Потребность в передаче вращательного движения возникла уже в древнейшие времена. С развитием машин возрастали роль и задачи передаточного механизма.
Если в повозках колесо должно было облегчить движение, а в двигателях являлось главной частью всего устройства, то уже в рабочих машинах колесо, вернее, набор колес предназначен для передачи вращательного движения и изменения числа оборотов осей.
Первой машиной, потребовавшей решения сложной задачи изменения числа оборотов в широких пределах, были механические часы, изобретенные в XI в.
Вот как рассказывает летописец о первых башенных часах, установленных в Москве в 1404 г.: «Князь великий замысли часник и постави е на своем дворе за церковью за святым благовещением. Сей же часник наречется часомерье: на всякий же час ударяет молотом в колокол, размеряя и расчитая часы нощные и дневные, не бо человек ударяше, но человековидно, самозвонно и самодвижно, страннолепно некако створено есть человеческою хитростью преизмечтано и преухищрено». Последние строки этого рассказа летописца показывают, что его особенно поразила автоматичность действия часов.
«Часы, — писал К. Маркс в письме к Ф. Энгельсу,[2] — это первый автомат, употребленный для практических целей. На их основе развилась вся теория производства равномерных движений. По своему характеру они сами базируются на сочетании полухудожественного ремесла с теорией в прямом смысле слова».
Ярким подтверждением этих слов являются, например, знаменитые «часы яичной фигуры» величиной с утиное яйцо, построенные И. П. Кулибиным. В эти часы вмонтирован миниатюрный автоматический театр. Каждый час раздвигались створчатые двери, и на сцене театра происходило небольшое представление. Часы Кулибина представляют собою непревзойденное чудо техники. Однако необходимо помнить, что даже самые простые карманные часы являются уже весьма сложной машиной. В карманных часах ведущая ось, связанная с заводной пружиной, делает 3 оборота в сутки, а последняя ось, связанная с секундной стрелкой, — 1440 оборотов. Это изменение числа оборотов осуществляется в часах посредством целого набора зубчатых колес.
Но передачу движения и регулирование числа оборотов с помощью колес мы можем видеть в любой машине. Увеличение числа оборотов ведомой оси наблюдается в ручной дрели или в наматывающем механизме швейной машины. Наоборот, в лебедке, в катке для выравнивания асфальта, в землечерпалке ведущая (соединенная с двигателем) ось делает больше оборотов, чем ведомая.
Иногда с регулированием числа оборотов совмещается и другое назначение колес: изменение направления оси вращения, когда, например, требуется передать вращение от горизонтальной ведущей оси к вертикальной ведомой.
Примеры этому можно видеть в старых конструкциях швейных машин, в ручном сверлильном станке и в дрели, в ветряной мельнице. В ветряной мельнице ветер приводит во вращение горизонтальную ось, которая, в свою очередь, вращает вертикальные валы, на которых укреплены жернова. В конном приводе происходит обратное явление: вертикальное вращение ведущей оси преобразовывается во вращение горизонтального вала, приводящего в движение молотилку или какую-либо другую машину. В автомобиле вращение вала, идущего вдоль корпуса, преобразуется во вращение полуосей, несущих колеса и расположенных поперек.
Рассмотрим теперь, как же происходит передача вращения от одной оси к другой.
В простейшем случае два колеса с параллельными осями вращения плотно соприкасаются своими ободами. Если теперь одно из колес начнет вращаться (ведущее колесо), то благодаря трению между ободами начнет вращаться и второе.
При отсутствии скольжения колеса перекатываются одно по другому, т. е. пути, проходимые точками, лежащими на их ободах, равны. Это справедливо при всех диаметрах колес. Стало быть, большее колесо будет делать, по сравнению со связанным с ним меньшим, во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его размеры превышают размеры последнего.
В простейшем виде такая передача трением, или, как ее иногда называют, фрикционная (от латинского — «фрикцио» — трение) передача, встречается сравнительно редко, главным образом там, где передаваемые усилия не очень велики и где, подчеркнем, не требуется вполне точного соотношения между числами оборотов зацепленных осей.
Так сцеплен с ободом велосипедного колеса вал маленькой динамомашины, питающей фонарь. Так же соединяются ведущее колесо швейной машины и колесо приспособления, с помощью которого наматывается нитка на шпульку.
Иногда передачей трением пользуются в небольших сверлильных станках. На рис. 21 изображен пресс с фрикционной передачей.
Рис. 21. Пресс с фрикционной передачей.
Ведомая и ведущая оси расположены под прямым углом друг к другу и заканчиваются дисками. Ведущая ось имеет два диска, расположенные по обеим сторонам ведомого диска, чтобы иметь возможность изменять направление вращения горизонтального диска, не меняя направления вращения ведущей оси. Если левый ведущий диск прижат к ведомому горизонтальному диску, то последний приходит во вращение в одну сторону; если же правый ведущий диск прижат к нему, то горизонтальный диск вращается в противоположную сторону.
Соединение двух колес ремнем во многих случаях удобнее непосредственного их соприкосновения. Во-первых, при этом можно благодаря упругости ремня не выдерживать с большой точностью расстояния между осями. Во-вторых, на каждую из осей можно насадить ряд колес различного диаметра и накидывать ремень на различные пары. Если диаметр колеса на одной оси большой, а на второй малый, то вторая ось будет делать больше оборотов, чем первая, и наоборот. Таким образом легко менять соотношение чисел оборотов осей.
В этом случае колеса, насаженные на оси, называются «ступенчатыми шкивами», а сцепленная пара осей — трансмиссией (от латинского слова «трансмиттере» — передавать, пересылать) (рис. 22).
Рис. 22. Схема трансмиссии.
Диаметры шкивов подбираются таким образом, чтобы один и тот же ремень можно было с одинаковым натяжением накидывать на любую пару шкивов.
Обратите внимание на очертание каждого из шкивов: посредине они немного толще. Для чего это сделано? Такое утолщение необходимо для того, чтобы ремень не соскакивал на ходу. Если такого утолщения не имеется, то трансмиссия будет работать только при совершенно точно сшитом плоском ремне и строго параллельных осях; если же ремень не точно пригнан (а так всегда бывает на практике), то одним краем он будет немного плотнее прижат к шкиву, чем другим, и станет косо. Прижатая сторона у него будет сильнее натянута, кромка ремня уже не сможет двигаться параллельно окружности шкива, и ремень будет сбегать к середине шкива и вскоре соскочит.
На первый взгляд может показаться, что утолщение на шкиве никак не задержит такого перекоса и сбегания ремня. Однако тщательное рассмотрение вопроса показывает, что утолщение это способствует нормальной работе трансмиссии. Если ремень начнет соскальзывать с середины шкива, то одна сторона его (находящаяся ближе к середине) будет натягиваться сильнее, чем другая; благодаря этому обстоятельству ремень, слегка соскользнувший с середины шкива, перекашивается и начинает снова наползать на нее. Иными словами, наличие утолщения на шкиве способствует возвращению ремня в исходное положение.
Рассмотрим теперь другой вид сцепления колес, осуществляемый с помощью зубцов. Зубчатые колеса возникли, по-видимому, более двух тысячелетий тому назад. Но широкое применение получили они лишь в течение последних шести-семи веков.
Характерная особенность зубчатого зацепления заключается в том, что числа зубцов большого и малого колес должны выражаться целыми числами.
Для того, чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, зубцам необходимо придать особое очертание, при котором движение колес совершилось бы так, как будто они перекатываются одно по другому без скольжения, тогда зубцы одного колеса будут входить во впадины другого (рис. 23).
Рис. 23. Схема зубчатого зацепления.
При этом они должны располагаться свободно, но, по возможности, с малыми зазорами, иначе либо колеса нельзя будет повернуть, либо же они будут иметь «мертвый ход» и при перемене направления вращения или при изменении нагрузки станут отходить одно от другого, в результате чего колеса будут ударяться и, вследствие этого, быстро изнашиваться.
Мы можем примириться с тем, что зубцы будут скользить один по другому (при хорошо обработанных поверхностях и хорошей смазке трение будет невелико), но мы никоим образом не можем допустить, чтобы зубец одного колеса отходил от другого или же врезался в него.
Рассмотрим несколько наиболее употребительных зубчатых зацеплений. Для преобразования вращения в одной плоскости во вращение в другой плоскости при малых скоростях уже в древности была изобретена червячная передача (сочетание винта и зубчатого колеса), широко применяемая и в наше время (рис. 24).
Рис. 24. Червячная передача.
В стенных часах и будильниках применяются зацепления, в которых большее колесо является зубчатым в обычном смысле этого слова, т. е. по его окружности нарезаны зубцы, тогда как соединенное с ним малое колесо состоит из ряда стержней, закрепленных концами в обоймах. Такое зацепление носит название цевочного зацепления (рис. 25).
Рис. 25. Схема цевочного зацепления.
На рис. 26 изображена водоподъемная машина с цевочным зацеплением.
Рис. 26. Водоподъемная машина XVI в. с червячной и цевочной передачами.
В случае цевочного зацепления очень легко определить вид зубца колеса. Как уже было сказано, мы должны добиться, чтобы во все время работы колес они вращались равномерно и все время находились в сцеплении. В данном случае это означает, что стержень малого колеса, раз соприкоснувшись с зубцом, должен все время к нему прилегать до тех пор, пока не сойдете него у вершины зубца.
Обычно, например в часах, неподвижными являются центры осей обоих колес, сами же колеса вращаются. В этом случае довольно трудно следить за относительным расположением зубцов и стержней, однако можно сильно упростить решение этой задачи. Вообразим, что мы вращаем весь механизм вокруг оси большого колеса и притом с той же скоростью, с какой оно вращается в неподвижном механизме, но только в обратную сторону.
В этом случае большое колесо будет неподвижно, а малое станет не только вращаться вокруг своей оси, но и обращаться вокруг большого колеса.
Участвуя в этих двух движениях, малое колесо будет перекатываться без скольжения по основной окружности большого колеса. Проследим теперь, по каким кривым будут двигаться отдельные точки этого колеса. Его ось, как легко сообразить, будет описывать окружность, центр которой совпадет с центром неподвижного колеса, радиус же окружности будет равен расстоянию между осями.
Рассмотрим теперь, какую линию вычертит точка, лежащая в центре любого стержня, скользящего по зубцам. Начнем прослеживать ее с того момента, когда стержень ближе всего подходит к оси неподвижного колеса. Очевидно, что на таком же расстоянии эта точка будет и после того, как неподвижное колесо, перекатываясь, сделало полный оборот, два оборота, три оборота и т. д. В промежуточные моменты эта точка будет отходить от окружности неподвижного колеса.
Так, при полуобороте подвижного колеса она будет расположена дальше всего от центра неподвижного колеса (на два радиуса малого колеса), в промежуточные моменты движения положение ее будет какое-то среднее. Кривая, проходящая через все последовательные положения этой точки, изображена на рис. 27.
Рис. 27. Линия, которую вычертит центр стержня, скользящего по зубцам колеса.
При правильном зацеплении зубчатых колес между собою, прежде чем кончится зацепление одной пары зубцов колес, должно начаться зацепление следующей пары, иначе движение прекратится. В обычных зубчатых колесах это условие может быть выполнено в том случае, если малое колесо имеет не меньше шести зубцов. Поэтому очень часто и применяется такое колесо, оно даже в свое время получило название «шестерни».
Однако сейчас под шестерней обычно понимают просто зубчатое колесо; можно услышать о шестеренках с самым различным числом зубцов. Мы не удивляемся этому, подобно тому как не замечаем нелепости выражения «красные чернила», хотя первоначально «чернила» означали черную краску, так же как «белила» до сих пор означают белую.
Цевочное зацепление, хотя и просто в изготовлении и расчете, имеет ряд крупных недостатков.
Во-первых, форма зубца зависит как от размеров одного колеса, так и от размеров другого; поэтому, если требуется менять соотношение числа оборотов ведомой и ведущей осей, для каждого цевочного колеса следует изготовить свой набор зубчатых колес. Зубчатые колеса, работающие, например, с цевочным колесом с шестью стержнями, нельзя привести в сцепление с цевочным колесом с десятью или двенадцатью стержнями.
В часах, где всегда работают попарно одни и те же колеса, этот недостаток не сказывается; однако в токарном станке, где приходится подбором шестерен менять соотношение скоростей осей вращения шпинделя и винта подачи резца (например при нарезке винтов разного хода), никогда не пользуются цевочным зацеплением.
Во-вторых, при вращении колес разные участки зубцов будут находиться в соприкосновении с одним и тем же участком стержня. Стержень будет двигаться по поверхности зубца; из-за возникающего при этом трения будут изнашиваться и стержень и зубец, однако зубец будет изнашиваться по всей длине, а стержень только на одном участке. Следует еще иметь в виду, что при одном обороте зубчатого колеса цевочное колесо делает несколько оборотов, в силу чего один и тот же стержень окажется в зацеплении с несколькими зубцами колеса, от этого его износ еще увеличится. Конечно, с этим можно бороться, делая, например, стержни цевок из закаленной стали, а зубчатые колеса из латуни (в часах так и поступают), но все же при больших нагрузках стержни стираются, в особенности если попадает пыль, которая всегда содержит твердые частицы, действующие подобно наждаку.
В-третьих, оба колеса будут вращаться равномерно только при строго определенном расстоянии между осями, если же это расстояние немного увеличится, то при равномерном вращении одной оси вторая ось будет вращаться неравномерно.
Казалось бы, этот недостаток исключает возможность использования такого зацепления в часах, которые являются точнейшим инструментом, однако это не так. В часах и без того все части движутся неравномерно: один раз в секунду (полсекунды или четыре десятых секунды— в зависимости от длины маятника) все колеса приходят в движение и затем останавливаются. Для верного хода часов важно то, чтобы правильно следовали один за другим эти периоды пуска и остановки всего механизма часов, а не то, как движутся его части в моменты пуска их маятниковым приспособлением.
Однако там, где движение колес происходит непрерывно, неравномерность хода влечет за собой колебание нагрузки на механизм, а вследствие этого и дополнительный износ колес. Кроме того, из-за неравномерности работы механизма возникают периодические изменения напряжений в зубцах, что сопровождается сильным шумом. Кто бывал в цехах, где работает несколько сот зубчатых колес (например на оплеточных станках кабельных заводов), тот знает, как силен этот шум.
Если же колеса не изношены, очертания зубьев правильны и они расположены на должном расстоянии, то колеса работают бесшумно. Иногда для уменьшения шума одно из колес изготовляют из пластического материала: фибры, текстолита, кожи, иногда делают вставные деревянные зубья.
Рассмотрим наиболее широко употребительный вид зубчатых колес: колеса с «эвольвентным» профилем зуба.
Прежде всего поясним, что называется эвольвентой. Слово «эвольвента» происходит от латинского слова «эвольвере» — разворачивать и означает — развертка.
Эвольвентой (разверткой) называют кривую, которая получается следующим образом. Возьмем окружность, в одной из ее точек А закрепим конец нерастяжимой нити, уложим нить вдоль окружности и, прикрепив к свободному концу К острие карандаша, начнем «разворачивать» нить, поддерживая ее все время в натянутом состоянии (рис. 28).
Рис. 28. Построение эвольвенты.
В том случае, если острие карандаша будет скользить по бумаге, оно вычертит непрерывную линию. Эта линия и называется эвольвентой круга. Такую же кривую описывает конец натянутой нерастяжимой нити, которая сматывается с неподвижной катушки.
У наиболее употребительных зубчатых колес зубцы очерчены отрезком эвольвенты. Этот профиль зуба обеспечивает наилучшее сцепление.
Если оси зубчатых колес параллельны друг другу, то передача осуществляется цилиндрическими зубчатыми колесами. Если же оси колес пересекают друг друга под углом, то передача производится с помощью конических зубчатых колес (рис. 29).
Рис. 29. Конические зубчатые колеса.
Для зацепления колес необходимо, чтобы все время в зацеплении была хотя бы одна пара зубцов. Однако на практике предпочтительнее, чтобы одновременно в зацеплении было несколько пар смежных зубцов. Дело в том, что при зацеплении одним зубом всегда будут такие мгновения, когда одно колесо касается другого лишь самым концом зубца. В этих случаях, при наличии значительных усилий, легко может быть «срезан» зубец. Для того чтобы избежать этой опасности, необходимо либо изготовлять очень маленькие зубцы, либо делать зубчатые колеса ступенчатыми.
Каждое ступенчатое зубчатое колесо представляет собою как бы стопку одинаковых колес, насаженных на одну ось и несколько смещенных по отношению друг к другу под небольшим углом. Дальнейшим шагом развития являются толстые цилиндрические колеса, на которых прорезаны косые зубцы (рис. 30).
Рис. 30. Цилиндрические зубчатые колеса с косыми зубцами.
Колеса с косыми зубцами можно видеть, например, в приспособлении для наводки на фокус в фотоаппарате «Фотокор», где они обеспечивают плавную передачу.
Однако такое сцепление имеет и свои недостатки: при косых зубцах появляются усилия, направленные вдоль осей, которые, следовательно, сдвигают колеса вдоль оси. Чаще всего это устраняют тем, что ставят на одну ось два колеса с косыми зубцами, направленными взаимно противоположно, тогда нарезка зубцов принимает вид «елки» и называется шевронной.
Колеса с такими зубцами часто применяются в механизмах, передающих значительно меняющиеся по величине усилия, например, в лебедках.
С помощью зубчатого колеса и зубчатой рейки производится также преобразование поступательного движения во вращательное и наоборот (рис. 31).
Рис. 31. Зубчатое колесо и зубчатая рейка.
Примером такого зацепления могут служить часы, изобретенные древнеримским инженером Витрувием (рис. 32).
Рис. 32. Древнеримские водяные часы.
Поплавок в этих часах поднимался благодаря равномерному подъему воды в сосуде ABCD. На поплавке укреплена зубчатая рейка F, которая находилась в зацеплении с зубчатым колесом G, на ось которого насажена стрелка Н. Поступательное движение поплавка преобразовалось во вращательное движение стрелки.
Таковы вкратце пути применения зубчатых колес, используемых в сложнейших современных механизмах.
Мы видели, таким образом, как из обрубков стволов возникли катки, как из примитивных катков родились простейшие колеса, как появились гребные колеса судов и роторы турбин, как колеса различных видов превратились в орудия производства в гончарном круге, в ткацких и прочих станках и машинах, как из отдельных колес стали собираться сложнейшие механизмы, как окружности колес обросли фигурными зубцами, взаимное зацепление которых позволило осуществлять передачу вращательного движения и регулировку числа оборотов, а также преобразование вращательного движения в поступательное и обратно.
Настоящий обзор не может ни в малейшей степени претендовать на полноту. Но он все же в известной мере иллюстрирует ту огромную роль, которую играет колесо в современной технике. Эволюция применения колеса — этого величайшего изобретения человечества — ждет еще своего историка.