Ким
я могу что надо, то и могу
Ты дурак, если не восходил на Фудзияму. Но если ты был на ней дважды, ты дурак вдвойне (японская пословица)
Ким Александров
Все записи
текст

Механика коловращения

Создать двигатель, каким бы совершенным и революционным он ни был, – полдела. В большинстве случаев нужно еще и привести в действие исполнительный механизм, не растеряв в пути драгоценный крутящий момент. И вот что любопытно: трансмиссии – устройства, «оживляющие» многочисленные машины и механизмы, появились гораздо раньше моторов, еще на заре человеческой истории.
Механика коловращения

     Как только sapiens’ы вылезли из пещер и принялись за жилищное, хозяйственное и культовое строительство, сразу же возникла проблема поднятия тяжестей. Одно дело – саманная хижина жилой площадью с кухню в «хрущевке». Такой домишко можно сляпать за пару дней, не поднимая на высоту человеческого роста ничего тяжелее полуцентнера. А что было делать властителям, желавшим увековечить себя в циклопических сооружениях: пирамидах, дворцах, крепостях и мавзолеях?

Во-первых, всячески поощрять, говоря современным языком, НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы), привечая талантливых мастеров и ученых. Такой подход принес (и приносит до сих пор) благодатные плоды, порой ставящие в тупик сегодняшних инженеров. Речь идет не только о египетских пирамидах или каменных истуканах острова Пасхи. Возьмем, например, знаменитую Баальбекскую террасу в Ливане. Древние строители умудрились затащить три 800-тонные плиты (так называемый трилитон) на высоту второго этажа, в основание грандиозного храма Юпитера. Как им удалось решить задачу, столь сложную и в наши дни, неясно до сих пор.

Во-вторых, великие древние стройки надо было обеспечить многочисленной рабочей силой. Поэтому исторические хроники больше напоминают перечень войн и конфликтов, в ходе которых главным приобретением считались не драгоценности и не территории, а население и пленные. Последние в большинстве были молодыми крепкими мужчинами, способными принести победителю немало пользы при надлежащем обеспечении.

Прежде всего, их надо было кормить, и кормить хорошо – много ли наработает человек, живущий впроголодь? Так уж сложилось, что очаги цивилизации «зажглись» в регионах с теплым субтропическим климатом и выраженным водным дефицитом, в которых начальники вещевых служб обладали куда меньшим авторитетом, чем их коллеги, ведавшие производством и хранением продовольствия. А последним приходилось решать сложнейшие задачи, главной из которых была ирригация.

Поливное земледелие стало экономическим фундаментом, обеспечившим расцвет древних цивилизаций. Унылые бесплодные степи, пронизанные сетью оросительных каналов, превращались в цветущие поля, сады и пастбища. Урожаи, снимаемые два раза в год, кормили не только самих крестьян, но и многочисленный государственный аппарат, включающий еще и грандиозные армии. А достичь такого изобилия помогло самое замечательное – после колеса – изобретение: водоподъемник, с помощью которого вода из рек и озер подавалась в оросительные каналы. 

Технически он представлял полупогруженное в воду большое ажурное колесо с ковшами-черпаками. Приводом служил ворот, вращаемый человеком. Работа, скажем, не слишком творческая и предельно монотонная, поэтому достаточно быстро мордатого и наглого раба постарались заменить безотказным ослом или быком, применив первую трансмиссию.

Дело в том, что осел может нормально передвигаться только в горизонтальной плоскости. Следовательно, и впрячь его можно только в оснастку, вращающуюся также горизонтально, типа корабельного кабестана. Но водоподъемное-то колесо крутится вертикально! Возникла задача механически связать два перпендикулярных вала, и древние изобретатели решили ее, создав прообраз зубчатой передачи. Роль зубьев сыграли радиальные штыри, похожие на ручки корабельного рулевого колеса. Они сцеплялись и при вращении толкали друг друга.

Простая до гениальности конструкция привела к рождению новой профессии – мукомола. Речь идет о мельницах, приводимых в действие энергией ветра или воды. Попутно выяснилось, что увеличение числа зубьев благотворно влияет на плавность передачи механического усилия. Такое открытие не могло не привести к трансформации штырей-штифтов, вставляемых в вал, в полноценные зубья, нарезанные по окружности, причем надежное и плавное зацепление возможно только для колес с числом зубьев не меньше шести. Отсюда, кстати, и происходит само слово «шестерня».

Зубчатые механизмы довольно быстро доказали свое превосходство в сравнении с фрикционными и ременными передачами, главным образом благодаря способности передавать значительные механические усилия. А первым настоящим зубчатым устройством стал храповик – шестеренчатый стопор в подъемных механизмах. В самом деле: поднимать тяжеленный блок – это одно, а вот не дать ему упасть – это совсем другое. На торце ворота колодезного образца закреплялась шестеренка с «собачкой», клиновидным стопором. При вращении «собачка» то свободно позволяла шестеренке вращаться (при подъеме), а то заклинивала ее намертво, упираясь в выемку между зубцами. 

Дальше – больше! Зубчатые трансмиссии позволяли синхронизировать вращение ведущего и ведомого валов (введением промежуточной шестерни), менять частоту вращения, применяя колеса с разным числом зубьев. Один из величайших ученых всех времен и народов, грек Герон Александрийский (изобретатель паровой турбины, насоса, первооткрыватель «золотого правила механики» и автор других замечательных достижений) додумался связать зубчатое колесо с винтом (шнеком) – цилиндром с навитой на него спиральной дорожкой, создав так называемую «червячную пару».

Изобретение Герона потребовало подробно рассмотреть профили зубьев. Стало ясно, что прямоугольные или трапециевидные пазы не обеспечивают оптимальный контакт и передачу усилия, быстро изнашиваясь вплоть до выкрашивания. Кроме того, в таких передачах слишком велики потери на трение. Особенно это стало заметно в сложных механизмах с большим числом шестеренок.

Решающий вклад в обоснование теории зубчатых передач внес выдающийся математик Леонард Эйлер, поистине бесценный «гастарбайтер», приглашенный из Швейцарии на русскую службу в середине XVIII века. Он предложил использовать для профиля зуба эвольвенту – кривую в виде улитки, описываемую равномерно удаляющейся от центра точкой на радиусе вращающейся окружности. Эвольвентный профиль характерен сравнительной некритичностью к межосевому расстоянию шестеренок. Передача усилия всегда происходит по нормали в точке соприкосновения зубьев, а сами они «прокатываются» по всей боковой поверхности, не вызывая избыточный износ отдельных областей и обеспечивая плавное сцепление и расцепление.

Главный параметр эвольвентного зубчатого колеса – модуль, измеряемый в миллиметрах и представляющий собой отношение шага зубьев по концентрической окружности к числу π. Значение модуля определяется геометрическими (диаметр, число зубьев), эксплуатационными (величина и вид нагрузок) и прочностными (свойства материала) характеристиками. Модули стандартизированы в ряд фиксированных значений: 0,5; 0,7; 1; 1,25; 1,5; 1,75; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и так далее до 50. Чем он больше, тем на большие нагрузки рассчитана шестерня.

Глубокая проработка теории зубчатого зацепления открыла перед инженерами необъятное поле для творчества: большинство ограничений по скорости и мощности ушли в прошлое. Если раньше вершиной мастерства были часовые механизмы, не испытывающие больших нагрузок и потому спокойно обходящиеся шестернями с треугольными или трапециевидными зубьями (а то и вовсе штифтовыми колесами), то в металлообрабатывающем станке или прокатном стане без эвольвенты не обойтись.

Зубчатые передачи вторглись даже в канцелярии и бухгалтерии, имеющие к металлообработке и машиностроению сугубо косвенное отношение. Речь идет об арифметических вычислителях – арифмометрах, массовое производство которых было бы невозможно без многочисленных шестеренок и зубчатых реек. 

К началу XX столетия бурное развитие машиностроения породило потребность в передаче переменных скоростей и движения с периодическими остановками. Первая была решена изобретением эллиптического зубчатого колеса. За один оборот такая шестеренка многократно меняет эффективный радиус сцепления, изменяя мгновенную частоту вращения ведомого колеса. А решению второй задачи помог мальтийский крест с торцевыми пазами. Здесь роль ведущей шестерни выполняет шайба с пальцем-штифтом, диаметр которого равен ширине паза. Вал шайбы вращается непрерывно, а вал мальтийского креста – периодически; он останавливается, когда палец-зуб шайбы выходит из зацепления. Остановка длится до момента, когда этот палец, сделав почти полный оборот, войдет в следующий вырез мальтийского креста и снова приведет его вал во вращение.

И это далеко не все! Колесно-реечные передачи, преобразующие вращательное движение в поступательное, трансформировались в так называемые планетарные. Действительно, чем зубчатая рейка отличается от обычной шестеренки? Только радиусом, у рейки он бесконечный. А если длинную рейку свернуть в кольцо зубьями внутрь? Мы получим трансмиссию, напоминающую Солнечную систему, в которой вокруг центра – Солнца – обращаются планеты, вращающиеся одновременно вокруг собственной оси. Обкатываемая шестеренка в таких передачах получила название «солнечной», а зубчатое кольцо – «сателлита». Планетарные передачи стали основой очень распространенных в машинах зубчатых механизмов – дифференциалов. А самые эффектные примеры их применения – поворотные узлы орудийных корабельных и танковых башен. 

Одна из главных причин появления зубчатых колес со сложным профилем – борьба с шумом. Лязг и грохот в заводском цехе – дело совершенно обычное. А один из главных источников акустической вакханалии – трансмиссии многочисленных станков. У прямозубых колес, у которых плоскость вращения перпендикулярна плоскости зацепления, контакт зубьев происходит сразу по всей ширине зуба. И что делает металл, на большой скорости стукающийся друг о друга? Правильно, лязгает. И здесь не помогает даже обильная смазка вязкими маслами, в определенной степени скрадывающая грохот: шум работающей коробки передач токарного станка довольно чувствителен.

Выходов из «шумного тупика» несколько. Первый – применение эластичных материалов типа пластмасс, способных работать без смазки. Но за малошумность придется платить: полимерные шестеренки в подавляющем большинстве не рассчитаны на значительные нагрузки (то есть их модуль невелик) и большой срок службы. Поэтому их сфера применения ограничивается некритичными и сравнительно несложными механизмами типа приводов CD- и DVD-проигрывателей, кухонной и бытовой техники, игрушек и т. п.

Второй способ заключается в изменении характера контакта зубьев: вместо мгновенного зацепления по всей боковой поверхности их надо заставить «накатываться» друг на друга. Для этого зубья нарезаются не перпендикулярно к плоскости колеса, а под небольшим углом, образуя отрезок спирали. Общая площадь контакта у косозубых шестеренок больше, следовательно, и передаваемый крутящий момент выше, к тому же и зацепление происходит и тише, и плавнее.

Однако у «неправильных» зубчатых колес не все гладко: увеличенная площадь соприкосновения вызывает больший износ и нагрев, заставляя ответственней подходить к обеспечению надежности смазочной системы. Но хуже всего паразитная осевая сила, тем большая, чем значительнее передаваемый крутящий момент. Поэтому косозубые шестерни нуждаются в жесткой фиксации на вале, например, упорными подшипниками.

Проблему осевой силы решили шевронные колеса, «изобретенные» Андре Ситроеном и увековеченные в логотипе его фирмы. Впрочем, настоящим автором идеи объединения двух косозубых шестеренок, образующих зубья в виде буквы «V», был безвестный польский эмигрант, механик-самоучка, продавший патент французскому инженеру. Как несложно догадаться, осевые силы обеих половин «шеврона» компенсируются, и необходимость в упорных подшипниках отпадает.

Зубчатые передачи за столетия эволюции и технического прогресса не один раз доказали свое превосходство в соревновании как с древними фрикционами и ремнями, так и с вновь изобретенными гидравлическими и электрическими трансмиссиями. «Простота, надежность и эффективность» – этот девиз достоин быть выгравирован на каждой шестеренке, работающей в мириадах и мириадах механизмов. И совсем недаром Декарт, один из самых блестящих умов в истории Человечества, считал Вселенную огромной машиной, приводимой в движение божественными шестеренками. И так ли уж он неправ?

Изобретения

Машины и Механизмы
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен
Всего 0 комментариев
Комментарии

Рекомендуем

Актуальное
Конкурс детских книг с иллюстрациями Конкурс детских книг с иллюстрациями
Весь мир Дедлайн – 14 февраля 2020 года
Фотоконкурс «Наука о жизни» Фотоконкурс «Наука о жизни»
Весь мир Дедлайн – 31 января 2020 года
Международная академия аутоиммунитета Международная академия аутоиммунитета
Санкт-Петербург, СПбГУ 11 октября
Студенческая олимпиада по робототехнике Студенческая олимпиада по робототехнике
Санкт-Петербург, СПбПУ 26 октября
Географический диктант Географический диктант
Онлайн – весь мир, оффлайн – Россия 27 октября
Стипендия Chevening 2020/21 Стипендия Chevening 2020/21
Весь мир Дедлайн – 5 ноября
Петросити
Поэма здоровья
Биосфера
Бесконтактная примерка обуви
OK OK OK OK OK OK OK