ЭФФЕКТИВНОСТЬ. ЛЮФТ

Эффективность. Каждая передача в нашем механизме использует часть мощности приводного двигателя, а эффективность передачи говорит нам, сколько энергии передается и сколько теряется. К сожалению очень трудно рассчитать индивидуальный эффект каждой передачи, и не существует надежных передач LEGO, поэтому сформулируем два основных правила для максимальной эффективности среди конструкторов LEGO:

v    чем меньше передач, чем лучше;

v    чем меньше количество взаимодействующих зубьев шести и колеса, тем лучше.

К сожалению, это означает, что, например, передаточное отношение, равное 1:1, может быть только теоретически. Если существуют механизмы, есть и потери. Единственным механизмом, в котором передаточное отношение 1:1, можно считать двигатель, подключенный непосредственно к колесам.

Рассмотрим пример механизма, когда эффективность имеет решающее значение - червячный редуктор. Как упоминалось ранее, червячная передача популярна, потому что она предлагает редуктор с очень высоким передаточным отношением. Но на самом деле это худшая передача с точки зрения эффективности, некоторые источники считают, что она теряет почти треть мощности двигателя из-за большого трения (по этой причине «червяк» не может быть ведомой шестерней (рис. 231)). Если механизм работает с высоким крутящим моментом в течение длительного промежутка времени, то в результате возникающего трения в червячной передаче происходит нагревание взаимодействующих элементов. Червячные передачи незаменимы для некоторых механизмов (см. пример в разделе «червячные передачи»), но в целом они должны использоваться только в случае необходимости.

         Люфт. Далее рассмотрим еще одно понятие, которое возникает при взаимодействии зубчатых колес - люфт. Люфт в механике LEGO - это свободное пространство между отверстиями зубьев двух соседних передач. В идеальной ситуации не должно быть никакого свободного пространства при взаимодействии, и зубья шестерен должны иметь полный контакт друг с другом. Эту ситуацию, к сожалению, очень трудно достигнуть, используя стандартные передачи (наилучшее сцепление производят косозубые шестерни, но они отсутствуют в мире LEGO Technic), поэтому передачи LEGO всегда создают некоторый люфт.

Существуют общие правила, с помощью которых можно уменьшить люфт:

v    конические передачи имеют меньший люфт, чем цилиндрические передачи;

v    чем меньше передач, тем больше люфт;

v    люфт между любыми двумя отверстиями в передаче суммируется.

В цилиндрических передачах участие шестерни с 8 зубьями дает больший люфт, чем шестерня с 40 зубьями. Любые конические шестерни дают меньший люфт, по сравнению с цилиндрическими шестеренками с таким же количеством зубьев. Поэтому для уменьшения люфта можно использовать цилиндрические шестерни совместно с коническими шестеренками.

Рассмотрим работу «червячной передачи». Эта передача опять же носит уникальный характер и работает практически без люфта. Но это не означает, что механизмы с червячной передачей имеют нулевой зазор – к сожалению, они еще имеют люфт ведомой шестерни.

Поэтому механизм с «червяком» и ведомой шестерней с 16 зубьями всегда будет иметь больший люфт, чем взаимодействие «червяка» и ведомой шестерни с 24 зубьями. И, опять же, рекомендуется использовать червячные передачи с коническими шестернями из-за их относительно незначительного люфта.

Почему появление люфта носит отрицательный характер? Рассмотрим рулевой механизм с большими колесами, приводимый в действие двигателем, скорость у которого уменьшена в 27 раз - это означает, что были использованы три пары ведущих шестерен с 8 зубьями и ведомых колес с 24 зубьями. Три шестерни с 8 зубьями вместе вызывают большую отрицательную реакцию, что приведет к ухудшению точности руля и сделает некоторый запас свободы в управлении колес, поэтому они могут немного повернуть, когда встретят препятствие.

         Люфт обычно не является реальной проблемой для транспортных средств (за исключением самых больших), но это проблема, когда необходима точность. Многие виды машин и механизмов, например, краны или подъемные мосты страдают от люфта. Лучший способ избежать этого - использовать пневматику вместо механики или использовать линейные приводы, которые в настоящее время имеют наименьший люфт из всех механических частей производства LEGO.

         Дополнительная информация. Линейный привод -интересная деталь, входящая в некоторые стандартные наборы LEGO«Technic».

Рис. 232 Линейный привод

Функция линейного привода - преобразование вращательного движения в линейное (вперед - назад). Чтобы лучше представить, что именно делает линейный привод, можно взглянуть на следующую схему (рис. 233).

Как видно из схемы, если прикладывать энергию от двигателя к оси, приводящей в действие червячную передачу (1), то зубчатые пластины (3), посредством маленькой шестерни (2) начнут двигаться вперед или назад, в зависимости от направления вращения мотора.

Принцип работы линейного привода от LEGO почти такой же. Существенное отличие заключается в том, что он защищен специальным механизмом от повреждений. На крайних положениях поршня привода этот механизм перестает преобразовывать вращение, предотвращая выламывание стенок привода. Примеры того, как используются приводы можно легко найти в сети Интернет.

Рис. 233 Схема линейного привода

         Следует обратить внимание еще на одну деталь LEGO - это колесо-ручка (рис.18).

Рис. 234 Колесо-ручка

Есть две важные вещи, которые необходимо знать о детали колесо-ручка: во-первых, эта деталь будет работать только в паре с другой точно такой же деталью, во-вторых, пара колесо-ручка взаимодействуют между собой гораздо сильнее, чем зубчатые колеса, и они могут обрабатывать значительно больший крутящий момент. Последнее свойство делает их популярными среди строителей, потому что колесо-ручка может взаимодействовать как в перпендикулярном, так и в параллельном направлении. Эта деталь чаще всего используются в перпендикулярных взаимодействиях. Хорошим примером использования детали колесо-ручка является набор LEGO 8421, где она использовалась для работы поперечной опоры со значительным крутящим моментом. Недостатком колеса-ручки является то, что в большинстве случаев они зацепляются только в одной точке (две точки при параллельном способе зацепления), и эта точка изменяется четыре раза за один оборот. Поэтому они работают как механизм только с 4 зубьями, а именно: они работают неравномерно. Это особенно видно, когда большой крутящий момент прикладывается к перпендикуляру стойки регулятора колеса - их скорость вращения начинает колебаться. Кроме того, во взаимодействии участвует 4 «ручки», следовательно, они склоны к быстрому износу.