Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)

В целом максимум применения гибких передач падает на XIX в. Однако это не значит, что в XX в. от них отказались: они были усовершенствованы, получили новую форму и в виде клиноременных передач, вариаторов и других механизмов; продолжают служить машиностроению в том числе и многочисленные виды разомкнутой гибкой передачи, применяемой в подъемных кранах, экскаваторах и других подобных машинах.

Таким образом, гибкие элементы обеспечивают передачу и преобразование движения между двумя частями машин, которые не соприкасаются между собой, причем необходимое условие успешной работы таких механизмов — наличие трения, исключающего возможность проскальзывания. Но есть целая группа механизмов и таких, в которых трение является условием работы двух или нескольких соприкасающихся частей машин. Такие механизмы, как уже говорилось, называются фрикционными. К самым простым из них, правда, имеющим малое применение в машиностроении, относится передача движения между двумя дисками, вращающимися около параллельных осей и прижимаемыми друг к другу некоторой силой. Вследствие этого между дисками возникает трение, и вращение одного из дисков повлечет за собой вращение другого в противоположном направлении.

Такого типа движение, по существу, было прообразом зубчатого зацепления: если присоединить к двум окружностям зубья и покатить одну окружность по другой, то они и образуют те две окружности, которые были названы вначале. Есть и другие виды фрикционных передач, которые нельзя заменить соответствующими механическими, так как в них необходимо сохранить возможность проскальзывания. Таковы, например, фрикционные передачи, применяемые в конструкциях автомашин и других транспортных средств: они предохраняют машину от возможной поломки и в то же время обеспечивают точную передачу движения.

Иногда нужно регулировать передаточное число механизма. Этого тоже можно достичь при помощи фрикционной передачи. Представим себе конус, вращающийся около своей оси. На образующую этого конуса нажимает каточек, вращающийся вокруг оси, параллельной образующей конуса. Каточек может двигаться вдоль своей оси; таким образом, по мере передвижения каточка передаточное отношение изменяется.

Основной недостаток фрикционных механизмов — неспособность передавать значительные мощности. Это затруднение было преодолено в так называемой передаче Мехварта. В этом случае два катка, ведущий и ведомый, устанавливаются внутри упругого стального закаленного кольца, а между ними с некоторым напряжением вставляется вспомогательный ролик. Под влиянием трения вращения ведущего катка охватывающее кольцо слегка поднимается вверх и заклинивает все три катка, которые оказываются теперь расположенными не по диаметру, а по хорде кольца: с помощью этого механизма оказывается возможным передавать даже значительные мощности.

Винтовые механизмы. Предполагается, что первый механизм изобрел великий древнегреческий математик и механик Архимед. В простейшей форме этот механизм состоит из двух звеньев — винта и гайки. Одним из первых его применений стал известный римлянам винтовой пресс, служивший для получения оливкового масла, а иногда и вина. Изготовление двух основных деталей винтового механизма сперва было очень сложным делом, и только изобретение токарного станка дало возможность изготовлять винты и гайки правильной формы. Вероятно, поэтому на протяжении многих столетий этот механизм не пользовался популярностью, пока не было найдено новое применение винта в устройствах для подъема тяжестей и в домкратах. Пристроительстве зданий и судов такие грузоподъемные устройства использовались в тех случаях, когда не помогали обычные краны.

По-видимому, Архимед же заменил в зубчатой передаче одно из колес винтом и тем самым создал так называемую червячную передачу. По-иному использовался винт в водоподъемных машинах, где длительное время не претерпевал никаких изменений. Только в XVI в. французский механик Жак Бессон построил горизонтальное водяное колесо для привода мельницы, снабдив его винтообразно изогнутыми лопастями. Прошло еще почти триста лет, и винт был применен для приведения в движение парохода. Затем начиная со второй трети прошлого века винт используется для профилирования лопаток турбин. Так старое изобретение нашло себе новое применение.

Гидравлические и пневматические механизмы. Через винт мы подходим к еще одной группе механизмов — к гидравлическим и пневматическим передачам. Представим себе центробежный насос, который в процессе своего вращения нагнетает жидкость по трубе в гидравлический двигатель, откуда по другой трубе жидкость возвращается в насос. Тем самым поддерживается непрерывный процесс, в котором жидкость служит звеном, передающим движение с тем же числом оборотов, что и у ведущего звена — ротора центробежного насоса. Если же на трубе, ведущей от насоса к двигателю, поставить тройниковый кран, с помощью которого лишь часть жидкости пойдет в двигатель, а другая ее часть от крана через соединительный патрубок направится в трубу отработанной жидкости, то краном можно плавно регулировать скорость двигателя, и мы получаем простейший гидравлический редуктор.

Гидравлические механизмы имеют целый ряд преимуществ перед механическим и сейчас широко применяются в технике. Значительное распространение получили и пневматические механизмы, действующие сжатым воздухом. В некоторых случаях, например в угольных шахтах, т. е. там, где применение электроэнергии может быть опасным, роль пневматики оказывается чрезвычайно важной.

Гидравлические и пневматические механизмы известны с античных времен. Более того, силу воды и ветра человек испытывал едва ли не с самых ранних времен своего существования. Вода и ветер были одними из тех сил природы, к которым людям пришлось длительные столетия и тысячелетия приспосабливаться, пока они не овладели ими хотя бы в малой степени.

Выше мы говорили о Ктесибии, с именем которого связывают изобретение гидравлических и пневматических механизмов. Можно предполагать, что некоторые сведения о подобных механизмах имелись и ранее, в частности, у египетских жрецов. Но они в основном обслуживали храмовые театрализованные представления, тогда как Ктесибии применил их к «делу». Во всяком случае ему принадлежит изобретение кинематической пары: цилиндр — поршень, которую он использовал при построении пожарного насоса и которая с тех пор получила поистине мировое распространение, составляя основной механизм паровой машины, двигателя внутреннего сгорания и многих других.

Много гидравлических и пневматических механизмов описаны в древнегреческих сочинениях. Благодаря великим ученым Средней Азии и Ближнего Востока их описание (зачастую в арабском переводе) попало в Европу и стимулировало интерес к той группе механизмов. Ведь, в сущности, и водяное колесо, и колесо ветряной мельницы можно считать гидравлическими и пневматическими механизмами, если смотреть на них лишь с кинетической точки зрения.