TL;DR: Друзья иногда обращаются ко мне с просьбой починить какой-нибудь прибор или технику. Однажды ко мне попала электромеханическая игрушка — модель локомотива фирмы PIKO. Мне удалось вернуть ей возможность двигаться по рельсам. Но не удалось заменить утерянные шестерни редуктора, которые пытался напечатать на оптическом 3D-принтере.

▍ Анамнез

Игрушечный локомотив был выпущен, предположительно, в 80–90-е годы немецкой фирмой PIKO (от Pionier Konstruktor) и принадлежал ребёнку. Комплект набора (рельсы, упаковка и пр.) сохранился неплохо и не утратил целостность, проблема была только в локомотиве.

▍ Внешний осмотр

Локомотив не двигался при подаче питания. Также был заметен перекос некоторых шестерён в редукторе и заклинивание одной оси. Другая, наоборот, вращалась без сопротивления. Предполагаю, что поломка была вызвана попыткой прокрутить колёса внешней силой. У одной из осей шестерню редуктора вывихнуло, и она потерялась, а у другой аналогичная шестерня осталась внутри в перекошенном положении.

Снаружи были некоторые повреждения проволочных деталей, не участвовавших в работе механизма. Мило, что инженеры сделали пантограф складывающимся.

▍ Вскрытие

Оказалось, что игрушка разбирается весьма просто. Достаточно потянуть верхнюю декоративную литую часть, и механизм разъединится, так как удерживается на подпружиненных защёлках. Я никогда прежде не видел моделей железнодорожных миниатюр, и для меня всё это было в новинку. Тем и интереснее.


Внутри я обнаружил довольно изящную и компактную конструкцию, выполненную из деталей вырубленной листовой стали, объединённых воедино с пластиком при помощи литья. Стягивалась она парой винтов. В центре располагался электромотор.


Также имеются тонкие латунные токопроводящие части и токосъёмники из стальной проволоки. Ободы колёс металлические, через них подаётся питание на двигатель. Колёса контактируют с рельсами, которые являются шинами питания.



Редуктор состоит из симметричных половинок, передающих движение от электромотора к обоим колёсным парам. Шестерни редуктора удерживаются на стальных осях, которые входят во втулки из пластика. Видно, что пластик отлит таким образом, что как бы охватывает стальную пластину. Я впервые вижу такую технологию.


Хочется выразить признательность конструкторам, придумавшим простую и одновременно хитроумную конструкцию. Изучать плод чужого инженерного ума — это особое удовольствие.

▍ Двигатель

Как я уже говорил выше, питание к коллекторному двигателю постоянного тока подводится через рельсы и колёса. Хотя колёсные пары соединены металлической осью, они не связаны гальванически. Колёсный диск сделан из пластика. Щётки в виде проволочек подходят к каждому ободу и внутри соединены попарно через латунный проводник.


Примечательно, сквозь раму ток проходит через один из соединительных винтов, который изолируется бумажной шайбой, чтобы не было короткого замыкания. С одной стороны изящно, с другой стороны — «костыль» :)


Ах да, совет. Если вы разбираете что-то впервые, обязательно фотографируйте этапы и делайте это в каком-то «корытце» с бортиками, мелкие детали могут высыпаться и потеряться. Как эти проставочные кольца, которые чудом остались на месте и были установлены обратно при сборке.


Коллектор двигателя состоит из трёх контактов-сегментов. На фото хорошо видны загрязнения на его поверхности.

Я первым делом почистил коллектор «злым» канцелярским ластиком и прозвонил обмотки — к радости, они оказались исправными.


Щётки двигателя сделаны из жёлтого металла, наверняка это какой-то сорт латуни. Поверхность щёток также была очищена от окислов и загрязнений. И двигатель ожил при подаче питания, радостно и бесшумно завращавшись от небольшого напряжения, поданного с ЛБП.

Отдельно хочется обратить внимание на парочку дросселей, находящихся у выводов коллектора. Полагаю, они нужны для уменьшения высокочастотных помех, исходящих от коллекторного узла в рельсы.

▍ Редуктор

Трансмиссия игрушки сделана так, что приводит в движение обе колёсные пары. Передний и задний редуктор зеркально повторяют друг друга. Двойная шестерня, которая выпала при разборке механизма, оказалась в единственном экземпляре.


Я никогда прежде не разрабатывал механические передачи на шестернях и, потратив несколько дней на погружение в тему, понял, что сам не осилю. Поэтому пошёл по простому и привычному пути — копированию по образцу. Аккуратно измерил микрометром диаметр, а толщину — штангенциркулем. Потом сфотографировал шестерню со всех сторон вместе с линейкой и перерисовал 3D-модель в программе Blender максимально точно.


У меня нет 3D-принтера, и когда мне требуется что-то напечатать, то обращаюсь к приятелю — энтузиасту печати и большому любителю техники и электроники. После нескольких проб печати выяснились недостатки метода:


Во-первых, это усадка, причём неравномерная. Шестерня получилась по диаметру как нужно, но в высоту заметно ниже. Ещё не удалось воспроизвести небольшое вдавление в виде широкого кольца в центре плоской части большой шестерни. Слайсер почему-то не повторял эту часть рельефа, а она важна.


Во-вторых, искажение формы, вызванное микросдвигами слоёв. Это не очень хорошо видно на фото, но в микроскоп чётко была видна «лесенка» на отвесных участках модели.


В-третьих, по неясной причине один из слоёв оказался пересвечен, из-за чего образовалась тонкая, толщиной в один слой, «юбка», нарушающая адекватное сопряжение шестерни. Чтобы убрать её, мне потребовалось бы много ручного труда и покупка тонких надфилей.


Пообщался с заказчиком, и мы решили, что будет достаточно одного рабочего редуктора. Я очистил механизм от пыли, волос и поставил шестерни в их штатные места. Смазал подшипники скольжения и коллектор. (Есть мнение, что смазка нарушает контакт металла, образуя тонкий изолирующий слой, но выяснилось, что это не так).

После сборки в обратной последовательности локомотивчик шустро принялся ездить по рельсам в обе стороны и радовать нового владельца. Считаю, что ремонт получился частично успешным. Я три раза печатал шестерни с различными настройками и каждый раз получал различные искажения формы. Наверное, если бы принтер был в моём распоряжении, я бы добился хорошего результата. Но и неудачный опыт — тоже опыт. Жаль, что не получилось проверить прочностные характеристики таких шестерней. Возможно, в будущем я повторю опыт в другом ремонте или разработаю зубчатую передачу самостоятельно. Наверное, когда-нибудь освою технологию литья по выжигаемой модели, которую напечатали на принтере.

Буду рад, если вам понравилось.

© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻