Николай Добронравов - Беседа о колесе

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.