Игрушки с двигателями
Игрушки с двигателями — игрушки, снабжённые двигателями различных типов. Двигатели (заводные механизмы) повышают игровые свойства и занимательность игрушек.
Основными типами двигателей для игрушек являются: 1) резиномоторы, 2) пружинные заводные по типу часовых механизмов и 3) электрические.
Такие двигатели, как паровые, водяные, ветряные и реактивные, применяются в игрушках очень редко. Некоторое распространение получили двигатели внутреннего сгорания в виде микролитражных моторов для авиамоделей.
Резиномотор для авиамоделей
Резиномоторы нашли широкое применение в летающих моделях самолётов, а также в некоторых простейших транспортных игрушках. Они представляют собой ленту или жгут из тонких резиновых нитей, работающих на скручивание или растяжение и действующих непосредственно на ведущий винт или колеса игрушки без какого- либо передаточного механизма. Достоинства такого двигателя заключаются в простоте устройства и достаточной мощности при незначительном весе. Недостатками же его являются: кратковременная работа, неравномерность вращения, необходимость длительного закручивания для запуска, старение резины, вызывающее потерю её упругих свойств.
Пружинный двигатель
Пружинные двигатели, называемые иначе заводными механизмами, получили очень широкое применение в игрушках благодаря сравнительной простоте конструкции, доступности массового производства (штамповка и механическая обработка на станках), небольшим размерам при достаточно большой мощности, возможности регулировать скорости в довольно широких пределах и возможности менять направление вращения. Недостатками же заводных механизмов являются частые обрывы пружин, относительно быстрый износ зубцов шестерён. Пружинные двигатели применяются не только для металлических, но и для деревянных и пластмассовых игрушек. Наряду с ними производятся также заводные двигатели, детали которых целиком или частично изготовлены из пластмассы.
На рисунке выше показана принципиальная схема устройства пружинного двигателя, характерная для большинства заводных игрушек. Свёрнутая в спираль ленточная стальная пружина 1 закрепляется внешним концом ва корпус механизма, а внутренним — за валик 3, называемый заводной осью. При заводе ключом 2 пружина плотно наматывается на валик, т. е. заводится. Заведённая пружина благодаря её упругости стремится возвратиться в исходное положение, т. е. развернуться. Т. к. наружный конец пружины неподвижно закреплён, то под воздействием разворачивающейся пружины заводная ось начнёт вращаться, увлекая за собой главное зубчатое колесо 4. От этого колеса вращение передаётся рабочей оси 10 через ряд промежуточных зубчатых колес 5, 6, 7, называемых редуктором или трансмиссией. Редуктор необходим для придания нужного числа оборотов рабочей оси, на которой укрепляются ведущие колеса игрушки. Для того чтобы механизм работал плавно и равномерно, применяется регулятор скорости того или иного типа, получающий вращение от дополнительных шестерён редуктора 8, 9. Больше всего в пружинных двигателях применяется наиболее простой регулятор эксцентричного типа с неуравновешенным грузом 11. Работа его состоит в том, что с увеличением числа оборотов оси регулятора 12 увеличивается центробежная сила, от этого трение оси о подшипник возрастает и создаётся плавно возрастающий тормозящий момент. Если бы не было регулятора, пружина развернулась бы очень быстро, механизм работал бы очень непродолжительное время, а зубцы шестерён из-за быстрого вращения преждевременно изнашивались. Выпускалось немало игрушек с двигателями, механизм которых не имел регулятора скорости, некоторую роль регулятора у них выполнял вес самой игрушки: чем тяжелее игрушка, тем более спокойно и плавно она двигалась. Но всё же механизмы без регуляторов нельзя считать совершенными.
Шперрад с храповиком осевого действия
Важное значение в заводном механизме игрушки с двигателем имеет разобщающее устройство, так называемый шперрад, отключающий заводную пружину от механизма при заводе ключом. Существует много конструкций шперрадов, но наибольшее применение в игрушках получили два способа, указанные на двух рисунках ниже. Первый тип с храповиком осевого действия имеет следующее устройство. На заводной оси находится не связанное с нею зубчатое колесо с рядом небольших концентричных отверстий. К оси наглухо прикреплена пружинящая пластинка — храповик, изогнутые концы которой входят в эти отверстия. При заводе (повороте) ключом оси пружина наматывается на неё, храповик проскальзывает по отверстиям зубчатого колеса и оно не вращается. При разворачивании пружины заводная ось начнет вращаться в сторону, противоположную направлению завода, концы храповика войдут в отверстия зубчатого колеса, заставляя его вращаться.
Разобщающее устройство с осью
Другой способ разобщения пружины с механизмом показан на рисунке выше и основан на применении «плавающей» оси промежуточной шестерни. Эта ось удлиненным концом покоится в обычном подшипнике, а противоположным — в удлиненном отверстии (щели). При заводе зубчатое колесо увлекает своими зубцами промежуточную малую шестерню, при этом связанная с ней большая шестерня и ось поднимаются вверх и отключаются от механизма. Когда пружина начнет развёртываться, направление вращения зубчатого колеса изменится, оно своими зубцами прижмёт промежуточную шестерню к другому колесу механизма и последний начнет работать. Достоинство этого способа состоит в том, что игрушка получает некоторый свободный ход, т. е. после окончания завода игрушка может пробежать еще некоторое расстояние по инерции. При этом механизм не оказывает тормозящего действия вследствие автоматического выключения промежуточной шестерни на «плавающей» оси. Заводная пружина и зубчатые колёса помещаются между двумя металлическими стенками, называемыми платинками, роль подшипников в них выполняют отверстия без каких-либо втулок. На платинках обычно располагается рычаг стопора для остановки механизма и его пуска, а также скоба или специальная стенка для ограничения развёртывания пружины.
Механизм с проволочной заводной пружиной
В заводных механизмах, помимо пружин ленточного типа, применяются также пружины из стальной проволоки. Эти пружины просты в изготовлении и менее подвержены поломкам, но они занимают много места и требуют для завода большого количества оборотов ключом.
По конструктивным соображениям в водоплавающих игрушках с двигателями применяются заводные механизмы с переменой направления вращения в редукторе на 90° при помощи коронного зубчатого колеса 1 и малой шестерни 2, связанной с осью гребного винта. Некоторые механизмы, предназначенные для различных образных игрушек (птички, лягушки, жуки и т. д.), имеют устройство для превращения вращательного движения в поступательное.
Пружинный механизм для водоплавающей игрушки
На рисунке ниже изображён механизм для прыгающей лягушки. На рабочей оси находится анкерное храповое колесо 1, связанное с колеблющейся в двух точках скобой — анкером 2. Анкер выполнен за одно целое с лапами лягушки, которые в состоянии покоя оттянуты на некоторый угол от корпуса игрушки при помощи натяжной пружины 3. Пружинка противодействует весу самого механизма и при раскручивании пружины от действия анкерного колеса на скобу (лапы) весь корпус с механизмом будет энергично колебаться, при этом игрушка будет совершать движения, несколько напоминающие движения лягушки. Подобное колебательное движение корпуса имеется и в игрушке «клюющая птичка», но в отличие от лягушки здесь вместо анкерного устройства работает регулятор скорости с неуравновешенным грузом. При вращении грузика регулятора центр тяжести игрушки меняется и она совершает неопределенное поступательное движение. В таких образных игрушках, как «ходящий слон», «играющий клоун» и т. д., к платинкам механизма прикреплена система рычагов и кулис, придающих характерное движение рукам или ногам игрушки.
Механизм прыгающей лягушки
В некоторых транспортных игрушках (паровоз, автомобиль) ставились механизмы с переменным (реверсивным) ходом, т. е. игрушка могла изменять направление движения с переднего на задний. Для перемены хода применяелось действующее от руки или автоматически устройство, называемое трензелем (рисунок ниже). На рычаге 1 находится малая промежуточная шестерня (трибка) 2, связанная с трибкой 3 рабочей оси. Рабочая ось является также осью самого рычага. В правом положении трибка 2 зацепляется с зубчатым колесом 4 и придаёт направление вращения рабочей оси против часовой стрелки. При передвижении рычага трензеля влево трибка 2 выходит из зацепления с колесом 4 и входит в зацепление с другой промежуточной трибкой 5, при этом направление вращения рабочей оси изменится и будет совершаться по часовой стрелке.
Работа трензеля
Работа трензеля: а — правое положение; б — левое положение
Устройство перемены хода катка
В распространённой в прошлом игрушке «дорожный каток» вместо трензеля применялось полукоронное зубчатое колесо, автоматически менявшее направление вращения колёс игрушки (рисунок ниже). Полукоронное колесо 1 имеет зубцы только на половине круга и, медленно вращаясь всегда в одну сторону, входит в зацепление то с левой трибкой 2 рабочей оси, то с правой 3, поэтому рабочая ось будет вращаться то влево, то вправо.
Все заводные механизмы, как правило, заводятся ключом. Ключи бывают съёмные или составляют одно целое с заводной осью. Последние, хотя и нарушают внешнее оформление игрушки, удобны тем, что их нельзя потерять.
Игрушки с инерционным двигателем
Инерционный безпружинный механизм
Беспружинный инерционный механизм состоит в основном из редуктора с количеством зубчатых колёс от 2 до 4 (рисунок выше). На рабочей оси 1 находится главное зубчатое колесо 2, а на последней оси редуктора — маховик 3 и передаточный валик 4. Прокатив несколько раз рукой игрушку вперёд, заставляют маховик развернуться и набрать большое количество оборотов. Если теперь игрушку поставить на пол, то благодаря приобретенной инерции маховик через систему передач заставит вращаться рабочие колёса игрушки. Обращение с пружинными двигателями и уход за ними. Как и всякие механизмы часового типа, пружинные двигатели нуждаются в особом обращении и уходе. Согласно действующим ТУ заводные механизмы должны были работать плавно, без заедания и обеспечивать пробег игрушки на обусловленное расстояние. Но при хранении и транспортировании игрушка могла быть повреждена. Поэтому перед продажей заводные игрушки следовало осмотреть и мелкий ремонт, в случае необходимости, произвести на месте. Внешний осмотр должен был определить качество изготовления деталей, соответствие наличия деталей, качество покрытия, техническое состояние механизма, безотказность и надёжность в работе. В хорошо сделанном механизме все зубчатые колёса должны были вращаться центрично, без биения и перекоса, зубчатое зацепление плавное, без заедания. Рычаги, оси и стенки платинок не должны были быть погнуты или помяты. Ведущие колеса игрушки должны быть насажены на оси плотно, без перекосов. Все рабочие детали механизма смазывались лёгким машинным маслом (костяным или трансформаторным). Смазке подлежли: заводная пружина (между витками), места вращения осей и зубчатые колеса. Если механизм почему-либо не смазан, его следовало смазать при помощи маслёнки с длинным носиком, чтобы проникнуть в труднодоступные места механизма. Витки распущенной пружины смазывались мягкой, но прочной кистью так, чтобы отдельные волоски кисти не остались на деталях механизма. Внешний осмотр производился в следующем порядке: в первую очередь осматривалась заводная пружина. Если пружина гладкая, светлая, без пятен и ржавчины, она, как правило, работала надёжно. Если на пружине имелись раковины от коррозии это было признаком, что она обязательно разорвется в течение нескольких заводов ключом. Если же коррозия имела форму пятен (лёгкая ржавчина), то такая пружина могла служить сравнительно долго, но надёжной её считать было нельзя.
После пружины осматривались зубчатые колёса, главным образом их зубья и качество зацепления между собой. Если зубчатые колеса не имели смятых, «изъеденных» зубьев или других механических дефектов, то можно было дальнейшую проверку работы механизма производить неполным заводом ключа. Убедившись, что механизм работает нормально, можно было давать полный завод. Не рекомендовалось заводить механизм до отказа, т. к. пружина при этом получала перенапряжение в месте крепления к оси и могла лопнуть. Если при осмотре обнаруживалась помятость зубьев или плохое закрепление зубчатых колёс, игрушку следовало направить в ремонт. Для исправления помятостей следовало механизм разобрать, вынуть колеса из платинок и осторожно выправить их на стальной плите при помощи медного или деревянного молотка. При разборке нужно было иметь в виду, что соединение платинок производится при помощи загнутых язычков (клеммеров), которые легко ломаются при сгибании. Поэтому разгибать и сгибать язычки нужно было при помощи отвёртки и плоскогубцев, плавно, без резких усилий, предварительно слегка обколотив молоточком место сгиба для уменьшения натяжения металла. На практике часто встречаелся срыв внутреннего конца пружины с заводной оси. Если этот конец не лопнул и сохранил отверстие для крепления, то можно было соединить конец пружины со штифтом или специальным выступом на оси при помощи плоскогубцев. Внутренний конец можно было гнуть плоскогубцами так, чтобы образовалась довольно плотная петля. Расширив слегка отверткой эту петлю, насаживали пружину на ось так, чтобы в отверстие на конце пружины попал штифт (выступ) на заводной оси.
Устройство электромотора для игрушки
Электрические двигатели для игрушек. Основным типом такого двигателя являлся электромотор постоянно-переменного тока коллекторного типа в том или ином конструктивном оформлении. В целях безопасности питающий электромотор ток должен иметь по международным нормам напряжение не свыше 20 в. Хотя число оборотов коллекторных моторов легко поддавалось регулировке при помощи реостата или переключаемых отводов трансформатора, но оно весьма значительно (до 5000 об/мин.) и поэтому для соединения мотора с ведущими колесами игрушки требовался редуктор из зубчатых колёс.
Устройство электромотора показано на выше. Корпус 1 мотора, являющийся статором, представляет собой пакет из отдельных листов трансформаторной стали, стянутый при помощи заклёпок. На статоре размещены обмотки электромагнита 2. Внутри статора вращается ротор 3 из такой же стали, также имеющий обмотку. На оси ротора расположен коллектор 4 из отдельных, изолированных друг от друга пластин, соединённых с отводами от обмотки ротора. Число отводов ротора равно числу пластин коллектора и бывает в игрушках от 2 до 12. С двух сторон к коллектору прижимаются угольные щётки 5, соединённые электрически со статором и электрической сетью, питающей мотор. На конце оси ротора помещается шкив или шестерня 6 для соединения её с механизмом игрушки. От взаимодействия двух магнитных полей — переменного поля, образуемого статором, и постоянного поля ротора — последний придёт во вращение. Постоянное поле ротора образуется постоянным (точнее, пульсирующим) током, полученным в результате выпрямления переменного тока коллектором. Для питания электромотора от сети переменного тока применяется понижающий трансформатор (в целях безопасности применение автотрансформаторов было воспрещено).
Для водоплавающих игрушек с двигателями обычно использовались небольшие маломощные моторы, питаемые от батареи карманного фонаря, они работали без какой-либо передачи прямо на ось гребного винта. Питание током таких игрушек, как электрические ж.-д. поезда или трамваи, производились тремя способами: 1) через два изолированных друг от друга рельса (при изолированных осях колёс), 2) через внешние рельсы и третий внутренний рельс, 3) от контактного воздушного провода, подвешенного на мачтах. Во всех случаях съём тока осуществлялся подвижным скользящим контактом.
Обращение с электрическими двигателями и уход за ними. Внешним осмотром проверялось наличие контакта в подводящих цепях, состояние зубчатых колёс редуктора, лёгкость вращения ротора. Обязательно соблюдение правил смазки. Если при включении в трансформатор или батарею мотор не вращался, нужно было в первую очередь проверить наличие контакта между щётками и пластинками коллектора и при необходимости зачистить шкуркой пластинки и щётки. Если последние не касались пластин, то следовало растянуть пружинки, с тем чтобы они плотнее прижимали щётки к коллектору. Обрыв в цепи можно было проверить на месте испытанием при помощи батарейки и лампочки карманного фонаря. Если цепь была исправна, лампочка должна была загораться. Если обрыв наружный, то он исправлялся пайкой оловом с канифолью. Обрывы внутри ротора или статора можно было исправить только в мастерской. Если мотор при включении гудел и грелся, если щётки сильно искрили, это означало, что внутри обмоток произошло частичное замыкание витков. При полном замыкании мог сильно гудеть и нагреваться трансформатор. Во всех этих случаях требовался осмотр и ремонт в мастерских.
Механическая игрушка. Наш ответ китайскому ширпотребу
Создание этой игрушки является малозатратным и относительно не сложным, при этом она вызывает не только интерес детишек, но и способствует формированию определенных навыков, в частности мелкой моторики.
Механическая игрушка
И игрушка для дочки
А про кошки-мышки пожалуй я основательно подготовился:
Для ее изготовления потребовалось несколько обрезков фанеры, картинка из интернета, немного творческого порыва, лобзик, клей, шурупы и конечно же руки из плеч)))
С этой картинки взял основу для зверей, поскольку сам далеко не художник
Правую нижнюю кошку распечатал на а4 размером 10 см в нескольких экземплярах. С каждого экземпляра вырезал необходимые детальки для выпиливания
Наклеил все на фанерку
И дальше "пилите Шура, пилите"
Станок самодельный, ранее упоминал про него www.drive2.ru/c/467562647861068066/
Тело 
Лапа 
Хвост 
Преимущества фанеры в том, что ее легко делить по слоям и получать необходимую толщину 
Вот такого кота получили, приступаем к мышке 
Мышка номер 
А вот эта мышка пожалуй несколько симпатичнее 
Забыл сказать, что все детальки обязательно скругляем, ведь наши эксплуатанты очень придирчивы к острым кромкам и занозам))) 
Приступаем к вырезанию механизма
Весь механизм — сплошная импровизация без какой либо привязке к размерам, основанная на видеороликах из интернета
Кстати для изготовления круглых палочек делалась вот такая приспособа.
По фото конструктив понятен Сквозное отверстие перекрывается не сквозным, острые края которого выполняют роль резца.
Вставляем "полено", а на выходе круглая палочка
Собираем маховичок для оживления игрушки 
Нарезал нужное количество кругляшек. Две верхние переделал из более толстой фанеры и их диаметры изменились 
Эта звездочка препятствует обратному вращению механизма 
Это эксцентрик для лапки 
Это элементы каркаса для механизма
С уважением, семья Коткиных
Творите добро для ближних своих!
Ищите творческий заряд и творите, пока на улице весна с зимой борются
Механические игрушки
- Механи́ческие игру́шки — игрушки, движимые механической энергией с помощью резинок, пружин, маховиков и так далее.
Одной из первых механических игрушек был летающий голубь, сделанный Архитом Тарентским. Игрушка была деревянной и двигалась по проволоке на пару. Согласно Аристотелю, он же изобрёл для развлечения детей погремушки.
Древнегреческие, древнеримские и древнеегипетские механические игрушки двигались под воздействием воды, ветра или пневматических сил; они были реалистичны, за что церковь сочла их орудиями дьявола.
В XVI веке Леонардо да Винчи создал механического льва в подарок королю Луи XII. Лев мог ходить и открывать пасть. В тот же период работавшие механические игрушки для детей создавал Галилео Галилей.
Некоторые из игрушек могли играть на музыкальных инструментах и писать целые предложения; некоторые, особенно обезьянки, использовались для рекламы чая и сигарет, и потому были очень популярны.
Француз Жак де Вокансон (Jacques de Vaucanson) в 1738 году сделал первых механических роботов — уток, которые могли пить, есть пшеницу и испражняться. Примерно в те же годы Пьер Жаке-Дро (Pierre Jaquet-Droz) создал автоматы, сейчас выставленные в швейцарском Музее Искусства и Истории — Писателя, Музыканта и Чертёжника.
Связанные понятия
Флип флап (также флип-флоп, англ. flip flap или solar toy) — декоративная игрушка, работающая на солнечной энергии.
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Чарм (от англ. Charm — очарование, шарм, обаяние, чары, амулет) — маленькие тематические подвески, собирающиеся на браслет. Они отражают самые важные события жизни, несут определённый смысл или же просто носятся как украшения.
Глава 4 МЕХАНИКА САМОДЕЛЬНЫХ ИГРУШЕК
При изготовлении подвижных игрушек не обойтись без механики. От её реализации зависят не только внешний вид изделия и функциональность, но и его выразительность, «забавность» — если хотите. Иные «игрушечные проекты» полностью строятся не столько на особенностях управляющей схемы, сколько на оригинальности механики изделия.
Передача движения в механизмах игрушек
Вначале немного теории. Все возможные виды механического движения можно свести к поступательному, вращательному движению или их комбинации. Движение элементов механизмов в основном вращательное.
Большинство изделий «игрушечной направленности» в своей механике содержат, кроме двигателя, исполнительного механизма, ещё один важный элемент — редуктор. Это механизм, передающий и преобразующий крутящий момент от двигателя игрушки к исполнительному устройству. К основным характеристикам редуктора в рамках заявленной темы можно отнести коэффициент полезного действия, передаточное отношение, передаваемую мощность, максимальные угловые скорости валов, количество пар, осуществляющих передачу вращения.
Основная практическая задача игрушечных редукторов — понижать угловую скорость вращения от двигателя к исполнительному механизму в десятки, сотни раз, в зависимости от необходимого. Такие редукторы называют понижающими (демультипликатор). Если на выходном валу его угловая скорость выше, чем угловая скорость входного вала, то такой редуктор называют повышающим (мультипликатор).
Договоримся условно называть пару, осуществляющую вращательное движение, колесами. Колесо, от которого передается вращение, принято называть ведущим, а колесо, получающее движение, — ведомым.
По способу передачи движения от ведущего колеса к ведомому их можно разделить на передачи трением (фрикционные, ременные) и зацеплением (цепные, зубчатые, червячные). На рисунке 1 изображён пример фрикционной передачи, на рисунке 2 — ременной.
Колёса в этом случае называют шкивами. Их отличительная особенность наличие канавки (ручейка) в которой движется (течёт) ремень (резиновый пассик). Рисунок 3 иллюстрирует принцип действия зубчатой передачи, а рис. 4 — червячной (винтовой). Колёса зубчатой передачи это шестерни.
Здесь сделаю небольшое отступление. Набив в «поисковике» словосочетание «шестерня происхождение слова», был невольно вовлечён в жаркую дискуссию с неоднозначными выводами. Одни утверждают, что шестерёнка- это малое шестизубчатое колесо, другие, что любое зубчатое колесо — это шестерня, и произошло оно от слова шест. Из палочек — шестов делали первые зубья. Третьи говорят, что в основе слова цифра 6. Именно столько зубьев взаимодействующей пары колёс входит в постоянное зацепление при их вращении. Я склонюсь, пожалуй, к последнему: любое колесо с зубьями — это шестерня.
Сказал, и тут же ошибся во всём (рис. 5а). Получается вовсе не колесо и совсем не шесть, а пять. Так что вопрос остаётся открытым.
Пример «готового редуктора» представлен на рис. 5.
Направление движения элементов указано стрелками. Быстрое вращательное движение вала ротора двигателя (точка А) преобразуется им в медленное возвратно-поступательное движение ползуна (точка Б). Пары обозначены числами 1–1, 2–2 и т. д. Другими важными элементами редуктора являются вал и ось.
Вал — это деталь редуктора или полного механизма, имеющая форму стержня (цилиндра) и служащая для передачи на другие детали данного механизма крутящего момента (вращения), тем самым создавая общее движение всех расположенных на нем деталей: например шкивов, шестерен, колес. На рисунке 5 это элемент А (вал двигателя).
Ось — это деталь редуктора, предназначенная для соединения и скрепления между собой деталей данного механизма. Ось воспринимает только поперечные нагрузки (напряжение изгиба). На рисунке 5 это элемент В. Ось чаще всего жёстко закреплена к основанию (корпусу) редуктора, хотя может и вращаться. Однако в передаче вращения от двигателя к «исполнителю» она не участвует. В этом заключается её отличие от вала.
Итак, обобщим: механика многих игрушек может содержать редуктор. В его состав входит корпус-основание, колёса, передающие вращение, валы и оси.
Общие количественно-качественные характеристики выбора редуктора при изготовлении самоделок
Первым условием выбора, конечно, является передаточное число (отношение) редуктора. Его можно определить как отношение числа оборотов ведущего колеса или входного вала к числу оборотов выходного вала или колеса за одно и то же время. Иными словами — это дробь, в числителе которой частота вращения вала мотора игрушки, в знаменателе — частота вращения конечной (выходной) шестерни редуктора (вала на которой она закреплена). Чем больше эта величина, тем медленнее движения исполнительного механизма, но больше его усилие. Говоря совершенно просто, паровозик поедет медленно, но потянет за собой много вагонов. Так, если мы имеем мотор с номинальной частотой вращения 1200 оборотов в минуту, а хотим чтобы колесо робота совершало 60 оборотов в минуту, значит, нам понадобится редуктор с отношением, равным 200.
Как его оценить в готовом редукторе? Самый простой и оправданный способ, особенно если «внутренности» редуктора недоступны глазу, поступить так: поставить риски-метки на входной и выходной валы или передаточные колёса; прокручивая входной вал подсчитать число его оборотов до того момента пока выходной вал не сделает полный оборот. Подсчитанное число и есть передаточное.
А как быть, если метки ставить неудобно или редуктор не прокручивается или нужны точные данные? Здесь придётся проникать в его «недра» и проводить теоретические вычисления. Вновь вернёмся к редуктору — взглянем на рис. 6.
Нетрудно сообразить, что любая крайняя точка колёс любой взаимодействующей пары движется с одинаковой по модулю линейной скоростью (V(A) = V(B)). В противном случае колёса проскальзывали бы друг относительно друга, чего в исправном редукторе не бывает. Пока точка В совершит один оборот точка А сделает примерно три, ведь пути точек из-за равенства скоростей одинаковые и длина обода шкива А в три раза меньше длины обода шкива В. Такое же соотношение имеют диаметры пар колёс. Вывод: во сколько раз диаметр одного взаимодействующего колеса, больше диаметра другого, во столько раз меньше частота его вращения по сравнению с частотой вращения другого. То есть первая пара (рис. 5) понижает частоту вращения втрое, вторая грубо тоже втрое, третья и четвёртая так же. В итоге редуктор снижает частоту вращения шестерни С (рис. 6) в 81 (перемножение получившихся отношений) раз по сравнению с частотой вращения вала (шкив А) мотора. Более точно передаточное число находится при измерении диаметров шестерён и шкивов (колёс) штангельциркулем и вычислении на калькуляторе их отношений.
Вторым условием выбора редуктора можно считать условие количества передаточных пар, величины передаваемою крутящего момента. В конечном итоге речь идёт о массогабаритах редуктора, материалах его изготовления, потерях электроэнергии на поддержание вращения всех его элементов во время передачи вращения.
В игрушечном конструировании оптимальным, по мнению автора, является редуктор с габаритным объёмом в границах от 8 до 125 кубических сантиметров с числом передаточных пар 1–4. Материал корпуса и элементов — пластмасса. Колёса, передающие вращение в основном шестерни, допустимы шкивы. Например, по рисунку 6 редуктор состоит из следующей передающей движение цепочки: шкив на шкив-шестерню; на двойную шестерню; на двойную шестерню; на шестерню с кривошипом и шатуном.
Почему такой выбор? Попробую объяснить «методом от противного». Итак, недостатки фрикционной передачи (рис. 1): проскальзывание, ведущее к непостоянству передаточного числа и потери энергии; необходимость обеспечения прижима, что резко снижает КПД редуктора и, в конечном счете, делает его ненадёжным. Избавится от этих недостатков можно, делая прижим «пружинистым», например как в ходовой части Маавта (Мамичев Д. Игра «Выживание Маавта»// РАДИО 2010; № 10; с.51), но такой вариант существенно усложняет конструкцию редуктора. Ременная передача (рис. 2) так же имеет недостатки, а именно: провисание ремня (резинового пассика), его разрушение со временем, особенно при воздействии низких температур, проскальзывание при вращении. Металлические шестерни и шкивы надёжнее и долговечнее пластмассовых изделий, но их сложнее найти и дороже приобрести. Редуктор из них тяжелее.
Третье условие выбора это, собственно говоря, порядок его обретения. Редуктор можно сделать самому, а можно купить. Сегодня интернет магазины предлагают широкий ассортимент готовых мотор-редукторов (рис. 7).
Однако далеко не всегда имеющийся редуктор подходит под задуманную поделку. В такой ситуации приемлемо изготовить редуктор самому (рис. 8), используя отдельные элементы и части кинематических схем изделий промышленного производства.
Такими «донорами» могут быть старая РЭА, неисправная офисная и бытовая техника, поломанные детские игрушки с «электронной начинкой». Компактные редукторы можно найти в автомобильных CD-приводах, фотоаппаратах «мыльницах». Много шестерёнок, валов и осей можно извлечь из неисправных DVD — приводов компьютеров, принтеров, импортных кассетных магнитофонов, видеомагнитофонов. Готовые редукторы имеются в детских машинках на радиоуправлении и просто электрифицированных с мотором. Механика старых «кварцевых часов» и «ходиков» содержит много полезных вещей, часто реализованных в металле.
Итак, обобщим: при использовании редуктора желательно знать его передаточное число, возможно, его самостоятельное изготовление из элементов кинематики различной аппаратуры и техники.
Несколько слов о двигателях
В игрушечной электронике приемлемо использование достаточно большого ассортимента двигателей постоянного тока (рис. 9).
Начиная с моторчиков виброзвонков сотовых телефонов (1 и 2), двигателей компьютерных приводов, автомобильных проигрывателей дисков (3, 4, 5, 6) и заканчивая «китайскими моторами» от игрушек (7).
«Тяжеловесами» для относительно крупных поделок могут стать двигатели из кинематики принтеров (8), старых кассетных магнитофонов (9) и наконец, отечественная гордость — двигатели серии ДПМ (10). Что касается рабочих напряжений и потребляемых токов многое зависит от конкретного применения в конструкции. Так большинство двигателей типоразмера 1 и 2 «живут в игрушках, не греясь» при подаваемых напряжениях 1,5-3В и потребляемых токах 20-100 мА.
Моторы группы 3–6 функционируют в диапазоне 3–6 В (некоторые рассчитаны на 9 вольт) и потребляемых токах, в зависимости от механической нагрузки, в 30-150 мА. Электродвигатели типа 7 лучше не использовать — при напряжении в 3–4 В они потребляют токи в 150–300 мА даже на холостом ходу. По этой же причине сегодня не находят должного применения «советские игрушечные моторы» (рис. 10).
Двигатели 8-10 в основном рассчитаны на напряжение питания 9-12 вольт и выше. Данные на дорогие и качественные двигатели ДПМ с диаметром корпуса 20 и 25 мм сведены в таблицу (исходные данные позаимствованы из книги В.А. Днищенко «Дистанционное управление моделями», изд. НиТ, 2007 г.).
Конечно, при выборе двигателя под изделие можно полагаться на сугубо теоретические расчёты, но в нашем несерьёзном занятии проще обходится экспериментальными испытаниями двигателей. Итак, попробуем сформулировать основные этапы подбора двигателя под конструкцию.
1. Оценка линейных размеров будущего изделия и массо-габаритов источника питания. (Именно он довольно часто определяет вид будущего мотора игрушки). Так для элементов типа LR44 подойдут двигатели 1, 2. Разумный размер поделки, если она вмещается в куб с ребром 5–6 см. Для двигателей 3, 4 удобнее использовать элементы типа ААА («мизинчиковые батарейки»), сама конструкция может размещаться в кубе с ребром до 10–12 см.
Самые ходовые моторы 5, 6 «созданы» для «солевых батареек» типа АА. Двигатели 8-10 для «алкалиновых элементов», аккумуляторов и прочих более «тяжелых калибров солевых батареек». Кубик-гараж для таких поделок может иметь длину ребра от 15 см и выше.
2. Выбор конкретных моторов по массо — размерам.
3. Выбор наилучшего варианта из имеющихся вариантов. Для испытаний двигателя понадобится источник постоянного тока с регулировкой напряжения от 0 до 12–15 В. Желательно, чтобы источник мог обеспечить ток в нагрузке до 0,5 ампера. Совсем здорово если в блоке питания будет встроенный вольтметр и амперметр. Если их нет не беда, можно собрать простую электрическую цепь (рис. 11). Вольтметр и амперметр так же должны быть рассчитаны на измерение напряжения и силы тока в указанных пределах.
Итак, плавно увеличивая напряжение на контактных лепестках мотора, фиксируем значение силы тока, и напряжения при котором его ротор придёт в постоянное вращение (чем ниже ток, тем «приятнее мотор»). Слегка увеличим напряжение, приложим указательный палец к валу мотора и постепенно начнём надавливать, одновременно увеличивая напряжение. Вновь заметим показания приборов, при которых ток увеличился в 2–3 раза по сравнению с первым фиксированным значением. Подержим вал под пальцем около минуты. Если корпус двигателя слегка нагрелся (кожа ощущает тепло) значит, такой режим работы двигателя приемлем. При этом фиксируем значение питающего напряжения, силы тока, а «на палец запоминаем» крутящий момент и частоту вращения вала при нагрузке. Повторяем «процедуру» для всех экземпляров моторов. Делаем свой выбор по принципу: «Побеждает самый упорный и менее прожорливый!».
4. Далее следует определиться с входным колесом будущего редуктора (рис. 12). Это может быть шестерёнка 1, шкив 2, резиновый валик 3, червяк 4. Диаметры валов моторов составляют ряд 0,7 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм. Колесо должно плотно, с усилием надеваться на вал. Проще всего подобрать вариант 3, сложнее всего вариант 4.
Итак, обобщим: Если двигатель выбран верно, то значение величины тока, потребляемого двигателями самоделок, должно находиться в пределах 50-150 мА, при напряжении источника 3–9 вольт.
Исполнительные устройства — механизмы
В игрушках их может быть много, и они могут быть разные. Например, колесо мобильного робота (рис. 13) или гребной винт на валопроводе (рис. 14), или устройство ударного молоточка (рис. 15).
Это может быть довольно сложная система ходовой части жука-проволочника (рис. 16) или капризная в настройке колебательная система маятника (рис. 17).
Но в любом случае они обеспечивают движение и взаимодействие изделия (его частей) с окружающей средой (полигоном), их основная задача преобразовать вращательное движение выходного вала (колеса) редуктора или двигателя в «нужное» движение изделия или (и) его частей.
Рассмотрим пару самых «ходовых» механизмов. Итак, кривошипно-шатунный механизм (рис. 18) предназначен для преобразования вращательного (точка А) движения в возвратно-поступательное движение (точка В). Механизм является обратимым, следовательно, может преобразовывать возвратно — поступательное движение в движение по окружности.
К основным элементам механизма относятся: кривошип, шатун и ползун. Они связаны друг с другом парой шарниров. Если нужно «организовать» на одном валу несколько взаимосвязанных механизмов, прибегают к использованию коленвала. Принцип действия механизма, конечно, не меняется. Наглядно представить работу механизма позволяют рисунки 19, 20.
Движение его ползуна неравномерное. В окрестностях «мёртвого хода» ползун движется с наименьшими скоростями.
Шарнирно-рычажные механизмы. Они предназначены для смены направления движения одной части механизма относительно другой части. Кроме этого данные механизмы призваны менять длину хода рабочего рычага, увеличивая или уменьшая её. К их основным составным элементам относятся рычаги (звенья) и шарниры. Длина хода в этих механизмах увеличивается за счёт увеличения длины плеча рычага. Один из самых распространённых механизмов это четырёхзвенник (рис. 21). Каждый, наверное, по детству помнит лягушку-попрыгушку (рис. 22). Действие механизма этой игрушки приводило в восторг не одно поколение детей.
Ну а «школьники прошлого века» вероятно, помнят такой своеобразный ручной копир-сканер (рис. 23) под названием пантограф.
С его помощью можно было копировать контуры различных фигур, планов, чертежей, географических карт.
В игрушечном конструировании данные механизмы в явном виде используются при конструировании шагающих игрушек, моделирующих походку человека или насекомого.
Более подробно с другими интересными разновидностями приспособлений исполнительных устройств можно ознакомиться в книге — пособии «ТЕХНИЧЕСКОЕ ТВОРЧЕСТВО», изданной в 1956 году в издательстве «Молодая гвардия».
Некоторые практические замечания по конструированию механики игрушек
1. Если размеры редуктора не критичны, можно его изготовить из самодельных пластмассовых колёс. Например, в модели речного колёсного пароходика (рис. 24). Редуктор состоит из пары колёс 1, 2. Вертикальное колесо снабжено резиновым кантом 3 и «подпружинено» через планку 4 пружиной 5. Слева колесо-основание 1 «подпружинено» валом мотора 7. Он сам крепится к П-образной пластинке 8, ограниченной в пространстве П-образной скобой 6 и парой вертикальных направляющих штырей 9. Между ними расположена пружина, притягивающая элемент 8 к основанию 10. «Ходовая в сборе» изображена на рисунке 25, она состоит из двух симметричных частей.
2. Если предполагается, что игрушка будет ездить по ровной плоской поверхности на маленьких колёсах, то редуктор можно строить на одной понижающей паре (рис. 26).
К некоторым неудобствам относится то, что валы двигателя и колеса расположены под острым углом к основанию. Подробно такой тип ходовой части описан в моей книге «Роботы своими руками. Игрушечная электроника», вышедшей в издательстве Солон-пресс.
3. Основные трудности при сборке и подгонке элементов механики сводятся к необходимости обеспечения лёгкого вращения колёс на осях с их ограничением движения вдоль оси и жёсткого крепления на валах с ограничением их продольного хождения.
Кроме этого большое значение имеет параллельность всех осей и валов друг другу, и точность расположения посадочных отверстий под неподвижные оси и отверстий — подшипников скольжения для валов. Несоблюдение этих условий приводит к «неравномерному» вращению шестерен с заеданием или их прощёлкиванию относительно друг друга. В связи с вышесказанным желательно иметь в арсенале наборы свёрл с шагом в 0,5 мм, например ряд 1 мм, 1,5 мм, 2 мм, 3 мм, 4 мм и свёрла с близкими значениями диаметра с расхождением в 0,1 мм в большую сторону. Осевой люфт легко ограничивается посадкой на оси и валы ограничительных отрезков изоляции проводов, подходящего диаметра или отрезков ПВХ трубки. При этом между подвижной и неподвижной частью детали желательно одевать стальную шайбу, соответствующего размера.
Возможно, после монтажа придётся смещать положение осей или валов относительно друг друга. Такую возможность можно предусмотреть заранее.
В заключение рассмотрим пример изготовления такого редуктора. Время его сборки и подгонки заняло у меня полчаса. Итак, расходные материалы изображены на рисунке 27.
Шестерня, сдвоенная шестерня, шестерня-переходник, скрепка, отрезки стальной спицы и проволоки, мотор с червяком, прямоугольник «толстой пластмассы».
Сначала вставляем шестерню 3 в шестерню 1. Фиксируем каплей клея. Затем одеваем с усилием шестерню на вал 4. Разрезаем пластмассовое основание на две части 2 и 6, лишнее выбрасываем. Навиваем проволоку канцелярской скрепки на вал 4, получаем некое подобие катушки соленоида с выводами. Откусываем лишнее, оставляя длину 5–6 мм. Сверлим в верхней части пластины 2 пару отверстий под крепление детали 5. Вставляем её в основание, вставляем в неё вал 4 с шестерней 1, предварительно надев отрезок ПВХ трубки в качестве ограничителя 10. ВДВИГАЯ И ВЫДВИГАЯ ЭЛЕМЕНТ 5 В ОСНОВАНИЕ, МЫ ПОЛУЧИЛИ ВОЗМОЖНОСТЬ РЕГУЛИРОВКИ ЗАЗОРА МЕЖДУ ШЕСТЕРНЯМИ В РЕДУКТОРЕ. Далее сверлим по месту отверстие под ось 9 в торце пластины 2. Вклеиваем ось и ставим шестерню 8. Регулируем сцепление зубьев элементом 5 и так же фиксируем его на клей. Приклеиваем по месту мотор 7 к основанию 6. И УЖЕ ЗАТЕМ, ОПЯТЬ ЖЕ ПО МЕСТУ, СОЕДИНЯЕМ С ПОМОЩЬЮ КЛЕЯ ОСНОВАНИЕ 2 И ОСНОВАНИЕ 6, РЕГУЛИРУЯ ОДНОВРЕМЕННО ВЕЛИЧИНУ СЦЕПЛЕНИЯ ВИНТА И ЗУБЬЕВ ШЕСТЕРНИ.