Шестерни: удивительные открытия
Зубчатые колеса, или шестерни, образующие между собой или другими зубчатыми деталями (рейками, шлицевыми, червячными валами, эпициклами и т.д.) зубчатые пары, являются элементами разнообразных зубчатых силовых передач, а их взаимоувязанные механические комплексы называются редукторными узлами, или редукторами.
На сегодняшний день зубчатые передачи и редукторы присутствуют в подавляющем большинстве машин и механизмов, отличаются многообразием своих форм и способов применения. Сегодня купить шестерни любого типа и размера не представляет большой сложности, услуги изготовления шестерен на заказ предоставляются многими компаниями, где этот процесс поставлен на поток, а цена изготовления шестерен любой сложности доступна даже простому обывателю. Тогда как совсем недавно изготовление зубчатых колес было уделом только самых искусных мастеров, а обладать каким-либо шестеренчатым механизмом, например, водяной мельницей или башенными часами, мог себе позволить далеко не каждый состоятельный человек или даже целый город.
К удивлению многих интересно будет узнать, что шестеренчатые передачи известны из глубочайшей древности, и их изобретатель так же неизвестен, как изобретатели, например, колеса или гончарного круга. Деревянные шестеренки и механизмы с их применением были известны еще древним египтянам и вавилонянам, древние греки и римляне уже некоторые из них изготовляли из металлов (бронзы, железа). Самыми известными древними механизмами, где широко применялись деревянные и металлические шестерни, были египетские водяные черпалки, применявшиеся в системах орошения, и древнеримские водяные мельницы, использовавшиеся для переработки зерна.
Широко известен древний т.н. Антикикерский механизм (Антикикерский «компьютер»), поднятый в 1901 году со дна моря возле греческого острова Антикикер, на месте затопления старинного корабля. Механизм, датированный 100-м годом до н.е или даже 200-м годом до н.е. представлял собой сложный шестеренчатый редуктор в составе не менее 30 бронзовых шестерен с двумя циферблатами. По словам ученных, он применялся как астрономический прибор, позволял вычислять движение небесных тел и предсказывать дату до 42 астрономических событий. Также истории известен древнекитайский механический навигационный прибор — компас в виде колесницы с фигурой человека, которая, при любых движениях и поворотах колесницы, все время показывала на юг. В основе китайского механического компаса был положен сложный шестеренчатый механизм.
Первенство в изобретении червячной передачи (зубчатое колесо плюс червячный вал) и многоступенчатой зубчатой передачи (современного редуктора) приписывается гению древнегреческого ученого Архимеда из г. Сиракузы (287 – 212 гг до н.е.). А в книге «Механика» Герона Александрийского, дошедшей до наших дней, был описан шестеренчатый механизм – годометр, предназначенный для измерения пути, пройденного повозкой. Как уже понятно, прямыми наследниками годометра являются современные спидометры.
В после римский период Европы, в средние века, изготовление шестерен продолжалось преимущественно из дерева или металла, но например, в Скандинавии (Швеции) они изготовлялись даже из камня. Основной сферой применения шестерен оставались водяные, а несколько позже – ветряные (Голландия) мельницы. Так продолжалось до изобретения механического часового механизма, в основе которого были деревянные или металлические шестерни. Начиная с 13 века, в Европе практически все часы становятся механическими, с приводом от противовеса, и лишь гораздо позже – от пружинного механизма. Но данному часовому механизму предшествовали известные еще в раннем средневековье водяные часы, в которых шестеренчатый механизм приводился в движение равномерным потоком (струей) воды.
Реечная зубчатая передача (кремальера), которая позволяет преобразовывать вращательное движение в прямолинейное, в старину применялась в разнообразной военной метательной технике – баллистах, катапультах, ручных арбалетах.
Долгое время шестерни изготовлялись с цилиндрическими (цевочное зацепление), прямоугольными или клиновидными зубьями, имеющими низкий рабочий ресурс, большие потери на трение, высокий риск заклинивания. Современный тип эвольвентной формы зубьев (эвольвентное зацепление) был предложен в 1754 году выдающимся ученым физиком Леонардом Эйлером.
С глубокой древности зубчатые колеса изготовлялись вручную – после тщательной ручной разметки заготовки, зубья на ней выпиливались пилами, доводились до кондиции напильниками. Только в 18-м веке появились первые зубонарезные станки, в которых имелись два важнейших современных узла – делительное устройство и зуборезная установка. Инструмент для накатки зубьев (изготовления шестерен по образцу (модели) накаточной рейки или колеса) также известен с 18-го века, изначально применялся для изготовления из мягкого металла шестерен часовых механизмов.
Одни из последних нововведений в зубчатой механике связаны с изобретениями:
- в 1913 году конической зубчатой передачи с круговым зацеплением американской компании «Глиссон», которая сегодня широко применяется в главных передачах и межосевых дифференциалах современных машин и механизмов;
- шевронного (V-образного) зубчатого зацепления (т.н. шевронные колеса), которое решало проблему осевой силы в шестеренчатых редукторах, связанное с именем Андре Ситроена и его одноименной автомобильной компании Citroen; в память об этом изобретении компания Citroen своим логотипом избрала сдвоенный V-образный шеврон.
- круговинтовое зацепление, или передача инженера Новикова, предложенная им в 1954 году; нашла применение в высоконагруженных тихоходных машинах и механизмах, таких как подъемные краны, лебедки и т.д.
Но тем не менее, человеческие изобретения ничто перед мудростью и изобретательностью Природы. То, что человеку известно всего несколько тысяч лет, Природа изобрела за много десятков миллионов лет до него. Так, совсем недавно учеными была описана разновидность мелкого прыгающего насекомого семейства Issidae, в «приводе» задних лап которого обнаружена настоящая шестеренчатая передача, позволяющая ему очень точно согласовывать их движение при отталкивании в прыжке.
Конструирование с зубчатыми колесами
Инструкции по сборке:
Список используемых источников:
http://barion-ua.com/novosti/shesterni-udivitelnyie-otkryitiya