Специально для данной книги автор разработал радиоуправляемую модель автомобиля. Следуя материалам главы, читатель сможет собрать оригинальную конструкцию, не требующую больших материальных затрат и специальных навыков.

8.1. Компоновка модели и схемы

Любую модель, в том числе и автомобиля, можно изготовить, что называется, «с нуля». Однако такой процесс требует от исполнителя определенных навыков, да и необходимый инструмент не всегда может оказаться под руками. Ниже рассматривается вариант изготовления модели, в процессе выполнения слесарно-механических работ над которой потребуется лишь паяльник, напильник, лобзик и дрель.

Все основные элементы, составляющие узлы регулятора хода и рулевой машинки, будут изготавливаться из готовых «полуфабрикатов». Прежде всего, сам автомобиль: очень удобно взять за основу готовую игрушку отечественного или китайского производства, благо в продаже имеется несметное количество моделей.

Желательно выбирать машинку с инерционным двигателем, в этом случае проблема с редуктором привода заднего моста существенно упрощается. Модель выбираемого автомобиля полностью зависит от вкуса конструктора, а вот его размеры должны обеспечить возможность установки на игрушке достаточно емкого аккумулятора.

В нашем случае выберем необслуживаемый герметичный свинцовый аккумулятор китайского производства типа LEOCH DJW12-1,3, напряжением 12 В и емкостью 1,3 А/ч. Такой аккумулятор обеспечит непрерывную работу модели в течение 1,5–2 часов. Срок службы аккумулятора 5 лет. Габаритные размеры 97x43x53 мм, вес — 0,6 кг. Внешний вид приведен на рис. 8.1. Аккумулятор имеет достаточно высокие характеристики и приемлемую стоимость.

Рис. 8.1. Аккумулятор

Далее для примера рассмотрим модификацию автомобиля, представленного на рис. 8.2. Габаритные размеры модели 280x105x105 мм.

Рис. 8.2. Внешний вид модели

Доработке подлежит только шасси модели, исходный вид которого приведен на рис. 8.3. Переднюю подвеску необходимо переделать полностью, а вот задний мост нуждается лишь в замене маховика инерционного двигателя на электродвигатель. В первую очередь шасси нужно укрепить. Для этого из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм лобзиком выпиливается пластина по контуру днища автомобиля.

Рис. 8.3. Днище модели до переделки

Процесс будет идти быстрее, если пользоваться пилочками по дереву, а не по металлу, но хорошего качества. Ребра жесткости, имеющиеся на днище, аккуратно, чтобы не допустить образования трещин, срезаются ножом. Размеры пластины здесь не приводятся, так как ее конфигурация полностью определяется выбранной моделью. Результат усовершенствования днища показан на рис. 8.4. В носовой части видны вырезы под передние колеса, а также кронштейн (две втулки № 1) для крепления передней подвески. Подробнее об этой конструкции будет рассказано в разделе 8.3.

Рис. 8.4. Результат модернизации днища

Далее необходимо выбрать основной двигатель, который будет приводить модель в движение. Для определения требуемой мощности двигателя можно воспользоваться формулой, приведенной в [19]:

N = F∙V/100∙η,

где N — мощность двигателя (Вт); F — сила сопротивления движению (Н); V — скорость движения модели (см/с); η — КПД редуктора.

Силу сопротивления вычисляют по формуле

F = 9,8∙Р∙k.

Здесь Р — вес модели в кг, k — коэффициент сопротивления.

Последняя величина зависит от типа дороги. Для гладкой поверхности (стол, пол) коэффициент можно взять равным 0,04, а для неровной (земля, глина) — 0,1 [19]. Взвесив модель вместе с аккумулятором и добавив ориентировочный вес двигателя и плат с электроникой, получаем F примерно 10 Н.

Редуктор модели будет использован от инерционного двигателя, в котором применены пластмассовые шестерни с малым коэффициентом трения. Его КПД можно принять равным 0,7–0,8.

Скорость можно задать любую, но обычно выбирают такую, при которой модель за одну секунду проходит 0,5–1,5 своей длины. При длине выбранной модели 30 см для движения по грунту получаем минимальную требуемую мощность двигателя V = 0,4 Вт.

Эта величина совместно с выбранным напряжением источника питания (12 В) и кладется в основу выбора двигателя. Во всяком случае, не рекомендуется использовать простейшие двигатели от игрушек. У них слишком мал КПД и очень несовершенен коллектор, являющийся мощным источником помех для борговой аппаратуры.

Подойдут двигатели от лентопротяжных механизмов кассетных магнитофонов, они обычно имеют мощность 0,5–1,1 Вт и напряжение питания 9—12 В. Очень хорош двигатель заправки кассеты от видеомагнитофонов. Его легко можно приобрести в магазинах по продаже запчастей к бытовой электронике, причем встречаются как отечественные, так и импортные варианты исполнения.

На нем в рассматриваемом примере и остановимся. Еще лучше двигатели серий ДПМ и ДПР, но они значительно дороже. Основные характеристики последних двух типов приведены в приложении 2. Если все-таки удалось раздобыть такой двигатель но он оказался рассчитан на напряжение 27 В, можно изготовить достаточно компактный преобразователь напряжения по схеме приведенной в разделе 9.1. Внешний вид указанных двигателя приведен на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Варианты двигателей для модели

Лучшим двигателем для рулевой машинки является представитель малоинерционной серии ДПР, рассчитанный на напряжение 12 В, поскольку его можно запитывать непосредственно от аккумуляторной батарей. Однако совсем неплохо работают и малогабаритные моторчики от аудиоплееров. Они достаточно дешевы и распространены, напряжение питания колеблется в пределах 1,5–6 В.

При выбранном аккумуляторе лучше использовать двигатели на 6 В, так как в этом случае потери на понижающем стабилизаторе напряжения будут меньше. В модели используется именно такой двигатель (изображен на рис. 8.5 последним справа).

Для выбранного ходового двигателя номинальный ток равен 120 мА, а стартовое значение не превышает 0,8 А. В качестве регулятора хода применим вариант № 3, как удовлетворяющий этим требованиям и обеспечивающий минимальные потери энергии на ключевых транзисторах мостового каскада. Сам каскад реализуем на транзисторных сборках IRF7105.

Двигатель рулевой машинки потребляет максимум 0,4 А, поэтому можно использовать любую схему сервоусилителя, например вариант № 7.

Установим на модели супергетеродинный приемник с дешифратором, выполненный по схеме, изображенной рис. 5.70.

Поскольку в процессе управления модель автомобиля все время находится в поле зрения оператора, то дальность действия аппаратуры не должна быть особенно большой. Вполне достаточно передатчика мощностью не более 10 мВт. Как говорилось выше, построение такого передатчика не требует получения разрешения в инспекции электросвязи. Остановимся на варианте, схема которого приведена на рис. 3.35. Совместно с передатчиком будет использоваться шифратор, изображенный на рис. 2.49.

8.2. Конструкция заднего моста

Для переделки инерционного двигателя его необходимо отсоединить от днища автомобиля, открутив два винта-самореза. Корпус состоит из трех стенок: двух внешних и одной внутренней (рис. 8.6). Подшипники шестерен редуктора крепятся к средней и правой (по рисунку) внешней стенке. Далее редуктор разбирается, для чего достаточно открутить два самореза на его корпусе.

После этой операции, отодвинув левую стенку, извлекают маховик инерционного двигателя. На оси маховика закреплена внатяг пластмассовая ведущая шестерня. Она достаточно легко снимается с маховика и надевается на ось ходового двигателя. Диаметры осей маховика и двигателя совпадают, поэтому никаких дополнительных мер по закреплению шестерни на валу двигателя не требуется. В левой стенке лобзиком выпиливается отверстие по диаметру корпуса двигателя.

Рис. 8.6. Задний мост до переделки

Для удобства проведения этой манипуляции стенку можно снять с оси, предварительно сняв левое колесо. Колесо напрессовано на рифленый конец оси, поэтому снимать его нужно без вращения. В противном случае отверстие в пластмассовой ступице увеличится в диаметре, и при возвращении колеса на место не будет обеспечено его жесткое крепление на оси.

В торце двигателя со стороны оси имеются два крепежных отверстия с резьбой М3, расположенные на расстоянии 17 мм друг от друга. В средней стенке редуктора необходимо просверлить два ответных отверстия и закрепить двигатель двумя винтами М3. Винты должны быть достаточно короткими, чтобы, углубившись в корпус двигателя, не мешали вращению его ротора. Левая стенка редуктора привинчивается на место. Переделанный редуктор заднего моста изображен на рис. 8.7.

Габариты двигателя таковы, что приходится удалять левую лапку крепления на корпусе редуктора, но достаточная жесткость фиксации сохраняется и с одной лапкой. При желании, можно применить дополнительный крепежный уголок, поместив его на торцевой стенке редуктора. Далее собранный узел устанавливается на свое место.

Рис. 8.7. Задний мост после переделки

8.3. Механизм поворота передних колес

Для изготовления передней подвески понадобится односторонний фольгированный стеклотекстолит, два потенциометра типа СПЗ-4, шкив диаметром 14–18 мм, винт с резьбой М3 длиной не менее 50 мм, двигатель от плеера (желательно с уже посаженным на вал шкивом), две клеммные колодки с соединительными втулками двух типоразмеров. Втулки у одной должны иметь внутренний диаметр 4 мм, а у другой — 2,7 мм.

Поскольку на этих изделиях никакой маркировки автор не обнаружил, то чтобы было понятно, о чем идет речь, их фотографии приведены на рис. 8.8. Там же изображен шкив от лентопротяжного механизма аудиоплейера, который можно приобрести в отделах запчастей для бытовой радиоаппаратуры. Для определенности в дальнейшем втулку меньшего размера будем называть втулка № 1, а большего — втулка № 2.

Рис. 8.8. Покупные комплектующие передней подвески

При жестком креплении всех четырех колес к модели не обеспечивается их постоянное сцепление с дорогой, если последняя не представляет собой идеальную плоскость. В результате радиус поворота модели увеличивается из-за проскальзывания передних колес. В реальных автомобилях для исключения этого недостатка применяется свободная подвеска каждого из передних колес. В модели можно поступить проще, переднюю подвеску сделаем качающейся в поперечном направлении, при жестком креплении полуосей колес к самой подвеске.

Далее будет излагаться только «идеология» изготовления передней подвески без указания конкретных размеров отдельных элементов, поскольку эти размеры зависят от выбранной модели автомобиля.

Прежде всего, из стеклотекстолита выпиливаются две панели, которые будут служить основанием подвески. Нижняя панель изображена на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Нижняя панель

Две втулки № 1 припаиваются вдоль оси симметрии панели. Предварительно отверстия в них рассверливаются до диаметра 3 мм. Расстояние между втулками должно быть равно удвоенной длине втулки. Такие же отверстия должны быть во втулках кронштейна, припаянного к днищу в носовой части (рис. 8.4). После сборки передней подвески втулки нижней панели совмещаются с втулками кронштейна и пронизываются стержнем диаметром 3 мм. С помощью пайки один из концов стержня фиксируется. Закрепленная таким образом передняя подвеска должна свободно качаться на кронштейне в поперечном направлении.

Весь механизм поворота передних колес монтируется на верхней панели. На рис. 8.10 приведен ее вид сверху. Три отверстия по краям предназначены для крепления к нижней панели (для точного совпадения высверливаются через отверстия этой панели, при ее наложении на верхнюю перед монтажом остальных деталей).

Рис. 8.10. Верхняя панель в сборе, вид сверху

Слева и справа в панели высверливают отверстия диаметром 6 мм. В них закрепляются два потенциометра типа СПЗ-4. У одного из них (правого на рис. 8.10) предварительно снимается защитный колпачок и удаляется все содержимое, кроме оси. К оси припаивается поволок, выпиленный из стеклотекстолита с прорезью для ведущего штифта.

Ширина прорези должна как можно точнее равняться диаметру штифта для уменьшения люфта, который неизбежно возникнет в механизме. В то же время штифт должен достаточно легко скользить в прорези, не создавая излишних потерь на трение. На штифт надета и припаяна пластина-фиксатор, призванная обеспечить вертикальное позиционирование штифта при движении по прорези.

Двигатель со шкивом на оси припаивается в двух-трех точках к текстолитовой рамке, которая винтом М3 крепится к верхней пластине подвески. Отверстие в этой пластине под винт делается продолговатым (на рисунке не видно) для того, чтобы можно было регулировать натяжение пассика, соединяющего шкив двигателя со шкивом червячной передачи.

Потенциометры СПЗ-4 бывают с алюминиевой втулкой и с латунной. Последние предпочтительнее, так как стальная ось лучше скользит по латуни, чем по алюминию. Желательно подобрать пару с как можно меньшим трением. Еще лучше использовать импортные аналоги. Ось у последних вращается очень легко, несмотря на то, что втулки силуминовые.

В правом нижнем углу панели видны винты крепления подшипника червячной передачи, расположенного с противоположной стороны панели. Вид этой стороны изображен на рис. 8.11.

Рис. 8. 11. Верхняя панель, вид снизу

Червячная передача состоит из винта с резьбой М3. Резьба нарезана на длине 45 мм; часть стержня длиной 13–15 мм, оставлена без резьбы. На винт до упора накручивается гайка, затем надевается пластмассовый шкив диаметром 14–18 мм, который фиксируется еще одной гайкой.

В качестве подшипника используется втулка № 1, отверстие в которой рассверливается до 3 мм. Втулка припаивается к текстолитовой пластине, в которой просверлены два отверстия для крепления подшипника к верхней пластине передней подвески. В подшипник вставляется хвостовик винта червячной передачи, на котором резьба отсутствует. Затем прокладывается шайба и припаивается стопор. Стопор представляет собой гайку М3, в которой резьбовое отверстие рассверлено до диаметра 3 мм. Стопор необходимо припаять таким образом, чтобы при отсутствии люфта винт еще легко вращался в подшипнике.

Штифт диаметром 2–3 мм впаивается в отверстие прямоугольной пластины размером 8x16 мм и пропускается через прорези верхней панели подвески и поводка (рис. 8.10). Подшипник вместе с винтом червячной передачи прикручивается к верхней панели. На винт накручивается втулка № 1, в отверстии которой предварительно нарезана резьба М3. Втулка припаивается к прямоугольной пластине со штифтом.

Перед установкой подшипника на шкив червячной передачи необходимо надеть резиновый пассик подходящего диаметра. Такие пассики различных типоразмеров из комплектов аудиоплееров имеются в магазинах запасных частей для бытовой техники. На этом сборку механизма поворота передних колес можно считать законченной.

Ось с передними колесами, снятую с модели, необходимо распилить на две части. Основой подвески каждого из передних колес служат втулки № 2. Одно из резьбовых отверстий, имеющихся во втулке, рассверливается до 3 мм и выполняется сквозным. В него со стороны полукруглой поверхности вставляется полуось с предварительно надетой шайбой. Затем надевается еще две шайбы; внешняя припаивается к полуоси. Выступающая часть полуоси отпиливается. К противоположному торцу втулки припаивается рычаг трапеции, в котором просверлено отверстие диаметром 4 мм. Чтобы отверстия в рычаге и во втулке совпадали, пайку нужно вести, вставив во втулку стержень диаметром 4 мм.

Далее втулка надевается на ось ранее закрепленного на панели потенциометра и фиксируется винтом М3 через второе резьбовое отверстие втулки. Аналогично монтируется второе колесо. Рычаги трапеции соединяются коромыслом, для чего на концах рычагов и коромысла сверлятся отверстия диаметром 0,8–1 мм. В эти отверстия вставляются гвоздики подходящего диаметра. Гвоздик со стороны, противоположной шляпке, припаивается к коромыслу.

На рис. 8.12 изображен общий вид передней подвески.

Рисунок дает более наглядную картину сборки подвески передних колес. Верхняя и нижняя панели соединяются в трех точках через распорные стойки винтами М2,5 длиной 20 мм. В качестве стоек используются три втулки № 1.

Рис. 8.12. Передняя подвеска в сборе

Полностью смонтированное шасси автомобиля показано на рис. 8.13. Печатная плата регулятора хода крепиться позади редуктора на двух стойках, в качестве которых используются втулки № 2. Аккумулятор фиксируется к днищу автомобиля с помощью n-образного хомута. Печатные платы приемника и сервоусилителя рулевой машинки привинчиваются вертикально по обеим сторонам от аккумулятора к стойкам, функции которых выполняют все те же втулки № 2. Перечисленные элементы на рисунке не показаны. На верхней панели передней подвески достаточно свободного места, и ее можно использовать в качестве печатной платы сервоусилителя рулевой машинки примерно так, как это показано на следующем рисунке.

Рис. 8. 13. Общий вид шасси автомобиля

Если предполагается запускать модель на ровной поверхности, то переднюю подвеску можно не делать «плавающей», что несколько упростит конструкцию. В этом случае целесообразно элементы подвески и всю электронику разместить на одной плате, как это показано на рис. 8.14. Здесь изображено шасси другой модели автомобиля с иными вариантами приемника, регулятора хода и сервоусилителя рулевой машинки.

Рис. 8.14. Вариант модернизации шасси

8.4. Пульт управления

Общий вид платы выбранного варианта передатчика с шифратором приведен на рис. 8.15.

В простейшем случае потенциометры, задающие длительности командных импульсов, располагают непосредственно на плате так, как это показано на рисунке. Ручки управления закрепляются на осях потенциометров с помощью втулки № 1, распиленной пополам.

Корпус для пульта управления можно подобрать готовый или спаять его из панелей, вырезанных из фольгированного стеклотекстолита. Панели собираются фольгой вовнутрь и пропаиваются по швам. Снаружи корпус покрывается самоклеящейся пленкой.

Процедура настройки всех составных частей бортовой аппаратуры и передатчика описана ранее и здесь не приводится.

Рис. 8.15. Передатчик с шифратором