такая конструкция обеспечивает лучшее контактирование задних колес с дорожкой.
      Усовершенствовать подвеску, показанную на рис. 23, можно путем ее подрессоривання. Для этого двигатель, ось и колеса следует объединить в один узел, подобный двигателю с опорноосевой подвеской, который применяется для привода железнодорожных локомотивов. Однако это ведет к увеличению массы неподрессоренных элементов, что, как указывалось выше, неже лательно.
     
      Рулевое управление
      Подвеска передних колес и рулевое управление тесно связаны между собой. Рулевое управление должно обеспечивать маневренность (малый радиус поворота) и свободное вращение колес при ускорениях и торможениях, а также при прохождении поворотов и неровностей дорожки. У автомоделей, управляемых по радио, рулевое управление состоит из рычага рулевой трапеции, поперечной рулевой тяги, поворотного рычага и тяги сервомеханизма (рис. 24). При прохождении моделью поворота каждое колесо катится по своей колее, причем внутреннее (по отношению к центру поворота) переднее колесо проходит более короткий путь, чем внешнее (рис. 25). При этом внутреннее колесо должно быть повернуто на больший угол В, чем угол а поворота внешнего колеса. Разницу этих углов В — а при поворотах обеспечивает рулевая трапеция. Линии рычагов трапеции при нейтральном положении колес должны пересекаться на оси задних колес (рис. 26).
      Путем изменения длины поперечной рулевой тяги можно регулировать величину схождения. Для этого на проволочной тяге предусматривают П-образный петлевой изгиб (рис. 27), который позволяет изменять расстояние между осями отверстий на вилкообразных лапках, предназначенных для шарнирного соединения тяги с рычагами рулевой трапеции. Изгиб также обеспечивает амортизацию ударных нагрузок, передаваемых на тягу сервомеханизма при наезде колес на неровности дорожки.
      Сказанное выше справедливо и для изготовления тяги сервомеханизма. Чаще всего она крепится непосредственно к одному из рычагов рулевой трапеции и должна, во-первых, передавать на колеса управляющее усилие и, во-вторых, гасить довольно значительные ударные нагрузки, возникающие при наездах на препятствия, чтобы предохранить сервомеханизм от повреждения. В простейшем случае роль демпфера может играть угловой рычаг, выполненный из упругого материала (рис. 28). Однако более эффективное гашение таких ударов обеспечивает проволочная тяга с петлевым изгибом (рис. 29). Изгиб, кроме того, позволяет точно регулировать длину тяги сервомеханизма по нейтральному положению колес.
      Чтобы исключить повреждения зубчатой пары в сервомеханизме рулевого управления от ударов при наездах на препятствия, на крупных моделях предусматривают эффективное демпфирование рычажной системы. В конструкции, показанной на рис. 30, а, управляющее усилие сервомеханизма передается на поперечную рулевую тягу через угловой рычаг А. При этом связь между рычагом и тягой осуществляется с помощью пружины, имеющей форму вилки и охватывающей установленные на них поводковые штифты. При ударах колес о неровности дорожки энергия смещения тяги демпфируется пружиной. Жесткость пружины определяется требуемой степенью защиты сервомеханизма, а также необходимой «жесткостью» передачи усилия от сервопривода на колеса.
      Подобная конструкция, но с возможностью регулирования «жесткости» передачи усилия, показана на рис. 30, б.
     
      Колеса
      Колесо автомодели состоит из шины, обода, декоративного диска, ступицы и подшипника. Шины, хотя и значительно упрощенные по конструкции, призваны играть роль, сравнимую с ролью шин настоящего автомобиля. Другими словами, они должны обладать хорошим сцеплением с Полотном дорожки, прочно сидеть на ободах, быть стойкими на истирание, обеспечивать малое сопротивление качению и хорошие демпфирующие свойства. Эти требования частично противоречат друг другу, поэтому на практике приходится идти на компромисс. Лучше всего для гоночных автомобилей оправдали себя шины из износостойкой губчатой резины средней твердости. Требуемая твердость резины определяется качеством полотна дорожки. Мягкая резина обеспечивает лучшее сцепление с дорожкой, однако она быстрее истирается. При влажной дорожке сцепление можно улучшить с помощью нанесения на шину слоя клея.
      Заготовку для шины, вырезанную из губчатой резины, приклеивают к ободу, причем лучше, если он имеет шероховатую поверхность. Затем при вращении обода поверхность шины обрабатывают наждачной шкуркой, придавая ей правильную цилиндрическую поверхность. Для широких шин задних колес склеивают вместе несколько слоев губчатой резины. Иногда для Шин можно использовать плотную литую резину, например мягкую резину для обувных подошв. Шины для моделей-копий изготовляют целиком из резины или мягкой пластмассы. Точное воспроизведение их формы и профиля является здесь более важным, чем хорошее сцепление с дорожкой.
      Обода колес автомоделей отливают из ударопрочных пластмасс или вытачивают из алюминиевых сплавов (рис. 31). И в том и в другом случае они должны быть максимально легкими и правильно воспроизводить прототип. Для фиксации шины они должны иметь выступающие закраины, а поверхность, на которую садится шина, — рифление. Шина должна сидеть на ободе с натягом, для надежности целесообразно предусмотреть ее прихватывание клеем.
      Пластмассовые обода надевают непосредственно на ось или шкворни, в алюминиемых ободах предусматривают подшипники из бронзокерамики или шарикоподшипники. В каждом конкретном случае следует решить, оправдана ли установка шарикоподшипников. Хотя эти подшипники и уменьшают сопротивление качению, однако довольно быстро загрязняются. Для продления срока службы подшипники следует подвергать очистке и менять смазку после каждого длительного цикла их работы.
      Привод колеса
      Самым простым и наиболее оправдавшим себя приводом является редуктор из двух зубчатых цилиндрических колес, обеспечивающих прямую передачу крутящего момента от двигателя на колеса (рис. 32). Ведущее колесо на оси двигателя выполняется из стали или латуни. При наличии нескольких пар зубчатых колес можно легко менять передаточное отношение редуктора для различных условий езды. Большое ведомое колесо на задней оси изготовляют из вязкой ударопрочной пластмассы, не требующей смазки.
      При конструировании заднего моста необходимо помнить о том, что, как и в случае передних колес, на поворотах внутреннее колесо катится по меньшему радиусу, чем внешнее. Для предотвращения проскальзывания одного из колес в простейшем случае одно колесо делают свободно вращающимся на задней оси. Однако при этом трудно добиться оптимальной передачи крутящего момента на колеса, что важно для гоночных моделей и моделей, предназначенных для соревнований на трассах с препятствиями. Кроме того, такая, конструкция приводит к смещению вектора тяги в сторону ведущего колеса, причем износ этого колеса происходит намного быстрее, чем свободно вращающегося.
      Определенные недостатки имеет жесткая посадка обоих задних колес на одной оси, т. е. применение заднего моста с неразрезной осью (см. рис. 22). При этом, хотя передача тягового усилия осуществляется равномерно на оба колеса, невозможно предотвратить проскальзывание колес на поворотах из-за разницы путей их качения.
      Недостатков описанных выше конструкций нет у моста с дифференциалом (рис. 33), который изменяет скорости вращения ведущих колес в соответствии с их сопротивлением. Между обоими колесами при этом сохраняется силовая связь, поэтому даже на поворотах оба колеса обеспечивают тяговое усилие. Но при различных коэффициентах трения то колесо, трение которого о дорожку меньше, начинает вращаться с большей скоростью. Такие случаи наблюдаются, когда автомодель при прохождении трассы с препятствиями «садится» на мост и одно из задних колес разгружается. На вездеходах в подобных ситуациях дифференциал блокируется. Самым простым и наилучшим решением для моделей вездеходов является применение жесткого крепления задних колес на оси.
      Однако в соревнованиях на скорость модели, оборудованные задним мостом с дифференциалом, предпочтительнее, так как при этом тяговое усилие обеспечивают оба колеса, а потери на проскальзывание отсутствуют, что позволяет проходить повороты с более высокими скоростями. При этом, если правое колесо является внутренним относительно центра поворота, то правая полуось вращается медленнее. Компенсирующее зубчатое колесо соответственно разгружает ее, передавая повышенный крутящий момент на левое колесо. Возможно объединение дифференциала с ведомым колесом редуктора (рис. 34).
      Передача крутящего момента от двигателя на заднюю ось через зубчатые колеса хоть и является одним из возможных решений, но применяется чаще всего. Известны такие конструкции, в которых крутящий момент передается зубчатыми ремнями.
      Ходовые качества зависят от конструкции шасси, подвесок, рулевого управления, колес, редуктора, а также от таких параметров, как положение центра тяжести и угол установки колес. Все эти элементы конструкции модели и параметры тесно связаны друг с другом; их оптимальное соотношение обычно находят экспериментально. Но начинающим спортсменам лучше воспроизводить уже оправдавшие себя конструкции, стараясь по возможности их усовершенствовать.
      Если модель, построенная своими руками, предназначена для большего, чем управление ее ездой по полу квартиры между стульями и ножками стола, то овладение мастерством ее вождения должно быть целенаправленным. Управлению движением автомодели как по гладкой трассе, так и по трассе с препятствиями необходимо учиться так же, как и управлению настоящим автомобилем.
      После нескольких часов тренировки можно перейти к оптимизации ходовых качеств модели. При этом следует учитывать явление бокового увода колес при прохождении моделью поворота на большой скорости. Боковым уводом называется поворот плоскости качения эластичной шины колеса по отношению к плоскости его вращения под воздействием боковой нагрузки от центробежной силы. В зависимости от соотношения углов бокового увода передних и задних колес автомодели делятся на три типа:
      модели с избыточной устойчивостью, у которых угол бокового увода передних колес больше угла бокового увода задних колес;
      модели с недостаточной устойчивостью, у которых, наоборот, больше угол бокового увода задних колес;
      модели с нейтральной устойчивостью, у которых углы эти равны.
      Как же должна себя вести скоростная модель? Модель, обладающая нейтральной устойчивостью, может проходить повороты с максимальной скоростью, к которой и следует стремиться. Однако при ускорениях в процессе поворота такая модель склонна к появлению у нее недостаточной устойчивости. В таких случаях малейшая неверная команда приводит к неконтролируемому развороту модели. Иное дело — избыточная устойчивость. Если такая модель неожиданно начинает разворачиваться в Лроцессе поворота, следует убрать «газ», и она снова пойдет по нужной кривой. Аналогично следует поступать и в том случае, если при ускорениях на прямой модель начинает заносить.
      Таким образом, модель нужно регулировать так, чтобы ее характеризовала несколько избыточная устойчивость. Для нача-Ла целесообразно сильно повысить и затем снижать ее до тех пор, пока модель не станет способной проходить повороты на максимальный скорости. Эта регулировка производится изменением центра тяжести и углов установки передних колес (табл. 2). С этой целью можно также изменять твердость шин. При повышении твердости шин передних колес и снижении у задних колес устойчивость несколько повышается.
      Таблица 2
      Углы установки передних управляемых колес
      Угол установки
      Достигаемый эффект
      Схождение
      Продольный наклон шкворней
      Положительный развал
      Отрицательный развал
      Поперечный наклон шкворней
      Отсутствие биений колес Малый износ шин
      Стремление колес возвратиться в нейтральное положение
      Повышение устойчивости езды на прямых участках
      Отсутствие биений колес
      Предотвращение вредного влияния зазоров в подшипниках
      Повышение устойчивости управления (при слишком большом развале колеса склонны к биениям)
      Снижение износа шин
      Предотвращение вредного влияния зазоров в подшипниках
      Повышение устойчивости на поворотах
      Повышение износа шин
      Повышение усилия управления
      Стремление колес возвратиться в нейтральное положение
      Повышение устойчивости езды на прямых участках
      Снижение воздействия ударов о дорожку на сервомеханизм рулевого управления
      Если при прохождении поворотов на большой скорости модель всегда разворачивается в одну сторону, нужно проверить нагрузки на колеса. Для этого можно измерить нагрузку на оси (см. рис. 13) и проверить также равномерность ее распределения на колеса. Корректировку нагрузки на каждое колесо можно осуществить, подкладывая кусочки фольги под крепление поперечного рычага подвески.
      Рис. 35. Модель автомобиля Renault Alpine
      Если модель должна иметь примерно такие же ходовые качества, как и копируемый автомобиль, то особого внимания требуют конструкции рулевого управления и подвесок. Но при воспроизведении особенностей конструкции копируемого автомобиля следует учитывать и конструктивные особенности современных автомоделей.
      В качестве примера можно назвать выпускаемую в Японии модель автомобиля Renault Alpine (масштаб 1 : 10), которая выполнена с большими техническими подробностями (рис. 35). Ее передний мост с высокой точностью воспроизводит конструкцию моста настоящего автомобиля (рис. 36). Жесткость рессор можно регулировать увеличением и уменьшением их предварительного натяжения. Предусмотрена также пружина в узле передачи усилия от сервомеханизма на поперечную рулевую тягу (Servosaver). Независимая подвеска передних колес отличается малыми неподрессоренными массами. Эта конструкция обеспечивает хороший контакт колес с полотном дороги, а также точное выдерживание углов установки передних колес (схождение, развал, углы наклона шкворней).
      Оба моста этой модели достаточно сложны по техническому исполнению (рис. 37). Задние колеса имеют независимую подвеску с двумя качающимися полуосями, передача крутящего мо-
      мента на них осуществляется через дифференциал: Расположенные под углом треугольные рычаги, опертые на винтовые пружины, воспринимают продольные и поперечные усилия, действующие на колеса. Характеристики подрессоривания и передачи крутящего момента, с одной стороны, а также геометрия изменения колеи, развала и базы, с другой, хорошо увязаны друг с другом.
      Сменные комплекты зубчатых колес для редуктора позволяют выбирать любое из трех передаточных отношений (6,7 : 1, 10,8:1, 18,8:1), рассчитанных на обеспечение трех скоростей движения модели (30, 15 и 5 км/ч). Кроме того, дифференциал может быть включен на передаточное отношение 2,8 : 1. На максимальной передаче (18,8 : 1) модель может преодолевать значительные подъемы — до 45°.
      Однако ходовые качества модели можно улучшить, во-первых, за счет усовершенствования конструкции подвески и дифференциала, во-вторых, передний мост с помощью еще одного электродвигателя и дифференциала можно сделать также ведущим. Таким образом, для экспериментирования еще остается достаточно простора.
      Среди моделей колесных средств городского транспорта и вездеходов преобладают модели автомобилей. Почему бы, однако, не построить модель самого известного управляемого на расстоянии аппарата — Лунохода (рис. 38)? Все колеса Лунохода-2 (см. рис. 1) были оснащены двигателями, что обеспечило ему отличную проходимость.
     
      2.2. Модели гусеничных машин
      Типичными представителями гусеничных машин являются танки, а также военные и гражданские транспортные средства повышенной проходимости. У гусеничных машин (в отличие от колесных) привод и рулевое управление тесно связаны. Гусеницы используются как для обеспечения движения, так и изменения его направления. Преимуществами гусеничных машин являются их способность преодолевать вертикальные препятствия и подъемы, хорошая проходимость, недостатками — небольшая скорость и значительно большая мощность, требуемая для обеспечения движения.
      Ходовая часть гусеничной машины состоит из гусениц, ведущих колес с устройством натяжения гусеницы и, иногда, опорных катков (рис. 39). Гусеницы настоящих танков состоят из траков, выполненных из высококачественной стали, с направляющими выступами и без них. Выступы захватываются соответствующими впадинами на ведущем колесе, что обеспечивает обкатывание гусеницы вокруг него. В некоторых конструкциях гусениц отдельные траки имеют отверстия, в которые входят зубья ведущего колеса; при этом направляющие выступы могут быть выполнены значительно более слабыми, так как здесь они используются только для предотвращения сброса гусеницы. Такие конструкции нашли применение на вездеходных транспортных средствах более легкого типа. Гусеницы для моделей чаще всего изготовляют из резины (с кордом) или пластмассы (поливинилхлорида и т. п.). Изготовление траков из металла требует высокой квалификации, очень трудоемко, кроме того, для этого необходимо специальное механическое оборудование.
      Направляющие колеса настоящего танка — стальные, с обре-зиненным ободом. Они обеспечивают направление движения гусеницы и ее натяжение, которое необходимо при установке новой гусеницы или вытягивании старой. Надежность направления гусеницы особенно важна при поворотах, когда она испытывает боковые усилия. На заднем ходу направляющее колесо должно выдерживать все усилие, с которым ведущее колесо тянет гусеницу. Опорные катки передают нагрузки на гусеницу и предотвращают ее смещение в сторону. Если эти катки имеют небольшой диаметр, то верхняя половина гусеницы опирается на поддерживающие катки (рис. 40), которые обычно применяются на тяжелых танках. Если же опорные катки достаточно велики, то поддерживающие катки не нужны. Типичными примерами здесь являются танки Т-54 и ПТ-76.
      Опорные катки в большинстве случаев подрессориваются. Для этого применяются листовые и винтовые рессоры, а также торсионная подвеска. Резиновые обода на опорных катках смягчают жесткие удары. На танке Т-54 все катки имеют независимую торсионную подвеску. Применяется также подвеска двух или более катков на одном балансире.
      Несколько слов о работе привода на моделях гусеничных машин. На прямых участках обе гусеницы движутся с одинаковой скоростью, а на поворотах — одна медленнее другой. При этом радиус поворота определяется степенью торможения гусеницы. Поворот на месте достигается при полной остановке одной из гусениц.
      На танках применяются сложные устройства управления и торможения, полное копирование которых невозможно и не нужно осуществлять на модели, где это устройство значительно проще. С помощью аппаратуры пропорционального управления можно имитировать все ходовые режимы, как у настоящего танка или другой гусеничной машины. Для этого привод кадсдой гусеницы осуществляется с помощью отдельного двигателя, Управляемого своим регулятором хода. Регуляторы позволяют плавно изменять скорость движения гусениц независимо друг от Друга от «полного вперед» до «полного назад». Это дает возможность модели двигаться вперед или назад, поворачиваться на Месте или лишь слегка изменять направление движения.
      Чтобы модель развивала соответствующую тягу, крутящий
      момент двигателя передается на ведущее колесо через понижающий редуктор. Модель должна имитировать прототип в проходимости, преодолении препятствий, подъемах в горку, буксировке и т. д.
     
      2.3. Модели плавающих машин
      Плавающие машины оборудованы движителями, которые могут обеспечивать тягу на воде. Эти машины бывают как колесными, так и гусеничными. Типичными представителями военных плавающих машин являются плавающие танки, например танк ПТ-76 (рис. 41). Он оснащен водометным движителем, два выходных отверстия которого расположены в корме и при движении по земле закрываются крышками. Преимуществом водометного движителя по сравнению с винтом является лучшая защищенность от механических повреждений.
      Рис. 41. Чертеж плавающего танка ПТ-76