Создать двигатель — полдела. Нужно ещё привести в действие исполнительный механизм, не растеряв драгоценный крутящий момент. Любопытно, что трансмиссии — устройства, «оживляющие» многочисленные машины,— появились гораздо раньше моторов.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №12(40). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Так сложилось, что очаги цивилизации «зажглись» в регионах с субтропическим климатом и выраженным водным дефицитом. Утолить его можно было только с помощью ирригации. Поливное земледелие стало экономическим фундаментом, на котором расцвели древние цивилизации. Сети оросительных каналов превращали бесплодные степи в цветущие поля, сады и пастбища. Урожаи, снимаемые два раза в год, кормили не только крестьян, но и многочисленный государственный аппарат, включавший в иные годы ещё и грандиозные армии.

Достичь такого изобилия помогло самое замечательное (после колеса) изобретение — водоподъёмник-­чигирь, подававший воду из рек и озёр в оросительные каналы. Технически он представлял собой большое, наполовину погружённое в воду колесо с ковшами-черпаками. Приводом служил ворот, вращаемый человеком, но достаточно быстро его заменили безотказным ослом или быком, применив первую трансмиссию.

Дело в том, что осёл может прилагать усилия только в горизонтальной плоскости. Но чигирь-то крутится вертикально. Возникла задача механически связать два перпендикулярных вала, и древние изобретатели решили её, создав прообраз зубчатой передачи. Роль зубьев играли 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 о мельницах, приводимых в действие энергией ветра или воды). Попутно выяснилось, что увеличение числа зубьев улучшает плавность передачи механического усилия. Такое открытие не могло не привести к превращению штырей-штифтов, вставляемых в вал, в полноценные зубья, нарезанные по окружности. Причём надёжное и плавное зацепление оказалось возможно только для колёс с числом зубьев не меньше шести — отсюда и слово «шестерня».

Зубчатые механизмы быстро доказали своё превосходство над фрикционными и ременными передачами благодаря способности передавать значительные механические усилия. А первым настоящим зубчатым устройством стал храповик — шестерёнчатый стопор в подъёмных механизмах. На торце ворота колодезного образца закреплялась шестерёнка с «собачкой» — клиновидным стопором. При вращении «собачка» то свободно позволяла шестерёнке вращаться (при подъёме), то заклинивала её намертво, упираясь в выемку между зубцами.

Дальше — больше. Зубчатые трансмиссии позволили синхронизировать вращение ведущего и ведомого валов (с помощью промежуточной шестерни), менять частоту вращения, применяя колёса с разным числом зубьев. Герон Александрийский, изобретатель паровой турбины, насоса, автор золотого правила механики и других замечательных открытий, додумался связать зубчатое колесо с винтом (шнеком) — цилиндром с навитой на него спиральной дорожкой, создав так называемую червячную пару.

Изобретение Герона заставило подробно рассмотреть профили зубьев. Стало ясно, что прямоугольные или трапецие­видные пазы, быстро изнашиваясь, не обеспечивают оптимальный контакт и передачу усилия. Кроме того, слишком велики потери на трение. Особенно это было заметно в сложных механизмах с большим числом шестерёнок.

Решающий вклад в обоснование теории зубчатых передач внёс выдающийся математик Леонард Эйлер. Он предложил использовать для профиля зуба эвольвенту — кривую в виде улитки, описываемую равномерно удаляющейся от центра точкой на радиусе вращающейся окружности. Эвольвентный профиль нечувствителен к межосевому расстоянию шестерёнок, передача усилия всегда происходит по нормали в точке соприкосновения зубьев, а сами они «прокатываются» по всей боковой поверхности, не вызывая избыточного износа отдельных областей и обеспечивая плавное сцепление.

Источник

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 больше модуль, тем на большие нагрузки рассчитана шестерня.

Проработка теории зубчатого зацепления открыла перед инженерами необъятное поле для творчества: большинство ограничений по скорости и мощности ушло в прошлое. Если раньше вершиной мастерства были часовые механизмы, которые в отсутствие больших нагрузок спокойно обходились шестернями с тре­угольными или трапециевидными зубьями (а то и вовсе штифтовыми колёсами), то в металлообрабатывающем станке или прокатном стане без эвольвенты уже не обойтись.

К началу XX столетия развитие машиностроения упёрлось в невозможность передачи переменных скоростей и движения с периодическими остановками. Первая задача была решена с изобретением эллиптического зубчатого колеса. За один оборот такая шестерёнка многократно меняет радиус сцепления, изменяя мгновенную частоту вращения ведомого колеса.

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, войдёт в следующий вырез мальтийского креста и снова приведёт его вал во вращение.

Источник

И это далеко не всё! Колёсно-реечные передачи, преобразующие вращательное движение в поступательное, трансформировались в так называемые планетарные. Действительно, чем зубчатая рейка отличается от обычной шестерёнки? 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 — вращаются планеты, оборачивающиеся одновременно вокруг собственной оси. Обкатываемая шестерёнка в таких передачах получила название «солнечной», а зубчатое кольцо — «сателлита». Планетарные передачи стали основой очень распространённых в машинах зубчатых механизмов — дифференциалов. А самые эффектные примеры их применения — поворотные узлы орудийных корабельных и танковых башен.

Коробка передач автомобиля в разрезе

Одна из главных причин появления зубчатых колёс со сложным профилем — борьба с шумом. Лязг и грохот в заводском цехе — дело обычное, связанное с работой трансмиссий многочисленных станков. У прямозубых колёс, плоскость вращения которых перпендикулярна плоскости зацепления, контакт зубьев происходит сразу по всей ширине зуба. А что делают металлические детали, на большой скорости стукаясь друг о друга? Правильно, лязгают. Не помогает даже обильная смазка вязкими маслами.

Выходов из «шумного» тупика несколько. Первый — применять эластичные материалы типа пластмасс, способные работать без смазки. Но за малошумность приходится платить прочностью, поэтому сфера их применения ограничивается некритичными и сравнительно несложными механизмами типа приводов CD- и DVD-проигрывателей, кухонной и бытовой техники, игрушек и т. п.

Шевронные колеса

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

Однако у «неправильных» зубчатых колёс не всё гладко: увеличенная площадь соприкосновения вызывает больший износ и нагрев, предъявляя повышенные требования к надёжности смазочной системы. Но хуже всего паразитная осевая сила, прямо пропорциональная величине крутящего момента. Поэтому косозубые шестерни нуждаются в жёсткой фиксации на вале — например, упорными подшипниками.

Проблему осевой силы решили шевронные колёса Андре Ситроена, увековеченные в логотипе его фирмы. Впрочем, настоящим автором идеи объединения двух косозубых шестерёнок, образующих зубья в виде буквы V, был безвестный польский эмигрант, механик-самоучка, продавший патент французскому инженеру. Осевые силы половинок «шеврона» компенсируются, и необходимость в упорных подшипниках отпадает.

Двойной шеврон стан символом и логотипом компании Citroën

Зубчатые передачи за столетия эволюции и технического прогресса не раз доказывали своё превосходство в соревновании как с древними фрикционами и ремнями, так и с современными гидравлическими и электрическими трансмиссиями. «Простота, надёжность и эффективность» — этот девиз достоин быть выгравирован на каждой шестерёнке, работающей в мириадах и мириадах механизмов. Недаром Декарт, один из величайших умов в истории человечества, считал Вселенную огромной машиной, приводимой в движение божественными шестерёнками. И так ли уж он неправ?