Посредственный учитель рассказывает, хороший учитель объясняет,
замечательный учитель показывает, гениальный учитель вдохновляет

Тульский государственный педагогический университет им Л.Н. Толстого
Е.М. Мазейкин, В.Е. Шмелев
Конструирование и моделирование технических устройств

ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ТВОРЧЕСКО-КОНСТРУКТОРСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
 

Основные аспекты ТКД Изготовление моделей ТУ Литература

    Основные аспекты ТКД
     Изготовление моделей ТУ   

ВВЕДЕНИЕ

Процесс проектирования и изготовления натурных моделей часто называют "моделизмом", а людей занимающихся этим видом творчества называют "моделистами".
Моделизмом занимается достаточно большая часть населения РФ. Для нее выпускаются даже специальные периодические издания, такие как журналы "Моделист-конструктор", "Юный техник", "Сделай сам", "Катера и яхты", "Радио" и др. Кроме этого выпускается специальная литература по разным разделам моделизма.
Все технические модели подразделяются на следующие группы по видам техники:

  • автомоделирование;
  • судомоделирование;
  • авиамоделирование;
  • моделирование железнодорожных средств;
  • моделирование сельскохозяйственных машин и орудий;
  • экспериментальное моделирование (моделирование новой техники или
  • фантастических устройств).

Каждая из перечисленных групп подразделяется, в свою очередь, на действующие модели и стационарные.
Действующие модели, в свою очередь, также подразделяются на классы.
Например, в автомоделировании выделяют следующие классы:

1) модели-копии, геометрически подобные модели автомобилей в уменьшенном масштабе (размером не более чем 500 мм);

2) спортивные модели:
- скоростные (гоночные);
- гоночные модели - копии спортивных автомобилей (управление с помощью корда, по радио, с помощью ИК лучей).

Очевидно, что при моделировании, особенно, если это моделирование связано с моделированием работы прототипа или какого-либо технического устройства, необходимы также и теоретические сведения об условиях работы модели или устройства в различных условиях. Для этого необходимо знать, как ведет себя в этих же условиях прототип.
Для авиамоделистов возникает много вопросов. Почему аппараты тяжелее воздуха летают? Как возникает подъемная сила? Как происходит изменение курса самолета? Как он взлетает и как садится? Много вопросов возникает и у автомоделистов и судомоделистов. Попробуем дать ответы на некоторые вопросы.

2.1. Проектирование моделей наземных транспортных средств
2.2. Проектирование моделей судов
2.3. Проектирование моделей авиационной техники
2.4. Проектирование электрических и электромеханических устройств
2.5. Электроника в моделировании и техническом творчестве

Проектирование моделей
наземных транспортных средств

2.1.1. Постановка задачи.

Конструирование моделей транспортных средств (автомобилей, тракторов, самоходных тележек и т.п.) представляет большой интерес для юных техников, так как эти модели являются примерами полноценных машин со всеми характерными признаками: двигателями, передаточными механизмами, рабочими органами, несущими конструкциями и основными функциями (рис. 2.1).
При разработке моделей транспортных средств не только юным конструкторам, но и профессионалам, приходится пройти все этапы конструирования, которые приведены в 1-ом разделе данного пособия. Напомним, эти этапы: формулировка задачи; разработка технического задания; разработка принципиальной и кинематической схемы модели; выбор двигателя и основных параметров двигателя; аналитическое проектирование; разработка конструкции основных узлов и агрегатов, оформление технической и технологической документации; изготовление модели; испытание модели и корректировка документации.
Главное в работе любого (и в том числе юного) конструктора - это стремление к познанию и созиданию, стремление достичь конечной цели - получить новое задуманное изделие, выполняющее конкретные рабочие функции.
Обычно разработка модели начинается с интереса к какому-либо классу машин или с практической потребности сделать машину для практического применения, предварительно решив многие вопросы при построении модели.

Выбрав объект своей деятельности, формулируют задачу в общем виде, обращая внимание на главные ее функции.
Например, рассмотрим процесс построения модели транспортного средства на примере самоходной тележки для перемещения грузов в помещении (например, в столовой, библиотеке и т.п.).
Общая формулировка задачи: "нужна модель самоходной тележки для перевозки грузов в помещении".
Далее необходимо уточнить и конкретизировать эту задачу, перейдя к количественным показателям свойств модели, каковы размеры модели (длина, ширина, высота), какова грузоподъемность техники, какова скорость перемещения груза.
Главная функция модели - перемещение груза в помещении, то есть по гладкому полу. Отсюда требования к модели - совершать определенную работу, которая определяется зависимостью

А = F · l,

где F - сила сопротивления, H; l - расстояние, м.
Для определения силы F надо знать массу тележки и массу груза, перемещаемого на ней.
Массу модели можно предварительно определить по соображениям ее транспортировки (переноски вручную), демонстрацию ее на выставках, на занятиях кружков. Модель не должна быть тяжелой. Это и есть одно из ограничений на постройку модели. На первом этапе можно задаться массой модели mм < mгр < 1 кг.
Определение скорости модели и мощности двигателя.
Скорость модели определяется из соображений ее наглядности движения в помещении, соответствие этой скорости размерам модели.
Определить скорость перемещения модели можно опытным путем, перемещая простые предметы - коробку, брусок дерева, утюг по столу или на полу, наглядно представляя тем самым процесс передвижения. Измеряя секундомером время перемещения и зная расстояние, на которое переместился предмет, определяют скорость u по простой формуле

u = l / t,             (2.1)

где l - расстояние, на которое перемещается предмет, м; t - время, с.
Обычно это скорость получается в пределах от 5 км/час до 10 км/час.
Мощность двигательной установки определяется

N = Fсопр · u,             (2.2)

Fсопр = (Gм+Gгр) · k,            (2.3)

где Gм - масса тележки, кг; Gгр - масса груза, кг; k - коэффициент трения колес по поверхности перемещения, зависящий от состояния поверхности. Для гладкого пола k = 0,05; для грунтовой площадки - k = 0,1; для площадки, покрытой мелким гравием k = 0,5.
С учетом зависимости (2.3) получим

N= (Gм+Gгр) · k·u            (2.4)

Поскольку скорость модели небольшая, то ее габариты выбирают из соображений удобства управления, размеров помещения для демонстрации, удобства перевозки. Рекомендуются следующие габариты модели: длина не более 500 мм, ширина не более 250 мм, высота (с грузом) не более 300 мм.
Мощность определяют в ваттах.

2.1.2. Выбор источника энергии для модели.

При разработке моделей необходимо помнить, что могут быть использованы различные виды энергии: энергия воды, энергия ветра, энергия пара (паровая машина - пароход, паровоз), подъемная сила воздуха и свободное движение по ветру - воздушные шары и др.
Особенно следует отметить электрическую энергию, ее способность превращаться в другие виды энергии, а также возможность накопления ее в химических источниках (аккумуляторах, гальванических элементах).
Для автомоделизма удобнее всего использовать электрическую энергию от электрических батарей или от аккумуляторов т. к. при этом значительно упрощается компоновочная схема модели, а ее кинематические свойства остаются стабильными в течение достаточно длительного промежутка времени.

2.1.3. Выбор двигателя и разработка передаточного механизма.

Исходя из общей задачи проектирования, движитель модели определен заранее - это колесо. Но для других транспортных средств возможно применение и других движителей, например: шагающие модели (аналоги ноги человека и животных), ласты, весла, паруса, многолопастные колеса, гусеницы, винт воздушный, винт гребной, реактивные двигатели и др.
Для движения модели по полу необходимо выбрать электродвигатель подходящей мощности. Среди малогабаритных двигателей наибольшее распространение получили двигатели серии ДП, ДПЗ, ДКС, МУ, например,

  • от ДП-4 мощностью 1,2 - 1,5 Вт до ДП-33 мощностью 17,5 Вт,
  • от ДПЗ-1,7 мощностью 4 Вт до ДПЗ-8 мощностью 19 Вт;
  • от 2ДКС-7 мощностью 0,6 Вт до ДКС-16 мощностью 1,8 Вт;
  • от МУ-110 мощностью 24 Вт до МУ-220 мощностью 110 Вт.

Напряжение питания таких двигателей от 3,5 В до 27 В. Основные параметры двигателей приведены в главе 3 (табл. 3.2).
Для колесного движителя необходимо определить количество колес и их диаметр. Заметим, что для равномерного движения по плоской поверхности минимально необходимое число колес равно 3, а по неровной, учитывая повороты на скорости - 4.
Диаметр колеса можно найти, задавшись величиной неровностей поверхности перемещений. Допустим, что неровности поверхности не более 0,5 см, тогда колесо должно быть не менее, чем в 10 раз превышать высоту неровностей, отсюда Dк = 0,5 · 10 = 5 см.
Частота вращения колеса nk определяется по формуле

nk = V /(p · Dk)            (2.5)

Как уже отмечалось, число колес транспортного средства определяется устойчивостью его при движении по курсу и при поворотах, а также площадью опоры на грунт Son, которую можно определить по формуле

Son = Gm / (pr · zk) ,           (2.6)

где Gm - масса модели , кг; pr - удельное давление на грунт, кг/м 2 ; zk - число колес .
Рабочая поверхность колеса должна обеспечивать хорошее сцепление с поверхностью перемещения и не создавать излишнего шума.
Лучшее покрытие для колеса - это резиновое. Можно использовать готовые резиновые колеса из набора "Конструктор" или сделать самим, зажав листовую заготовку из твердой резины между круглыми металлическими дисками и отшлифовав поверхность резины шкуркой на токарном или сверлильном станке. Очевидно, что диаметр металлических дисков в этом случае должен соответствовать диаметру резинового колеса.
Так как двигатели, выпускаемые для автомоделей являются, в основном, высокооборотными (от 1600 до 14000 об/мин), то для обеспечения необходимой скорости передвижения u, которая может быть определена по формуле (2.1), необходим передаточный механизм - редуктор. Редуктор служит не только для передачи вращения от вала двигателя к колесу, но и снижает количество оборотов вала двигателя.
Передаточное число редуктора

i = nдв /nк ,           (2.7)

где nдв - частота вращения вала двигателя, об / мин; nк - частота вращения ведущего колеса, об/мин.
При передаче вращения гладкими колесами

i = n1 / n2 = d2 / d1 ,           (2.8)

где d2 - диаметр ведомого колеса, мм; d1- диаметр ведущего вала, мм; n1 - число оборотов ведущего вала; n2 - число оборотов ведомого вала.
При наличии зубчатых передач:

i = n1 / n2 = z2 / z1,            (2.9)

где z1- число зубьев шестерни; z2- число зубьев ведомого колеса. Здесь число i определяется для одной пары колес (одной ступени).
В многоступенчатой передаче:

i = i1· i2 · i3·…· in,           (2.10)

где i1, i2,…, in - передаточные числа первой и последующей ступеней. Некоторые варианты редукторов для моделей транспортных средств представлены на рис.2.2.

2.2.4. Разработка механизма управления моделью.

Перед разработкой механизма управления моделью необходимо:

  • иметь общие понятия об управлении вообще и техническими устройствами в частности;
  • представлять возможности систем автоматического управления объектами, в которых используется принцип обратной связи;
  • познакомиться с системами дистанционного управления.

На моделях транспортных средств (особенно с учащимися) часто реализуют принцип "включить-выключить". Реализовать этот принцип можно разными методами, например механическим (через нити или корды), электромеханическим (по проводам), световым лучом, с помощью электромагнитных волн (радиоуправление).
Наиболее просто и удобно реализовывать управление тележкой электромеханическим методом, передовая команды управления по проводам (включая и выключая соответствующие реле на тележке). Простейшая схема управления показана на рис.2.3. Пульт управления должен быть снабжен выключателями (тумблерами) с соответствующими надписями, например: "вперед", "назад", "влево", "вправо", "стоп".
Более сложной является схема управления с помощью радиоволн. Здесь необходим многоканальный передатчик и соответствующий приемник, принимающий импульсы передатчика и преобразовывающий их в соответствующие команды для исполнительных органов (чаще всего электромагниты). Эта схема хорошо разработана, достаточно опробована на моделях различного класса и приведена в различных источниках информации, например, в [8].

2.1.5. Компоновка модели и определение её окончательной формы.

Компоновкой называют определение взаимного расположения деталей и узлов модели на несущей конструкции (шасси), крепление их на определенных местах, обеспечение необходимых движений модели и определение окончательной формы модели.
Расположение деталей на несущей конструкции определяется их функциональным назначением, формой установочных поверхностей и крепежными элементами. Один из вариантов компоновки тележки дан на рис. 2. 4.
При компоновке модели необходимо учитывать, что сцепление колес с плоскостью, по которой движется модель, будет тем больше, чем больше будет сдвинут общий центр масс в сторону ведущих колес. Именно поэтому для автомобилей, у которых двигатель расположен впереди, проходимость переднеприводных машин всегда лучше, чем у заднеприводных. И, наоборот, у автомобилей, у которых двигатель расположен сзади, проходимость заднеприводных машин будет лучше, чем у других конструкций. И в том и в другом случае давление на ведущие колеса будет больше, чем на ведомые. Тем самым увеличивается не только сцепление с дорогой, но и тяговое усилие.
Форма модели должна соответствовать ее назначению. Она должна быть безопасной в эксплуатации, позволять выполнять настройки и регулировки элементов, устранять возможные неисправности.
При определении формы надо учитывать взаимодействие человека и модели при ее эксплуатации (эргономику), возможности изготовления в условиях школьных мастерских, приобретения отдельных деталей.

При разработке формы модели целесообразно использовать простые материалы: бумагу, картон, пластилин, глину. Необходимо проработать несколько вариантов и выбрать наилучший из них.
При разработке формы модели надо помнить не только о технической стороне модели, но и эстетической. Хорошо работающая модель, которая к тому же и эстетично исполнена, вызывает удивление и восхищение. Моделисту-конструктору необходимо знать основные законы технического конструирования, дизайна и применять их при изготовлении моделей или других технических устройств [4].
Большую помощь при определении формы и выборе цвета изделия могут оказать цветные фотографии, слайды, диапозитивы изделий, близких по назначению к создаваемой модели. Для этого необходимо работать с источниками информации: соответствующими методическими материалами, периодическими журналами, специальными изданиями, материалами выставок технического творчества, знакомиться с различными музейными и частными коллекциями.
Коллекционеры часто создают коллекции, составленные по каким-либо критериям. Например, может быть составлена коллекция автомобилей, выпускаемая одним заводом на протяжении многих лет со дня его основания. Главное, использовать при изготовлении составляющих коллекции один и тот же масштаб (рис.2.5).

Проектирование моделей
судов

2.2.1. Классификация судов и кораблей.

Суда и корабли представляют собой технические транспортные средства для передвижения полезного груза по воде или под водой.
Суда и корабли различаются по назначению. Судами называются гражданские транспортные средства, а кораблями - военные. Иногда кораблями называют океанские пассажирские и грузовые суда большого водоизмещения.
Гражданские суда подразделяются на транспортные, вспомогательные, спортивные и технические. Транспортные суда, в свою очередь, делятся на пассажирские и грузовые, вспомогательные - на ледокольные и буксирные, лоцманские и спасательные. К специальным судам относятся научно-исследовательские, учебные, пожарные и т.п. Технические суда - это землесосы, землечерпалки, доки, грузовые баржи, суда для водолазных работ и т.п. Спортивные суда - это суда малого водоизмещения для водного туризма, прогулок, для спортивных соревнований.
Суда бывают гребными, парусными и моторными ( рис. 2.6).
Суда можно классифицировать и по другим признакам. Например, их можно классифицировать:

  • по району плавания (морские, речные, смешанные),
  • по типу двигателей (теплоходы, турбоходы, атомоходы),
  • по принципу удержания на поверхности воды (водоизмещающие, аэродинамические, гидродинамические, на подводных крыльях).

2.2.2. Устройство судов и кораблей, основные соотношения размеров их моделей.

Современные суда и корабли представляют собой сложные инженерные сооружения, которые могут плавать длительное время как на поверхности воды, так и под водой. Основные части одного из кораблей приведены на рис. 2.7.

Главной частью судна или корабля является корпус 1, который служит защитой от внешнего давления воды и в котором размещены все остальные части корабля.

Горизонтальные плоскости корабля называются палубами 2. Внутри корпуса расположен главный двигатель 3, который вращает гребной вал 4 и винт 5. Винт воздействует на воду и толкает корабль вперед.

Направление, в котором движется корабль в данный момент времени, называется курсом. Изменение курса осуществляется поворотом руля 6. При отклонении его в какую-либо сторону создается боковое гидродинамическое усилие, которое и отклоняет судно или корабль в эту сторону. Отклонение руля вправо поворачивает судно вправо и наоборот, руль влево - судно влево.

На верхней палубе располагаются надстройки 7 различного назначения, а также вооружение. На сторожевом катере - это две зенитные установки 8 с пулеметами и пушка 9.

На палубе размещаются также две шлюпки 10, которые предназначены для высадки десанта на берег или являются спасательными средствами при аварийных и критических ситуациях на корабле.

Корабль снабжен также устройствами для причаливания 11 (швартовки) к месту стоянки. Имеется также лебедка или шпиль 12 для спуска и подъема якоря.

Перед тем, как рассматривать основные геометрические параметры судов или кораблей, следует заметить, что в судостроении и кораблестроении существует много терминов, которые характерны только для плавания по воде. К одному из таких специфических терминов относится размерение. Этот термин обозначает простановку размеров на чертежах судов и кораблей.
На рис.2.8 приведены основные размерения корпуса - длина L, ширина В и высота борта Н (наибольшие и расчетные).
Для кораблей расчетные значения L, B и H определяются от конструктивной ватерлинии (КВЛ), т.е. от плоскости воды при погружении корабля. Для гражданских судов эти значения определяются от грузовой ватерлинии (ГВЛ), определяемой по плоскости воды при полной нагрузке судна. Высота борта Н определяется от нижней линии корпуса (киля) до верхней водонепроницаемой палубы. Осадка Т измеряется от КВЛ или ГВЛ до нижней точки киля.
Во всех случаях необходимо использовать теоретический чертеж модели корпуса, построенный в выбранном (или заданном) масштабе. Теоретический чертеж должен учитывать расчетные величины длины судна Lp, ширины Вр, высоты борта Н и осадки Т.

Пример выполнения теоретического чертежа корпуса модели бота приведен на рис. 2.9.
Чертежи строят в трех проекциях. Главный вид ("Бок") показывает очертания корпуса в сечении продольной вертикальной плоскостью, проходящей через продольную ось корпуса, (диаметральная плоскость ДП) и линии сечения продольными вертикальными плоскостями, параллельными ДП (батоксы), - батокс I, батокс II и т.д.
На плане изображают вид сверху (полуширота) по наружному контуру и сечения горизонтальными плоскостями (теоретическими ватерлиниями ВЛ) - грузовой ватерлинией ГВЛ - ВЛ0, ВЛI, ВЛII и т.д. Поскольку корпус симметричен относительно диаметральной плоскости, то вычерчивают только половину корпуса.
Третья проекция - фронтальная (корма и нос). Она изображается справа. На ней показывают поперечные сечения корпуса плоскостями, которые называют теоретическими шпангоутами, пронумерованными по ГВЛ от "0" до "n", (где "n" - последний номер). Расстояние между двумя соседними теоретическими шпангоутами равно определенному шагу, который называется "шпация". Очевидно, что, зная величину расчетной длины модели Lp и количество теоретических шпангоутов k, можно определит величину "шпации" h по формуле

h = Lp /(k - 1)           (2.10)

На профильной проекции слева от линии ДП строят линии сечений при виде с кормы. Среднее сечение, обычно самое широкое, называют мидель-шпангоутом.
Теоретический чертеж корпуса модели судна выполняют в натуральную величину. По нему изготавливают необходимые шаблоны шпангоутов и теоретических ватерлиний. По ним проверяют правильность обводов корпуса модели как в поперечном, так и в продольном направлениях. Количество шаблонов теоретических шпангоутов, батоксов и ватерлиний зависит от размеров модели и сложности её формы.

Линейные размеры модели обычно уменьшаются в определенное число раз, т.е. применяется определенный линейный масштаб уменьшения l.
Скорость моделей судов или кораблей определяется в соответствии с теорией подобия по зависимости:

vm = 0,514·vc/Цl           (2.11)


где vс - скорость судна в узлах (1 узел = 1,852 км/час = 0,514 м /c).
Частота вращения гребного винта модели:

nm = nc Цl          (2.12)

где nc - частота вращения винта прототипа.
Мощность двигателя модели

Nm = Nc/l 3,5           (2.13)

где Nc - мощность двигателя прототипа.

Площади различных поверхностей модели определяется по формуле

Sm = Sc/l 2           (2.14)

где Sс - площадь поверхности соответствующих поверхностей прототипа (палубы, паруса надстройки и т.п.).

Сила тяжести судна D, плавающего на поверхности воды (надводного судна), равна весу воды в объеме погруженной части судна. Она называется весовым водоизмещением. Объем V погруженной части судна называется объемным водоизмещение. Эти две величины связаны следующей зависимостью

D= g·V           (2.15)

где g - удельный вес воды, н/м3.

Уравнение 2.15 называют уравнением плавучести, оно является основным уравнением для судостроения.
Корпуса судов состоят из криволинейных поверхностей, поэтому для определения значения V используют параллелепипед, описанный около подводной части корпуса, и значения коэффициента полноты водоизмещения

d= V/(Lп·Bп·Tп)           (2.16)

где Lп, Bп и Тп - длина, ширина и высота описанного параллелепипеда.

Коэффициент d дается в справочниках для каждого типа судов (кораблей), например, для эсминца d = 0,4…0,45, для самоходной баржи d = 0,8…0,85.
Весовое водоизмещение для модели находят по формуле

Dm= Dc/l 3           (2.17)

где Dc - весовое водоизмещение прототипа.

2.2.3. Основные характеристики судов, кораблей и их моделей.

Плавучесть - способность оставаться на воде. Обеспечивается весовым и объемным водоизмещением. Запас плавучести обеспечивает полезный объем надводной части судна.
Непотопляемость судна - это его способность оставаться на плаву при опрокидывании или при повреждении корпуса. Обеспечивается водонепроницаемой палубой и внутренними герметическими перегородками.
Остойчивость - это способность судна возвращаться в вертикальное положение ("на ровный киль") при наклоне "вправо-влево" (крене) или "вперед-назад" (дифференте). Обеспечивается определенным соотношением между положением центра тяжести (ЦТ) судна и центром приложения выталкивающей силы (ЦВ). Чем ниже ЦТ относительно ЦВ, тем остойчивее судно.
Ходкость - это свойство судна развивать определенную скорость при выбранной мощности двигателя. Это свойство зависит от сопротивления водной среды, работы движителей (гребного винта или винтов), степени волнения поверхности воды, состояния наружной поверхности корпуса судна.
Маневренность - это способность судна быстро изменять курс. Обеспечивается правильным соотношением значений L и B, меньшей осадкой и большей площади руля поворота.
Устойчивость на курсе - это способность судна сохранять свое направление движения при руле, закрепленном в среднем (нейтральном) положении. Обеспечивается большой длиной L и малой шириной B судна, большой осадкой Т и большой площадью руля. Устойчивость на курсе при моделировании обеспечивается строгой симметрией правой и левой частей корпуса, находящейся ниже КВЛ. При изготовлении моделей судов, имеющих два гребных винта, необходимо также их тщательное расположение относительно оси симметрии корпуса и тщательное изготовление деталей гребных винтов (обеспечить их одинаковую массу, размеры и производительность).

Проектирование моделей
авиационной техники

Авиация (от латинского аvis - птица) - это область деятельности по созданию и применению летательных аппаратов тяжелее воздуха в околоземном пространстве. К числу таких аппаратов относятся воздушные змеи, планеры, самолеты, вертолеты, дельтопланы, мотодельтопланы и др.
Аппараты, которые тяжелее воздуха, передвигаются в атмосфере за счет того, что при их движении создается подъемная сила.

 

2.3.1. Воздушные змеи.

Проектирование новых моделей летательных аппаратов и совершенствование старых невозможно без знаний аэродинамики и теории полета.
В данной главе рассмотрим простейшие законы аэродинамики, которые позволят, на наш взгляд, найти нужные пути решения при проектировании новых моделей.
Рассмотрим движение в воздухе воздушного змея, который имеет конструкцию, представленную на рис. 2.10.

Воздушный змей, приведенный на рис. 2.10 имеет плоскость 1, которая состоит из рамки, изготовленной из тонких деревянных пластин, оклеенных папиросной бумагой или другим легким материалом. К нижней части плоскости с помощью двух не очень длинных нитей прикреплен хвост-стабилизатор 2, который не дает змею вращаться вокруг оси удерживающей нити 3. Удерживающая нить прикрепляется к плоскости змея четырьмя короткими поддерживающими нитями, с помощью которых подбирается необходимый угол атаки a.
Очевидно, для того, чтобы змей держался в воздухе, необходим ветер, т.е. движение воздуха. Движение воздуха создает ветровой напор, который действует на плоскость воздушного змея.
Сила ветра Fв будет тем больше, чем больше площадь плоскости. Из схемы на рис. 2.10 видно, что сила ветра Fв раскладывается на две составляющие: в направлении, продольном плоскости, и силу, которая стремиться поднять плоскость вверх по вертикали, т.е. Fz. C учетом веса G воздушного змея подъемную силу можно определить по формуле

Y= Fz-G           

Из этой формулы видно, что подъемная сила будет тем больше, чем меньше вес воздушного змея. Поэтому все летательные аппараты изготавливаются из материалов, имеющих малый удельный вес.
Чем больше сила ветра, тем больше напряжения испытывает материал, из которого сделана плоскость, и удерживающие нити. Это обстоятельство также необходимо учитывать при выборе материалов. Другими словами материал воздушного змея должен быть легким и достаточно прочным.

2.3.2. Самолеты и планеры.

Рассмотрим конструкцию спортивного самолета ЯК-12 (рисунок 2.11), который получил большую популярность как у спортсменов-профессионалов, так и у спортсменов-любителей.
Крыло является одним из важнейших элементов самолета и имеет сложную конструкцию, состоящую из продольных элементов жесткости (балок), которые называются лонжеронами, и поперечных элементов жесткости - нервюр. Нервюры определяют и форму поперечного сечения крыла (профиль), от которого, как уже отмечалось, зависят летные качества самолетов. Крыло сверху обшивается легким листовым материалом, чаще всего из алюминиевых сплавов. В более легких самолетах обшивка может быть сделана из фанеры или нескольких слоев ткани пропитанной органическими смолами.
Самолет с одной парой крыльев, расположенным по обе стороны фюзеляжа, называется монопланом. Есть самолеты с двумя парами крыльев, расположенными одно сверх другого, Такой самолет называется бипланом. В начале века создавались и трипланы с тремя парами крыльев, но они при общей тенденции в авиации к увеличению скорости полета не могли конкурировать с монопланами и бипланами. Однако при малых скоростях триплан имеет самую большую удельную подъемную силу.
Моноплан при больших скоростях имеет малое аэродинамическое
сопротивление, поэтому такую конструкцию применяли и применяют чаще.
Во время второй мировой войны для разведывательных целей широко применялись бипланы, которые показали хорошую устойчивость в полете.
Фюзеляж - корпус самолета. Он состоит из каркаса и обшивки. Каркас имеет продольные ребра жесткости (стрингеры) и поперечные ребра жесткости (шпангоуты). К каркасу крепится обшивка, обычно из тонкого алюминиевого листа. Она придает фюзеляжу оптимальную обтекаемую форму, а в пассажирских самолетах и герметичность.

Стабилизатор - это плоскость хвостовой части фюзеляжа. Она придает устойчивость самолету в полете и позволяет управлять им по высоте за счет отклонения части его в горизонтальном направлении.
Киль - это вертикальная плоскость, часть которой при поворотах относительно вертикали, позволяет изменять направление полета.
Для движения по поверхности аэродрома при взлете и посадке самолет имеет амортизированные шасси с колесами на пневматических шинах.
Винт, который вращает двигатель, создает силу тяги вдоль продольной оси самолета и обеспечивает его подъемную силу и движение вперед.
Движителем самолета может быть винтомоторная группа (с двигателем внутреннего сгорания), турбовинтовой двигатель, сочетающий тягу винта с реактивной тягой, и реактивный двигатель, толкающий самолет реактивной струей газов, истекающей из сопла двигателя.
Расстояние от передней кромки крыла до задней кромки называют хордой крыла. Расстояние между концами крыла называют размахом.
Отношение размаха крыла к его хорде называют удлинением. От удлинения крыла зависит его несущая способность.
На рисунке 2.12 показаны силы, действующие на авиамодель в полете.


При горизонтальном полете с постоянной скоростью на модель самолета действуют следующие силы: вес G, сила тяги двигателя F, подъемная сила Y и сила лобового (встречного) сопротивления X. Из схемы видно, что для улучшения летных качеств необходимо уменьшать значения сил X и G и увеличивать значения Y и F.
Значение силы лобового сопротивления можно приближенно определить по формуле

X= Cx/Sru2/2           (2.18)

где Cx - коэффициент лобового сопротивления, определяющий аэродинамическое совершенство модели; S - площадь проекции самолета на плоскость, перпендикулярную направлению движения (мидель); r - плотность воздуха; u - скорость полета.
Коэффициент Cx зависит от формы частей самолета и может быть определен по таблице 2.1.
Используя формулу 2.18 и таблицу 2.1 можно увидеть пути уменьшения лобового сопротивления: уменьшить площадь поперечного сечения фюзеляжа, увеличить жесткость его деталей, уменьшить количество выступающих частей на фюзеляже и плоскостях, придать им более обтекаемую форму, сделать шасси убирающимися и т.п.
Подъемная сила самолета и модели создается крылом при движении самолета в воздушном потоке (рисунок 2.13).
При обтекании крыла потоком воздуха, скорости воздушного потока до обтекания крыла и после должны быть одинаковыми. Однако, геометрия крыла выбирается такой, что скорость обтекания V1 в верхней части оказывается больше, чем в нижней части V2. Следовательно, в верхней части крыла разрежение воздуха будет больше, чем в нижней. Это приводит к разности давлений.

Так как в соответствии с законами природы движение происходит из области большего давления (меньшей скорости) в область меньшего давления (большей скорости), то возникает подъемная сила, которая будет тем больше, чем больше разница между скоростями V2 и V1.
Подъемная сила модели Ym складывается из подъемной силы крыла Y и стабилизатора Yст (соотношения между ними примерно 90% и 10%).
Величина подъемной силы может быть приближенно определена по следующей зависимости

Y= Cy/Sru2/2           (2.19)

где Cy - коэффициент подъемной силы крыла, зависящий от геометрии профиля крыла и угла наклона крыла к направлению движения модели, который называется углом атаки (рисунок 2.14); S - площадь несущей поверхности крыла; r - плотность воздуха; u- скорость набегающего потока воздуха (равна скорости движения модели).


При движении в воздухе летательный аппарат с крыльями преодолевает сопротивление воздуха, которое складывается из аэродинамического сопротивления (лобового сопротивления) и сил трения воздуха о поверхность самолета. Для каждого такого аппарата сила сопротивления воздуха имеет конкретное значение, зависящее от многих факторов, в том числе и от состояния поверхности материала обшивки.
Лобовое сопротивление возрастает с увеличением площади проекции летательного аппарата на плоскость, перпендикулярную направлению движения самолета. Оно возрастает пропорционально квадрату скорости передвижения в воздухе. Здесь необходимо заметить, что увеличивать подъемную силу за счет изменения крутизны верхней части крыла можно до определенного предела, так будут существенно возрастать не только силы трения воздуха об обшивку, но и лобовое сопротивление.
Очевидно, что чем больше площадь крыла (при виде сверху), тем большей подъемной силы можно добиться, не забывая, конечно, что с увеличением общей площади крыла опять-таки увеличивается лобовое сопротивление. Поэтому при выборе геометрии крыла необходимо находить его оптимальные размеры в соответствии с задаваемыми параметрами модели.
Отношение подъемной силы крыла к силе лобового сопротивления называется аэродинамическим качеством крыла, которое может быть определено по формуле

K= Y/X=Ym/Xm=(Cym/Cxm)/(S/Sп.с)         (2.20)

где Cym и Cxm - коэффициенты подъемной силы модели и аэродинамического сопротивления; S - площадь несущей поверхности крыла; Sп.с - мидель. Коэффициенты Cym и Cxm определяют опытным путем при продувке моделей в аэродинамической трубе.
При конструировании самолетов отношение S / Sп.с всегда пытаются увеличить, делая крыло более тонким и широким в пределах допустимой прочности и жесткости.
Если обозначить размах крыла l, а ширина хорды профиля b, то отношение

l=l/b           (2.21)

называется относительным удлинением крыла. Для моделей самолетов его значение l выбирают в пределах от 5 до 8.
Учитывая вышеизложенное, в таблицу 2.2 сведены зависимости для расчета основных параметров авиамоделей планеров и самолетов.

Расчет параметров двигателя и тягового винта осуществляется по силе тяги винта, которая определяется по второму закону Ньютона

F=m·du /dt           (2.22)

где m - масса воздуха, отброшенная винтом назад за время dt ; du/dt - изменение скорости воздушного потока за это же время.
При расчете силы тяги двигателя модели применяется упрощенная формула

F=9.8kbr ·ns2D4           (2.23)

где kв - коэффициент тяги винта, зависящий от его геометрии, угла установки лопастей и режима работы; r - плотность воздуха; ns - частота вращения двигателя; D - диаметр винта.
Как видно из формулы (2.23), практически силу тяги можно увеличить либо за счет увеличения частоты вращения винта, либо за счет увеличения его диаметра. Здесь необходимо найти оптимальный вариант.
Существуют эмпирические формулы для расчета оптимального диаметра винта, например,
- для резинового мотора (в метрах)

Dопт=8.05 ·Ц F/u       (2.24)

- для двигателя внутреннего сгорания

Dопт=2.5 ·Ц F/u          (2.25)

Коэффициент полезного действия винта h (КПД) можно определить по формуле

h=Nп/Nзатр           (2.26)

В формуле 2.3.9 значения Nп и Nзатр могут быть определены по следующим зависимостям

Nп=Fu           (2.26a)

Nзатр=br ns2D5           (2.26б)

Учитывая формулы 2.26а и 2.26б, КПД можно рассчитать по следующей зависимости

h=kbu /(b nsD)           (2.27)

где коэффициенты кb и b определяются экспериментально или по специальным таблицам, составленным на основании экспериментальных данных.
Винт, одновременно вращаясь в воздушном пространстве с частотой ns и перемещаясь со cкоростью u, продвигается на величину шага винта (в неподвижной среде), который называется шагом винта. Однако, воздух - среда податливая, поэтому за один оборот винта самолет передвинется на величину Hа = u / ns Разность S между величинами H и Hа называется скольжением винта.
В таблице 2.3 приведены формулы для расчета параметров винта.
Планер - это летательный аппарат, который по своей конструкции очень похож на самолет, но имеет меньший вес, большую площадь крыльев и совсем не имеет двигателя. Он держится в воздухе за счет подъемной силы крыла, возникающей в процессе движения в воздушном пространстве, а также за счет подъемной силы восходящих потоков воздуха, идущих от поверхности земли при нагреве ее солнцем.

Очевидно, что для того, чтобы планер начал совершать движения в воздухе, его надо запустить. Запуск планера с земли осуществляется с помощью леера (троса), прикрепленного к самодвижущему объекту-буксиру, в качестве которого можно выбрать или же наземный транспорт - автомобиль, или же воздушный - самолет. Существуют планеры, которые поднимаются в воздух и водным транспортом.
После подъема в воздух происходит автоматическое отсоединение леера и планер продолжает лететь в воздухе автономно, одновременно падая на землю и, удерживаясь в воздухе за счет подъемной силы крыла.
Время пребывания планера в воздухе зависит от многих причин, особенно от суммарного веса планера и летчика-пилота. Но все же основной причиной долгого полета является умение летчика-пилота правильно использовать восходящие потоки воздуха, которые (при умелом их использовании) могут на некоторых участках полета постоянно поднимать планер ввысь и продержать его в воздухе не один десяток часов.

2.3.3. Вертолеты.

В вертолетах используется принцип создания подъемной силы за счет создания мощного потока воздуха горизонтально расположенным винтом, который засасывает воздух и отбрасывает его вертикально вниз (принцип вентилятора). Конструкции вертолетов представлены на рис. 2.15.
Очевидно, что при вращении тягового винта 1 корпус вертолета согласно третьему закону Ньютона будет пытаться вращаться в противоположную сторону. Для того чтобы этого не произошло, в хвостовой части вертолета располагается винт компенсации поворота 3.
Вращаясь вокруг своей оси, горизонтально расположенный винт компенсации поворота 3 все время будет разворачивать вертолет в сторону противоположной тому направлении, в которое стремиться развернуться корпус вертолета вследствие вращения тягового винта 1. Тем самым будет компенсироваться возможный поворот корпуса вертолета. Изменяя количество оборотов винта 3 в меньшую или большую сторону, можно заставить корпус вертолета повернуть вправо или влево. Так происходит изменение направления движения вертолета.

Компенсировать вращение вокруг тягового винта можно и другим способом. Для этого устанавливают под первым тяговым винтом второй тяговый винт, но вращающийся в противоположную сторону (рис..2.15, справа). Если частота вращения первого винта совпадает с частотой вращения второго винта, то вращение вертолета вокруг оси будет отсутствовать, и вертолет будет передвигаться прямо в выбранном направлении. Изменение направления при такой схеме возможно как за счет изменения скорости вращения второго тягового винта, так и за счет винта 3, который в данном случае имеет меньшие габариты, чем в предыдущем, когда на вертолете установлен один тяговый двигатель.
По схеме, приведенной на рис. 2.15, вертолет может только или подниматься или приземляться. Продольное движение вертолета происходит за счет того, что тяговый винт 1 наклоняется по отношению к горизонтали и составляет с ней некоторый угол j. Чем больше этот угол, тем больше продольная составляющая (рис. 2.16).

Проектирование электрических
и электромеханических устройств

Электрические и электромеханические устройства (электродвигатели, тяговые электромагниты, электромеханические реле, дроссели, трансформаторы и др.) содержат катушки из обмоточного провода и магнитопроводы (сердечники) из магнитомягких материалов.
В процессе конструирования необходимо определить основные размеры этих устройств, моточные данные катушек, выбрать материалы сердечников и разработать конструкторскую документацию на эти изделия.
Разработка конструкции изделий с обмотками имеет ряд особенностей и представляет определенные трудности. В данном разделе мы рассмотрим основные приемы конструирования таких изделий на примере трансформатора и электромагнита.

2.4.1. Расчет параметров маломощных сетевых трансформаторов.

Трансформаторы широко применяется в сетевых источниках питания, а также для питания двигателей переменного тока, для работы электромеханических реле, устройств сигнализации, для освещения рекламных щитов, новогодних елок и т.п.
Прежде всего, необходимо определить электрические параметры трансформатора. Принципиальная схема его приведена на рис.2.17.
На схеме обозначено: ~U1 - напряжение сети переменного тока (напряжение на первичной обмотке); ~U2 - переменное напряжение вторичной обмотки (напряжение на нагрузке Rн); i1 - ток первичной обмотки; i2 - ток вторичной обмотки (ток в нагрузке); W1 - число витков первичной обмотки; W2 - число витков вторичной обмотки.
Трансформатор преобразует напряжение сети U1, подведенное к клеммам 1 и 2, в другое напряжение U2, необходимое для питания нагрузки, которую обычно представляют в виде сопротивления Rн, подключенную к клеммам 3 и 4. Эти напряжения можно измерить вольтметром переменного тока. Чаще всего напряжение U2 бывает меньше U1, и трансформатор называют понижающим.


Отношение действующих напряжений

n=U1 /U2           (2.28)

называют коэффициентом трансформации.

Пример. Рассчитаем электрические параметры трансформатора для магнитопровода из стандартных пластин Ш-образного типа, которые изготавливают из электротехнической стали. Форма пластин и их размеры приведены на рис. 2.18 и в таблице 2.4.

Упрощенный порядок расчета параметров трансформатора, пригодный для любительской практики, следующий:

1) определяют выходную мощность трансформатора

Pвых=U2 /I2           (2.29)

где Рвых - выходная мощность на нагрузке, ватт; U2 - действующее напряжение, вольт; I2 - действующее значение силы тока, ампер;
2) вычисляют площадь сечения сердечника трансформатора (в см2)

Sсерд=0,1·Pвых, (см2)           (2.30)

3) по полученному значению Sсерд выбирают размеры сердечника: задаются шириной пластин А и определяют толщину набора В по формуле

B=Sсерд/A, (см)           (2.31)

4) определяют число витков обмотки, приходящийся на один вольт напряжения, по эмпирической формуле

W=40/Sсерд           (2.32)

5) находят число витков первичной обмотки:

W1=U1·W (витков)           (2.33)

6) находят число витков вторичной обмотки:

W2=U2·W (витков)           (2.34)

7) выбирают диаметр обмоточного провода первичной обмотки:

d1=0,006…0,12 мм           

(провод ПЭВ-2) для трансформаторов мощностью Рвых < 100 Вт;
8) определяют диаметр провода вторичной обмотки:

d2=n·d12(мм)           (2.35)

где n - коэффициент трансформации, который можно определить по формуле:

n=W1 /W2           (2.36)

Таким образом определяют основные параметры, которые используются при изготовлении трансформаторов.

2.4.2. Разработка конструкции трансформатора.

Обмотки трансформатора обычно размещают на каркасе катушки. Если сердечник собирается из Ш-образных пластин, то каркас одевают на центральный стержень сердечника, который собирают, вставляя пластины его в отверстие катушки "вперекрышку", т. е. нечётные пластины снизу, чётные - сверху, а замыкающие пластины вставляют между ними (рис. 2.19). Если в качестве магнитопровода используется два полукольца, изготовленных из магнитопроводящих материалов, то катушку надевают на одну сторону сердечника, или две катушки на обе его стороны.
Конструкция каркаса катушки из листового материала показана на рис. 2.20. Материал для каркаса - текстолит, гетинакс, стеклотекстолит, полистирол и др. толщиной 1,5…3 мм. Размеры каркаса определяются размерами сердечника трансформатора, в частности размерами его центрального стержня (А и Б) и расстояниями между стержнями (размерами "окна" сердечника).
Обмотку катушки выполняют следующим образом: накладывают на каркас один слой лакоткани (толщина её обычно 0,05…0,1 мм) или конденсаторной бумаги и закрепляют клеем БФ-2, нитроклеем или клеем "Феникс". Затем зачищают от лака конец тонкого провода ПЭВ-2, обматывают им очищенным от изоляции кусок монтажного провода МГШВ-0,25 и все это спаивается оловянно-свинцовым припоем. Ко- нец толстого выводного провода пропускают через отверстие в каркасе, изолируют кусочком лакоткани или бумаги и закрепляют 3-4-мя витками нити (капроновые или хлопчатобумажные №№ 10 или 20) вокруг каркаса.


После этого выполняют первый ряд обмотки, укладывая провод виток к витку. После выполнения первого ряда делают изоляцию в один слой лакоткани или промасленной бумаги от конденсаторов. Укладывают второй ряд, изолируют его и т.д. После выполнения намотки первичной обмотки выводят её конец наружу катушки, припаяв конец обмоточного провода к кусочку гибкого монтажного провода. После этого изолируют первичную обмотку двумя слоями лакоткани, плёнки ПХВ или конденсаторной бумаги, закрепив её край клеем БФ-2, нитроклеем или клеем "Феникс". На слой изоляции укладывается вторичная обмотка аналогично первичной. Так как провод вторичной обмотки достаточно толстый, то ее выводы можно сделать тем же самым проводом, выводя его за пределы катушки.
Для изготовления трансформаторов в условиях производства необходимо делать сборочные чертежи на катушку в сборе и трансформатор в сборе в соответствии с требованиями ЕСКД на изделия с обмотками.
Сборочные чертежи снабжают спецификациями, которые включают в себя как детали катушки, так и детали трансформатора, а также материалы, используемые при сборке катушки и трансформатора.
На сборочных чертежах катушки и трансформатора в технических требованиях отображают наиболее важные технологические приёмы их изготовления. Технические требования располагают над основной надписью чертежа или слева от неё.

2.4.3. Проектирование электромагнитов.

В технических устройствах, в том числе и их моделях, в качестве исполнительных устройств часто используются электромагниты постоянного тока. Схема одного из таких электромагнитов приведена на рис. 2.21.

Якорь и сердечник магнитопровода могут быть прямоугольного или круглого сечений. Они могут быть изготовлены из сплошного материала или набраны из пластин электротехнической стали подобно сердечнику трансформаторов.
Задача проектирования - по заданной силе сопротивления исполнительного механизма Fи и ходу якоря l0 определить необходимое тяговое усилие F и конструктивные параметры электромагнита.
Тяговое усилие F создается магнитным потоком Ф, проходящим через сердечник магнитопровода и воздушный промежуток длиной l0 и возбуждаемым током обмотки электромагнита I.
Сила F в ньютонах может быть определена по формуле Максвелла [21, 25]

F=S0·B02/(2·m0)           (2.37)

где S0 - сечение воздушного промежутка, м2; B0 - магнитная индукция в воздушном зазоре, тл (тесла); m0 - магнитная проницаемость вакуума, равная магнитной проницаемости воздуха, m0 = 4p · 10-7 гн/м (генри/метр). Учитывая, что в рационализированной системе МКСА (метр, кг, с, а) тесла имеет размерность 1 вебер/А, формулу 2.37 с небольшой погрешностью можно записать в виде

F=4·105·S0·B0         (2.38)

Для полностью втянутого якоря (l0 = 0) сила удержания магнита Fу в ньютонах определится по формуле

Fy=S·B2/(2·ma)           (2.39)

где S - сечение магнитопровода, м2; B - индукция в материале сердечника магнитопровода, тл; ma - абсолютная магнитная проницаемость материала сердечника, гн/м. Величина ma определяется по зависимости

ma = m0·mг (гн/м)           (2.40)

де mг - относительная магнитная проницаемость материала сердечника, которая выбирается по таблице 2.5, приведенной в справочнике [12].

Индукция В0 в воздушном промежутке определяется по магнитному потоку Ф по формуле

B0=Ф /S0 (тл)          (2.41)

где Ф - магнитный поток в магнитопроводе, который определяется из соотношения

Ф=B /S (вб)          (2.42)

где В - индукция в материале сердечника магнита, тл; S - сечение магнитопровода, м2. Значение В берут из таблиц или находят по кривой намагничивания материала (рис. 2.22), который заимствован из литературы [21].

Для создания магнитного потока необходима намагничивающая сила Fм (магнитодвигающая сила, МДС), которую определяют по закону полного тока для магнитной цепи

          (2.43)

где Н - напряженность магнитного поля на участке магнитной цепи, А/м; l - длина магнитной силовой линии на участке, м; w - число витков обмотки катушки; I - сила тока в обмотке электромагнита, А; i - номер участка цепи. Для рассматриваемого электромагнита

Величину напряженности магнитного поля Н находят для каждого участка магнитной цепи по кривым намагничивания (рис. 2.22). Если материалы сердечника различны для каждого участка цепи, то величину магнитной индукции берут несколько меньше индукции насыщения, т.е. чуть ниже "колена" кривой намагничивания. Например, для стали Э330 значение В удобно взять в пределах 0,9…1,0 тл, для литой стали - 0,7…0,8 тл, а для чугуна - 0,4…0,6 тл.
Величину напряженности магнитного поля в воздушном промежутке определяют по формуле

Число витков обмотки w или силу тока I находят из формулы:

w=Fм / I          (2.46)

Диаметр провода для намотки катушки электромагнита находят по приближенной формуле

где DI - допустимая плотность тока в А / мм2 ( для меди DI = 6 А/мм2, для алюминия - DI = 4 А/мм2).
По найденным величинам w и dпр находят длину намоточного провода Lпр и размеры катушки, а также уточняют форму сердечника магнитопровода. Теперь, зная длину и диаметр провода, а также его материал, определяют сопротивление намоточного провода по формуле

R=(4·r·Lпр)/(p·dпр2),          

где r - удельное сопротивление материала, ом·мм2/м (для меди r = 0,017 ом·мм2/м, для алюминия - r = 0,029 ом·мм2/м).
Отметим, что расчетное значение тягового усилия F должно быть больше силы сопротивления Fи исполнительного механизма.
Сила Fи может быть как постоянной, так и изменяющейся т.к. ход якоря l0 может быть величиной непостоянной - в некоторых устройствах бывает необходимо эту величину регулировать за счет изменения магнитного поля электромагнита. В этом случае силу F рассчитывают так, чтобы F >> n ·Fи, где n - коэффициент запаса по срабатыванию электромагнита, который выбирается в пределах 1,5…1,8, а значение силы F берут максимальным.
В технических устройствах иногда применяют электромагниты, работающие на переменном токе с частотой 50 гц. В этом случае катушка будет создавать переменное пульсирующее тяговое усилие с частотой 100 гц, которое приводит к вибрации якоря. Чтобы уменьшить эту вибрацию, якорь "расщепляют" (делают паз на его плоском конце) и "одевают" на него короткозамкнутый виток из меди или из латуни. Переменная составляющая тягового усилия F сдвигается по времени и вибрация уменьшается - соответственно, уменьшается "гудение" электромагнита.

Пример. Определить конструктивные параметры электромагнита (рис. 2.20), если ход якоря l0 = 15 мм, Fи = 12 Н, магнитопровод магнита состоит из листов стали Э330 прямоугольного сечения S1 = S2 = S3 = 2 cм2, якорь сечением Sи = S0 = 3 см2 изготовлен из сплошного листа стали.
Последовательность определения конструктивных параметров.

1. Задаются предварительными размерами магнитопровода:

2. Находят требуемое усилие F электромагнита:

F = 1,5 · Fи = 1,5 · 12 = 18 Н.

3. Находят требуемое значение В0 из формулы (2.38)

4. Определяют магнитный поток в сердечнике магнитопровода по формуле (2.41)

Ф = В0 · S0 = 0,385 · 3 · 10-4 = 1,2 · 10-4 вб.

5. Находят значение магнитной индукции для каждого из участков магнитной цепи:

6. По кривым намагничивания (рис. 2.22) находят напряженности магнитного поля в участках магнитной цепи Hi:

Н1 = Н2 = Н3 = 110 А/м; Ни = 90 А/м.

Значение Н0 в воздушном промежутке находят по формуле:

Н0 = 0,8 · 106 · B0 = 0,8 · 106 · 0,4 = 0,32 А/м

7. Находят значение МДС по формуле 2.43

8. По выбранному значению тока в катушке электромагнита (например, I = 2а) находят число витков намотки по формуле 2.46:

w = Fм / I = 4827 / 2 = 2414 витков.

9. Подставляя в формулу 2.47 полученные ранее значения, находят диаметр провода:

Основные характеристики электромагнита, таким образом, определены.

Электроника в моделировании
и техническом творчестве

2.5.1. Основные понятия.

Электроника - это область техники, связанная с разработкой, изготовлением и эксплуатацией устройств, действие которых основано на преобразование сигналов, формируемых движением элементарных частиц атома - электронов, а сами эти устройства называют электронными.
Электронные устройства отличаются большим многообразием и выполняют самые разнообразные функции в различных областях человеческой деятельности. Достаточно назвать такие области как радиовещание и телевидение аудио- и видеотехника, радиосвязь и радиолокация, автоматика и управление, системы контроля и сигнализации, электронно-вычислительная техника и др., чтобы убедиться в огромном влиянии электроники на технический прогресс страны и ее культуры. Поэтому для развития творческих способностей детей электроника представляет огромный интерес.
Очевидно, что проектирование электронных устройств в техническом творчестве - широко распространенное занятие. С помощью электроники можно создавать такие устройства, которые невозможно даже придумать с помощью других технических подходов. Проектирование электронных игрушек, компактные устройства для определения характеристик окружающей среды, автоматика и телемеханика, радиоуправление на расстоянии, измерение неэлектрических величин электрическими методами - далеко не полный перечень задач, которые можно с успехом решать, используя принципы электроники.
Слово "электрон" в переводе с греческого языка означает "янтарь". Янтарь - это твердое вещество, образовавшееся из смолы древних хвойных деревьев, является хорошим изолятором и имеет красивый вид, широко применяется для изготовления ювелирных изделий. На янтаре впервые было замечено взаимодействие частиц атома с другими частицами и открыто явление электризации тел. Электрон как частица атома обладает отрицательным зарядом и имеет очень малую массу, поэтому весьма подвижен в электрических полях.
Направленное движение электронов, например в металлах, называют электрическим током. Это движение электронов происходит в замкнутых электрических цепях, содержащих источник электрического напряжения.
С помощью электрического тока можно управлять многими процессами, включая или выключая в нужное время исполнительные механизмы. Для включения или выключения их в нужное время необходимы специальные устройства, которые называются датчиками. Датчики вырабатывают электрические сигналы очень малой мощности, а для исполнительных устройств необходимы порой очень большие электрические мощности. Следовательно, основным электронным устройством можно считать усилитель.
Хорошо усиливаются сигналы переменного тока, поэтому напряжения с датчиков (обычно постоянного тока) преобразовывается в переменное специальными устройствами. Затем происходит усиление сигнала до необходимой амплитуды, если это необходимо, то его выпрямление и только после этого напряжение подается на исполнительное устройство (рис. 2.23).

В качестве примера можно привести электрический проигрыватель граммофонных пластинок. В нем датчиком является или пьезоэлемент, или электромагнит. В них вырабатывается переменное напряжение иглой, которая движется по бороздкам пластинки и совершает при этом боковые колебательные движения в соответствии с записанным звуком. Далее следует усилитель низкой частоты (УНЧ), который усиливает полученный с датчика сигнал, а затем исполнительное устройство, которым является электродинамическая головка (динамик).
Очевидно, что все перечисленные блоки должны снабжаться электроэнергией постоянного напряжения - блоком питания (БП). В качестве такового можно использовать как батареи напряжений, так и выпрямители постоянного напряжения, которые, в свою очередь, являются электронными устройствами.
Для усиления сигналов с датчиков раньше использовались специальные электронные приборы - радиолампы (триоды), а в последние годы полупроводниковые устройства - транзисторы и микросхемы. Входным сигналом для этих устройств является напряжение на управляющем элементе (например, управляющая сетка для лампового триода или база для полупроводникового триода), а выходным - напряжение на аноде лампы или коллекторе транзистора, а при приложении нагрузки - сила тока. Связь между этими параметрами называется вольтамперной характеристикой. Эти устройства характерны тем, что их вольтамперная характеристика имеет пропорциональный участок, который и используется для пропорционального усиления поступающих с датчиков сигналов. Очевидно, что чем больше крутизна вольтамперной характеристики, тем эффективнее будет работать усилительное устройство.
Реализация электронного устройства начинается с выбора принципиальной электрической схемы, описание которой можно найти в каком-либо техническом журнале, например, "Радио", "Юный техник", "Моделист-конструктор" и т.д., или соответствующей литературе.
Принципиальная электрическая схема представляет собой чертеж, на котором изображены все элементы устройства в виде условных графических обозначений (УГО) в соответствии со стандартами ЕСКД (стандарты ГОСТ 2.701-68, 2.702-68, 2.703-74… 2.718-89 и т.д.) и связи между элементами. На рисунке 2.24 в качестве примера приведена принципиальная электрическая схема первого каскада усилителя низкой частоты (УНЧ).
Вместе с электрической схемой приводят характеристики радиодеталей. Эти характеристики приводятся в спецификации электрической схемы. Геометрические размеры элементов электрической схемы берутся из справочников радиоэлементов.
Соединение элементов между собой называется монтажом. Соединение может быть механическим или электрическим.

2.5.2. Конструирование радиоэлектронных устройств.

При проектировании электронных устройств необходимо уметь выполнять расчеты параметров электрических схем, во-первых, для определения оптимальных режимов работы электро- радиоэлементов, а, во-вторых, для лучшего понимания процессов, происходящих при работе электронного устройства.
Наиболее часто используют расчеты электрических цепей с элементами, обладающими линейными характеристиками, т.е. пропорциональными зависимостями одних величин от других. Поэтому широко применяются вольтамперные характеристики (ВАХ) - зависимости тока I от приложенного напряжения U.
Простейшим примером пропорциональной ВАХ является характеристика резистора. Она приведена на рис. 2.25.

Как видно из рисунка, ВАХ постоянного резистора прекрасно иллюстрирует известный всем закон Ома

где - проводимость электрической цепи.
Используя закон Ома, легко решить практическую задачу - определить величину Rд, если известна э.д.с. источника питания Uп и характеристики электролампы (рис. 2.26).

Решение:
1) ток в цепи найдем по формуле

2) находим UR = Uп - Uл , откуда Rд = UR / Iл

Пусть Uп = 12 В; Uл = 3 В; Iл = 0,1 А, тогда UR = 12 - 3 = 9 В; Rд = 9 / 0,1 = 90 Ом.
Более сложные расчеты приходится выполнять при анализе электрических схем из элементов с нелинейными характеристиками. Здесь также помогают (построенные ранее на основании опытов) ВАХ элементов, которые позволяют использовать графоаналитический метод расчета, при котором токи и напряжения в цепях схемы можно определить графическими построениями с помощью масштабной линейки. Рассмотрим этот метод на примере расчета коэффициентов усиления транзисторного усилителя, схема которого приведена ранее на рис. 2.24.

Элементы схемы следующие:

  • транзистор VT, усилительный элемент;
  • резистор Rк, ограничивает ток коллектора iк при открытом транзисторе и позволяет получить изменение напряжения на коллекторе Uк при изменении тока коллектора iк;
  • резисторы R1 и R2, делитель напряжения, который предназначен для подачи напряжения смещения Uбэ на базу транзистора;
  • конденсаторы С1 и С2 отделяют источник входного сигнала переменного тока Uвх и нагрузку от усилителя по постоянному току;
  • Ек - э.д.с. источника питания усилителя.

Назначение усилителя - увеличить амплитуду и мощность входного сигнала ~Uвх на выходе до уровня Uвых >> Uвх для использования его в исполнительных устройствах, таких как, например, сигнальная лампа, катушка реле, громкоговоритель и т.п.
Принцип действия усилителя основан на том, что транзистор VT изменяет сопротивление Rкэ между коллектором и эмиттером под воздействием слабого сигнала ~Uвх , изменяющего напряжение между базой и эмиттером. Поскольку переход "эмиттер-коллектор" включен в цепь "неиссякоемого" источника питания Ек, то изменяющееся сопротивление Rкэ изменяет ток коллектора iк в такт с входным сигналом ~Uвх, что приводит к изменению напряжения на коллекторе Uк. Переменная составляющая этого напряжения ~Uвых выделяется конденсатором С2 и подается в нагрузку (исполнительное устройство).
Эффективность усилителя количественно оценивают коэффициентами усиления

где - изменения напряжений и токов во входной и выходной цепях усилителя соответственно.
Коэффициенты Ku, Ki и Kp имеют значения значительно больше единицы и называются коэффициентами усиления, соответственно , по напряжению, по току и по мощности. Их нетрудно рассчитать, пользуясь вольтамперными характеристиками того транзистора, который предполагается использовать в данной схеме.
В качестве примера приводится расчет коэффициентов усиления одного каскада УНЧ, собранного на транзисторе МП40 (рис. 2.24). Его ВАХ приведены на рис. 2.26 [34].

Порядок расчета.

1. Задаются величиной э.д.с. источника питания Ек = 9 В и сопротивлением Rк = 300 Ом.

2. Находят максимальный ток коллектора при открытом транзисторе
Iк max = Ек / Rк = 9 / 300 = 0,03 А.

3. На ВАХ транзистора отмечают точки Ек и Iк max (точки А и В на рис. 2.26) и проводят прямую линию АВ, которая называется линией нагрузки усилителя. Она определяет токи и напряжения в цепях транзистора.

4. Как видно из ВАХ, ток коллектора зависит как от напряжения на коллекторе Uкэ, так и от тока базы iб. Для усиления двухполярных сигналов (например, синусоидальных) на середине прямой АВ выбирают точку М (точку настройки или "точку покоя" при ~Uвх = 0) и определяют значение начального тока базы Iбо, соответствующего этой точке. По ВАХ имеем Iбо = 400 мка.

5. Проецируя точку М на оси координат, находим начальный ток коллектора Iко и напряжение на коллекторе Uко.

 

6. Начальный ток базы Iбо определится значением напряжения "база-эмиттер" Uбэо , которое находят по входным характеристикам транзистора, проецируя Iбо на одну из входных характеристик и вертикальную ось координат (ось Uбэ).

7. Задаваясь амплитудой входного сигнала (Uвх m " 0,33·Uбэо), графически находим изменение напряжений и токов во входных и выходных цепях усилителя DUк, DUб, D, D (на рис. 2.26 заштрихованные прямоугольники).

8. Измерив значения DUк, DUб, D, D масштабной линейкой, вычислим коэффициенты усиления

Ки = DUк /DUб ; Кi = D / D ; Кр = Кu · Кi

Значения Ки и Кi должны быть порядка нескольких десятков единиц.

9. Определим сопротивление делителя, задаваясь значением тока делителя Iдел = (3…5) Iбо. Значения сопротивления резисторов R1 и R2 можно определить по формулам

R2 = Uбэо / Iдел ; R1 = (Ек / Iдел) - R2

После проведенных расчетов необходимо провести испытание схемы. Для этого собирают макет усилителя на монтажно-настроечной плате и подключают источник питания с напряжением Ек.
Настройку схемы осуществляют, подбирая сопротивления делителя R1-R2 так чтобы напряжение на коллекторе относительно эмиттера было равно - Uкэо " 0,5 Ек, при котором значения Iбо, Iко и Uбэо будут соответствовать расчетным, и схема станет работоспособной.
Если при включении питания напряжение Uкэ близко к значению Ек, то транзистор "закрыт" и тогда необходимо увеличить ток делителя Iдел, уменьшив значение R1. Если же значение Uкэ стремиться к нулю, транзистор "открыт" почти полностью. В этом случае необходимо увеличить значение R1.
Если при изменении R1 напряжение на коллекторе не изменяется, то транзистор неисправен и его необходимо заменить.
Графо-аналитический метод расчета цепей с нелинейными характеристиками элементов нагляден и прост. С приемлемой для практического применения точностью он позволяет рассчитать достаточно сложные схемы электронных устройств при минимальном объеме вычислений.

2.5.3. Элементная база электроники.

Многочисленные электронные устройства собираются из сравнительно небольшого числа типов стандартных деталей, называемых радиоэлементами. Сложность электронных изделий можно изменять, начиная от трех-четырех элементов до устройств в десятки и сотни элементов. Сборка электронных устройств не требует больших материальных затрат и специальных приспособлений и может производиться на обычном столе.
Учитывая, что радиоэлектронные схемы, собранные из современных радиоэлементов, в том числе и полупроводниковых материалов, работают при низких напряжениях питания (не выше 36В), то сборка электронных устройств электрически безопасна даже для детей школьного возраста.
Детям доступна сборка миниатюрных радиоприемников, схем автоматики, сигнализации, простых схем радиоуправления движущимися моделями, простых усилителей звуковой частоты, электронных игрушек, устройств светомузыки и цветомузыки, переключателей ёлочных гирлянд, "бегущих" огней иллюминации, электронных часов и множества других устройств. Современные школьные учебники по технологии содержат такие сведения, т.к. изучение подобных устройств уже вошло в программы средних общеобразовательных школ и средних специальных учебных заведений [30].
Наиболее распространенными деталями электроники являются (рис. 2.27):

  • резисторы - электрические сопротивления (рис. 2.27,а);
  • конденсаторы - электрические емкости для накопления электрических зарядов (рис. 2.27,б);
  • катушки индуктивности (накопители магнитной энергии);
  • полупроводниковые диоды (приборы односторонней проводимости, выпрямители, фотодиоды, светодиоды, тиристоры и др.);
  • транзисторы - полупроводниковые триоды, являющиеся усилительными элементами (рис. 2.27,в);
  • полупроводниковые интегральные микросхемы - миниатюрные электронные устройства, выполняющие сложные преобразования электрических сигналов и выполненные на одной пластинке полупроводника (рис. 2.27, г).

Кроме указанных элементов в электронике применяют и другие, которые называют обслуживающими и исполнительными элементами. К ним относятся:

  • устройства коммутации (гнезда, штыри, многоконтактные соединители, выключатели, переключатели и т.п.);
  • электромеханические реле (переключающие многоконтактные устройства);
  • устройства индикации (лампочка накаливания, световые табло, светодиоды, цифровые индикаторы и т.п.);
  • миниатюрные электродвигатели, потенциометры, поворотные трансформаторы, датчики неэлектрических величин и др.;
  • измерительные приборы (вольтметры, амперметры и др.).

Устройство и основные параметры всех элементов приводятся в многочисленных справочниках по радиоэлектронной аппаратуре, которые имеются в библиотеках крупных предприятий, дворцов технического творчества, клубов юных техников, областной публичной библиотеке.
В последнее время в продаже появились лазерные CD диски для компьютеров, на которых записана обширная справочная информация, необходимая для радиолюбителей, создателей новых технических устройств и, конечно, моделистов.

| Тема 1 | Тема 3 | Тема 4 |
© 2002 Центр телекоммуникационных технологий и дистанционного обучения