Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)

Как мы увидим далее, рычажные механизмы имеют очень важное значение при анализе и синтезе любых механизмов, поэтому на этот вид механизмов обращают особенное внимание.

Фрикционные механизмы. Далее мы рассмотрим другой вид механизмов, а именно механизмы, основанные на принципе колеса. Сюда относятся фрикционные, зубчатые и кулачковые механизмы (кроме того, колесо входит в состав и иных групп механизмов).

Использование вращательного движения человеком начинается относительно поздно. Вероятно, древнейшие постройки вынудили человека при транспортировке тяжелых глыб камня использовать бревна, очищенные от веток, в качестве катков. Произошло это между IV и Х тысячелетиями до н. э., причем это изобретение, равно как и многие другие, принадлежало разным племенам и народам и относится поэтому к разным временам.

Колесо появляется не ранее этого времени. Сперва колеса для повозок представляли из себя деревянные диски, жестко насаженные на ось. Можно сказать, что они были прообразом фрикционного механизма, который служит для передачи движения за счет сил трения между его звеньями. Очевидно, ремесленник имел уже в своем распоряжении металлическую пилу, с помощью которой он и выделывал из ствола диски — колеса. Спустя тысячелетие было изобретено колесо со ступицей, насаживающееся на неподвижную ось. Несколько позже появились колеса со спицами. Это дало возможность создать боевую колесницу с колесами большого диаметра. Почти одновременно с появлением повозки на колесах с небольшим опозданием появляется гончарный круг, в начале I тысячелетия до н. э. появляются блоки и в середине тото же тысячелетия — полиспасты. Изобретение этих подъемных приспособлений знаменовало также расширение функций колеса и создание на его базе новой группы механизмов с гибкими звеньями (впрочем, об этом речь пойдет ниже).

Зубчатые механизмы. Со временем изобретения мукомольных мельниц—первых машин в истории человечества, связано появление зубчатого колеса как важнейшего элемента многих механизмов. Первые передачи этого типа были цепочными — зубья произвольной формы врезались в обод. Позже зубья стали вырезать вручную из тела заготовки — деревянного или металлического диска. На рубеже новой эры механики знали о зубчатых колесах довольно много. Так, уже были известными сложные зубчатые механизмы — редукторы, включающие несколько пар зубчатых колес и червячную пару. Естественно, что никакой разницы между обычным и «червячным» колесом пока еще не замечали.

Как уже говорилось, использование водоподъемного колеса не ограничивалось только первоначальной задачей. Оно не только служило двигателем для мукомольных мельниц, но и приобрело новое качество универсального промышленного двигателя. В связи с этим усложняются системы передач и создаются новые. Так, в частности, возник кулачковый механизм, основной деталью которого остается все то же колесо, но с единственным зубцом — кулачком. Так создается привод мельниц, механизмы которых работают ударным действием, как, например, различные толчеи, кузнечные молоты и т. п.

Кулачковый механизм сохраняет свои элементарные формы на протяжении пяти веков — с XIV по XVIII в. Объясняется это тем, что скорости движения машин, в состав которых входил этот механизм, были крайне малыми и кулак, сделанный в полном смысле этого слова «из-под топора», функционировал вполне удовлетворительно.

Таким образом, технологические установки того времени, мельницы имели, как правило, деревянные зубчатые и кулачковые приводы. Но после того как семейство машин и механизмов пополнилось механическими часами, происходит быстрое развитие зубчатых механизмов. Мы видели, что уже в античные времена были известны редуктор и червячная передача. Последняя, по всей видимости, была изобретена еще Архимедом, а усовершенствована Леонардо да Винчи, который понял ее недостаток. Дело в том, что при уменьшении хода нарезка становилась слишком тонкой и непрочной и не могла выдерживать больших нагрузок. Ученый решил эту инженерную задачу, сделав нарезку очень крутой, в результате чего давление распределялось между несколькими ходами. Таким образом, получились два решения проблемы — вводилась червячная передача, состоящая из червяка-винта и червячного колеса, наклон нарезки которого соответствовал наклону червячной нарезки. Вторым решением той же задачи стало введение пары винтовых колес.

Часовые мастера очень скоро заметили, что от качества зубчатых колес зависит и точность хода часов, и длительность их службы: не удивительно, что в XVI в. часы больше времени проводили у часовщиков, чем у хозяина. Изобретение маятниковых часов еще больше обострило эту проблему, оказалось, что форма зубьев играет важнейшую роль в зацеплении. Нужно было найти такие кривые, согласно которым колеса могли бы катиться друг по другу с минимальным трением. Пришлось прибегнуть к помощи геометрии, и в конце XVII в. замечательный голландский ученый Христиан Гюйгенс, а также французские геометры Жирар Дезарг и Филипп де Лагир пришли к выводу, что зубья колес следует профилировать по циклоидальным кривым.

Пусть окружность катится без скольжения по прямой линии. Тогда любая точка, жестко связанная с окружностью, опишет кривую, называемую циклоидой. Если та же окружность катится без скольжения по внешней стороне другой окружности, то любая ее точка опишет эпициклоиду. Если же меньшая окружность находится внутри большей и катится по ее внутренней стороне, то кривая, описанная произвольной ее точкой, будет называться гипоциклоидой. При построении зубчатого зацепления соблюдается условие, что начальные окружности катятся друг по другу без скольжения. Начальные окружности делятся на целое число шагов каждая, а зубья строятся таким образом, чтобы часть зуба оказывалась выше начальной окружности, а другая ниже ее. Первая часть называется головкой зуба, а вторая—ее ножкой. Рабочие стороны — профили головки и ножки — строятся по циклоидальным кривым.

Такое зацепление оказалось весьма удобным для часовых механизмов, где сохраняется неизменное расстояние между осями двух зацепляющихся колес: вспомним, что часы изготавливаются на «таком-то количестве камней», при этом чем больше «камней», тем лучше. Камнями в часовых механизмах называются каменные подшипники для вращающихся осей колес. Это же циклоидальное зацепление в XVIII в. и в первой половине XIX в. применялось при построении машин. Но оказалось, что здесь циклоидальное зацепление не совсем пригодно. Дело в том, что вследствие трения срабатываются детали, расстояние между центрами колес изменяется и колеса перестают правильно зацепляться друг с другом: постепенно происходит срабатывание колес, увеличиваются зазоры между зубьями и колеса выходят из строя. Не случайно к этому времени ученые разработали другой тип зацепления. Предложил его великий математик Леонард Эйлер.