Наконец-то я нашел в себе сил начать писать какой-то осмысленный контент про то, что я делаю своими руками, и в этой статье я впервые поведаю о своём очередном амбициозном проекте — попытке построить модель легенды 24 Hours of Le Mans, гоночного автомобиля Mazda 787B в приблизительном масштабе 1:9 из конструктора LEGO Technics.
Так уж получилось, что в мои руки попало огромное количество этого самого LEGO, и возникло закономерное желание собрать что-то этакое, о чём вроде как мечтал в детстве… И вдохновение не заставило себя ждать — покатушки в симуляторе Asetto Corsa с рулём и педалями на упомянутой Mazda 787B однозначно предопределили, что же я ближайшие месяцы буду собирать. А «месяцы» тем временем растянулись почти на два года…
Хотелки были существенные, сделать я планировал как минимум следующее:
- FPV управление, чтобы можно было использовать имеющийся у меня руль с педалями, или просто любой геймпад, причем чтобы работало это всё с как можно меньшим input-лагом
- Как можно большая дальность связи, и чтобы можно было управлять по Wi-Fi, сотовым сетям, и по прямому радиоканалу 433 МГц
- Презентабельный внешний вид, насколько это, правда, возможно в LEGO, аутентичность, реализм.
- Чтобы можно было давать газу :) И желательно, была возможность давить на тормоза
Не сказать, чтобы всем пунктам удалось строго следовать, особенно последним двум, но кое-какие успехи были достигнуты. И сегодня, в первой части статьи, я начну с одного из основных компонентов — с трансмиссии, которая получилась этаким кирпичом моноблоком, да ещё и в комплекте с двигателем.
Всё как в LEGO
Началось всё с реверс-инжиниринга существующих LEGO Technics моделей, точнее с конкретной из них — LEGO Technic 42000 Grand Prix Racer.
Правда, в нём толком не было никакой трансмиссии, однако всё-же имелся задний открытый дифференциал, конструкцию которого я и взял за основу. И это было вообще первое, что я собрал. Конечно, дифференциал с возможностью блокировки был бы интереснее, но начинать с чего-то надо…
Для лучшей устойчивости я поставил две 20-зубых шестерни с двух сторон, хотя одна из них, по сути, ничего не делает, и вращается вхолостую. Впрочем, в дальнейшем я приспособил лишнюю шестеренку для подсчета оборотов вала, с помощью оптопары.
Несколько позже, уже имея 3D принтер и некоторый запас плёнки из PTFE (тефлона) 0.3 мм я еще немного доработал конструкцию, добавив под дифференциал большую комбинированную шайбу из ABS пластика, и тефлоновой прокладки для уменьшения трения. Всё ради того, чтобы от огромного по меркам LEGO крутящего момента дифференциал не перекашивало, и не проскальзывали зубья, а они очень были склонны к проскальзыванию. Шайба, и вообще вся конструкция была также щедро сдобрена силиконовой смазкой ПМС-100. Куда же без смазки?
Вместе с дифференциалом, я частично скопировал и конструкцию задней (а забегая вперёд — и передней) подвески, не самую удачную среди LEGO, надо сказать, но на тот момент у меня попросту не было других деталек. Уже потом я заполучил LEGO Technics 42039 24 Hours Race Car с более компактной подвеской, но что-либо переделывать мне было, естественно, лень.
Коробка передач
Тема коробки передач, да ещё и с плавным сцеплением (как у большого автомобиля), кажется на первый взгляд несколько дикой для поделки из LEGO. Действительно, почему бы просто не поставить фиксированный редуктор, причем из нормальных деталей? Но мы же ведь не ищем лёгких путей, правда… Хотя аргументов в пользу коробки можно наскрести:
- Как минимум, коробка передач — это дань аутентичности
- Обеспечивается более плавный, и менее энергозатратный старт
- Обеспечивается большая максимальная скорость при сохранении возможности плавного старта
- Внезапно, LEGO предоставляет довольно широкие возможности по созданию коробок передач
- Эти самые коробки передач используются во многих LEGO Technics моделях, причем по вполне прямому назначению
Основная мысль простая: без коробки передач, точнее, без изменения передаточного числа от двигателя к колёсам, нельзя одновременно достичь и плавного старта, и большой скорости, получится только что-то одно, особенно если двигатель коллекторный. В конце концов, у электродвигателей тоже есть кривая мощности, и оптимальные режимы работы, как у больших ДВС.
Поэтому, поразмыслив, я начал экспериментировать. Надо заметить, что возможности LEGO Technics я знал тогда плохо, поэтому первые эксперименты были не самыми эффективными. Тем не менее, после некоторых попыток, родилось это:
Конструкция имела целые 4 передачи, давала передаточные числа 9:1, 3:1, 1:1 и 1:3, то есть, на первых двух передачах была редуктором, на третьей передавала момент без изменений, а на четвертой становилась уже мультипликатором, и умножала скорость вращения двигателя в 3 раза. Правда позже я осознал, что умножать 15000 RPM в 3 раза, и подавать прямо на колёса, идея мягко говоря, не очень, даже у моего Dremel’а максимальные обороты составляют 35000 RPM. Не говоря уже о том, что способности деталек LEGO к работе на высоких оборотах ну очень сильно ограничены. Да и вообще, минимальное и максимальное передаточное число в этой системе отличается аж в 27 раз, что явно перебор. У «больших» автомобилей такое различие около 5-6.
Короче, первый блин вышел слегка комом. Я снова сел думать, и экспериментировать. Изучил, наконец, спектр деталек для коробки передач, которые есть в LEGO, учёл ошибки, и даже попробовал использовать Lego Digital Designer. Так появилась вторая версия.
Эта версия выглядела уже более серьезно, имела гораздо более надежный механизм переключения из специально для этого предназначенных деталек (для предыдущей версии я нормальный механизм придумать так и не смог), и давала более близкие к реальности передаточные числа: 31.5:1, 18.9:1, 10.5:1 и 6.3:1 (числа эти итоговые, от двигателя до колес, с учетом шестерён заднего дифференциала и прочего). Проведя некоторые расчеты, я выяснил, что при оборотах двигателя в 15000 RPM, и диаметре колёс 80 мм, машина с такой коробкой сможет в теории на четвертой передаче (6.3:1) разогнаться до 36 км/ч (около 10 м/с), что меня, в целом, устроило. Решено было эту версию оставить.
Давайте разберёмся, как коробка работает. Верхний вал — вход, на него приходит крутящий момент с двигателя через передачу 3:1, то есть, он вращается в 3 раза медленнее, чем вал двигателя. С помощью красной переключающей муфты в центре, можно выбирать, через какую пару шестерен пойдёт момент на вал, на который надета муфта — либо 5:3 (20:12 в количестве зубьев), через черные шестерни слева от муфты, либо без изменений, через шестерни справа от муфты. С центрального вала, крутящий момент снова идёт двумя разными путями, с передаточными соотношениями 3:1 (24:8) и 1:1, и с помощью муфт, которые должны быть внизу, снова можно активный путь выбирать.
Таким образом, все возможные передаточные соотношения коробки получаются из последовательно включенных зубчатых передач 5:3 (20:12) и 3:1 (24:8), с возможностью любую из них заменять на 1:1, то есть на прямую передачу. Получается 4 разных комбинации:
- (20:12) × (24:8) = 5:1 — первая передача
- (24:8) = 3:1 — вторая передача
- (20:12) = 5:3 ≈ 1.6(6):1 — третья передача
- 1:1 — четвёртая передача
Для получения окончательных чисел от двигателя до колес, результаты ещё нужно домножить на 24:8 (с мотора на входной вал), на 24:16 (выход со сцепления) и на 28:20 (вход на дифференциал). В целом, такие передаточные числа уже куда ближе к тем, которые используются в «больших» автомобилях.
Есть у этой конструкции одна проблема — вместо одной переключательной муфты внизу, зачем-то стоят две, которые нужно перемещать влево-вправо синхронно. А если перемещать их не синхронно, а в противоположные стороны, в одной из комбинаций получается заклинивание — вращение валов во всей коробке полностью блокируется. Этой ситуации при создании блока, управляющего передачами, нужно, очевидно, избегать. Правда есть и плюс — муфты в положении, противоположном заклиниванию позволяют создать «нейтральную» передачу, и надежно разорвать поток мощности.
Кстати, переключение передач я решил сделать с помощью сервоприводов SG90. Для которых пришлось с помощью 3D печати создавать адаптеры под LEGO.
Адаптируем сервоприводы
Для использования сервоприводов совместно с LEGO потребовалось с помощью 3D печати сделать 2 детали: держатель (кожух), и адаптер для вращения вала. Толщина сервоприводов к моей радости была значительно меньше 16 мм, что позволило поставить кожухи с сервоприводами плотным рядком, по 2 студа на кожух:
Максимальный угол поворота в 90° тоже пришелся очень кстати, поскольку именно столько и требовалось для переключения передач. Точнее, 90° для первой муфты, и по 45° для двух муфт, движущихся синхронно. Муфты надежно фиксировались на своих местах усилием, создаваемым сервоприводами, любое проскальзывание исключалось.
В итоге получился вот такой дополнительный блок, который просто пристыковывался к основной коробке сбоку, и полностью управлял переключением передач:
Позже в этом блоке разместиться еще и механизм управления сцеплением, но об этом в другой раз.
Двигатель
Если читатель хорошо знаком с LEGO Technics, он вероятно уже мог задаться вопросом, почему в описанной конструкции не используется стандартные LEGO моторы, которых целых 3 разновидности. На то есть причины:
- Первая причина банальна — у меня их нету, а стоят они совершенно никак ничем неоправданных денег.
- Вторая причина — все LEGO моторы идут с редуктором, имеющим довольно большое передаточное число. Этот редуктор становится помехой, если мы хотим получить большие обороты для, скажем, 4-й передачи.
- У всех LEGO моторов маленькая мощность, не превышающая 3 Вт.
Отбросив навязчивую идею специально заказать бесщёточный мотор с контроллером, я решил использовать то, что было — какой-то моторчик из комплекта мини-дрели, с заявленной мощностью около 15 Вт, и максимальными оборотами до 15000 RPM.
Диаметр вала моторчика был 2.3 мм. Для адаптации его под LEGO я попытался сначала просверлить по центру кусочек LEGO оси, но отчаявшись сделать это с достаточной точностью, использовал 3D печать, создав фрагмент такой же оси, но уже с нужным отверстием. Оба варианта привели к тому, что ось рано или поздно начинала проворачиваться, не помогало даже приклеивание её к валу. В дальнейшем выяснилось, что печатать надо было шестеренку полностью, и затем как-нибудь напрессовать её на вал, например шестерню нагреть, а вал охладить. Та фигулька, которую напечатал я от такой процедуры попросту лопалась.
Для того, чтобы зафиксировать двигатель в коробке передач, из кусочка оргстекла я выпилил детальку, более-менее способную фиксироваться в LEGO, к которой двигатель прикручивался на стандартные для него болтики. 3D принтера тогда у меня ещё небыло, так бы лучше эту детальку распечатал бы.
Для фиксации мотора по бокам пришлись кстати фрагменты стен (или чего-то такого, белые на фото) из LEGO, которые (о ужас!) пришлось чуть-чуть доработать напильником. Впрочем, они были китайские, да и доработка была не видна с лицевой стороны, так что особо не жалко.
Апгрейд двигателя
После первой поломки, вызванной вышеупомянутым отклеившимся валом, желание заказать какой-нибудь другой (возможно, более подходящий) двигатель пересилило. Вскоре был приобретён вот такой симпатичный черный мотор:
Новый мотор был длиннее и толще предыдущего, пришлось еще немного увеличить место в коробке, и сделать новые крепления, на этот раз уже с помощью 3D принтера.
Шестеренку в этот раз решил напечатать целиком, надев её на вал с довольно большим усилием. Шестерёнка напрессовалась настолько хорошо, что стащить ее обратно было невозможно без специальных инструментов, и вал не проворачивался даже под максимальным крутящим моментом на всех 12 вольтах. Это, вообще говоря, очень меня порадовало, поскольку сначала я думал вал немного подпилить, сделав там нечто вроде шпон-паза, а идея портить двигатель мне очевидным образом не нравилась.
Вот только понятие «эвольвентный профиль» мне было знакомо весьма смутно, и профиль зубьев я просто скопировал с модели 8-зубой шестерни, взятой из Lego Digital Designer. А большим количеством полигонов, да и вообще, детализацией, модели там не отличаются… Впрочем, профиль получился вполне приемлемый, шестеренка отлично зацеплялась с 24-зубой шестернёй из LEGO, и даже почти не шумела. Даже если двигатель раскручивался до всех 9000 RPM.
Несколько позже я открыл для себя скрипт для 3D Max, умеющий генерировать шестерни с эвольвентным профилем, и даже слегка допилил его, чтобы он умел оставлять зазор между зубьями. Вот как выглядели зубья моей шестеренки на базе LEGO в сравнении с шестеренкой с такими же параметрами, но сгенерированной скриптом:
* * *
Ещё одной важной частью коробки является сцепление, но про него, остальные мелочи и электронику я напишу позже, в следующей статье по этой теме, а то и так букавок и подробностей много что-то получилось…
На последок, несколько фото. Вот например собранный «кирпич» коробки передач. Механизм наверху, это часть сцепления:
А вот этот кирпич уже с колёсами. Образует, так сказать, минимальное шасси, которое уже вполне способно самостоятельно ехать, и даже поворачивать:
Продолжение следует.
