Здесь было о чем поговорить: и почему не тянет прямая передача вращения с вала двигателя на ось колес, и почему приходится ставить шкив; что такое вращающий момент, как работает коробка скоростей автомобиля и еще о многом.

Основная тема, конечно же, скорость. Анализируя кинематическую схему автомобиля, все довольно уверенно отвечали: скорость зависит от числа оборотов двигателя и передаточного отношения трансмиссии. Зависимость скорости от диаметра колеса замечали немногие. Приходилось задавать дополнительные вопросы, создавать детективные ситуации: «Как, не выключая спидометра, проехать больше, чем он показывает?» (кстати, хороший, хотя и несколько трудоемкий вариант экономии горючего, особенно при холостых пробегах), «Может ли фактическая скорость быть выше той, которую показывает исправный спидометр?» и т.д.

И тут впервые почувствовался, как говорится, «на собственной шкуре» результат многолетней работы с ТРИЗ: идея менять колеса на ходу, во время движения, совершенно естественно перешла в идею о необходимости менять диаметр одного и того же колеса в различных условиях: в зависимости от скорости, несущей способности грунта и угла наклона рельефа. В воображении тут же возникла тележка, которая быстро ехала по ровной твердой дороге на высоких узких колесах. Потом грунт стал мягче, колеса осели, стали ниже и шире. Скорость уменьшилась, хотя двигатель работал на тех же оборотах. Потом пошли бугры и канавы, и перед каждым изменением рельефа соответствующее колесо меняло диаметр, так что тележка все время сохраняла свое горизонтальное положение.

Идея конструкции появилась сразу, как только возникла картинка вращающегося колеса переменного диаметра. Самое смешное, что такое колесо, оказывается, существует лет двести. Нужно только посмотреть на одну хорошо знакомую картинку под другим углом — повернув ее на 90°.

Сейчас и вы засмеетесь. Это центробежный регулятор паровой машины Уатта, только с горизонтальной осью. Оставалось удлинить подвижный рычаг за шарнир (получилась система рычагов, очень похожая на ножницы), соединить свободные концы «ножниц» гибкими и упругими элементами, способными выдерживать вес машины, и понаставить таких ножниц вокруг оси вращения погуще, чтобы между гибкими элементами не было просветов.

Сделать модель такого колеса очень просто. По существу, это китайский фонарик (рис. 8.2).

На этой модели прекрасно видно, почему такое колесо не может хорошо работать: как только вы сдвигаете края фонарика навстречу друг другу, разрезанная часть начинает «выпирать», увеличивается диаметр, и между полосками бумаги появляются просветы. Колесо перестает быть круглым, теряя свое главное свойство: способность плавно перекатываться с точки на точку. Соответственно начинает «прыгать» ось колеса, и вибрация передается всей тележке.

С позиции идеального конечного результата возникающие при увеличении диаметра просветы-промежутки между упругими элементами, образующими наружную поверхность колеса, должны заполняться сами, т.е. теми же упругими элементами.

Попробуйте представить работу колеса на дороге — опорной поверхности. Перекатывание возможно тогда, когда каждая предыдущая точка наружной поверхности колеса находится на одинаковом расстоянии от оси вращения, и все перекатывающиеся точки лежат в одной плоскости вращения. (Для сравнения можно представить себе колесо в виде тонкого диска.)

А теперь вспомните колеса машин-вездеходов с протектором типа «елочка». Ребра елочки сильно выступают над сплошной поверхностью колеса. Чтобы такое колесо не «стучало» по дороге, каждая следующая елочка должна начинаться раньше, чем закончится предыдущая. Опорная точка — точка касания колеса с дорогой — перескакивает с одной «елочки» на другую, а в момент перескока колесо опирается на дорогу обеими «елочками» (рис. 8.3).

Значит, при увеличении диаметра, чтобы колесо из упругих элементов не прыгало, они должны «передавать» друг другу точку опоры, т.е. располагаться под углом к плоскости вращения. И чем больше диаметр, тем меньше должен быть угол между элементом и плоскостью вращения колеса.

Так сформулировалось физическое противоречие: упругие элементы должны располагаться параллельно оси вращения при минимальном диаметре и перпендикулярно оси вращения при максимальном диаметре.

Опять возьмите в руки фонарик. В растянутом состоянии полосочки средней части вытянуты вдоль цилиндра, параллельно его оси. В сдвинутом состоянии полосочки должны не просто торчать наружу, а повернуться на 90° и расположиться перпендикулярно оси цилиндра. Для этого края, сдвигая навстречу друг другу, нужно поворачивать вокруг оси (рис. 8.4).

Технически это решается так же, как обеспечивается вращение пули в нарезном оружии: с помощью винтовых канавок, нарезанных в стволе. При движении по стволу пуля закручивается вдоль продольной оси и приобретает устойчивость в полете.

Основу колеса составляют рычаги, соединенные как ножницы. На верхних концах установлены гибкие элементы, которыми колесо опирается на землю. А нижние концы должны опираться на вал и иметь возможность одновременно перемещаться вдоль него. При этом каждый рычаг будет не только двигаться вдоль вала, но и поворачиваться. Поэтому соединим все нижние концы рычагов шарнирно с муфтами, а муфты посадим на вал. Каждая муфта имеет выступ в сторону вала. А вал имеет винтовую канавку, в которую входят эти выступы. Поэтому муфты, скользя по валу, разворачивают плоскость шарнирно соединенных между собой рычагов и тем самым поворачивают упругий элемент на их верхних концах относительно оси вала (рис. 8.5).

Казалось, задача решена — и принципиально, и конструктивно. И решение вроде неплохое, технически вполне реализуемое. Но тут сын задал вопрос: «А почему бы не соединить соседние концы рычагов друг с другом? И не по одному, а накрест? И просветы закроются, и площадь опоры увеличится!»

Воистину сказано: устами младенца (было ему тогда 11 лет) глаголет истина. Конструкция резко упростилась. Теперь колесо состояло из параллелограммов, загнутых в кольцо и образующих обод, и системы рычагов, изменяющих диаметр колеса за счет изменения длины кольца (рис. 8.6).

Патентный поиск показал, что изменение диаметра колеса интересует многих, особенно сельскохозяйственное машиностроение. А также геологов, полярников и космонавтов. И попадались очень интересные конструкции. Нашего варианта — с помощью двуплечих рычагов изменять длину кольца в виде системы параллелограммов — среди известных не было…