Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)

Мы рассмотрели, таким образом, наиболее значительную группу механизмов, преобразующих вращательное движение во вращательное непрерывное, во вращательное с остановками, в возвратно-поступательное. Их далеким «предком» было, очевидно, очищенное от веток дерево, при помощи которого облегчался перенос грузов. Таким образом, форма вращающегося тела была заимствована у природы и затем подвергнута дополнительным изменениям для выполнения определенной работы. Так возникает новое пополнение движений, возможных для человека, новый орган, который, развиваясь, порождает механизмы, описанные выше.

Гибкие передачи. Во второй половине первого тысячелетия до нашей эры появляется еще один механизм, прообразом которого является простой блок, известный еще ассирийцам. Блок порождает полиспаст. А отсюда уже недалеко до гибкого привода, когда вращение передается между осями, расположенными на некотором расстоянии друг от друга. Гибкий элемент в простейшем случае является бесконечной нитью, направления нитей могут пересекаться, и в этом случае диски, которым передается движение, вращаются в противоположном направлении. В более сложных случаях можно получить с помощью гибкой передачи и различные виды возвратно-поступательного движения.

Средневековая техника пользуется различными типами бесконечной передачи, а когда интерес к машинам возрос в значительной степени, она уже применялась довольно часто, причем не только отдельно, но и в сочетании с другими типами передач, например с зубчаткой. Так, Джероламо Кардано применил перекрещивающуюся гибкую передачу в сочетании с зубчатым механизмом, причем учел и то обстоятельство, что в перекрещивающейся передаче угол обхвата шкива канатом больше, чем в обычной, а следовательно, больше и трение, а это позволяло избежать или, точнее, уменьшить проскальзывание.

Мы уже упоминали труды жившего в Саксонии профессора греческого языка Георга Бауэра. Фамилия его, очевидно, намекала на его крестьянское происхождение («бауэр», по-немецки,—«крестьянин»), и поэтому он пользовался ее латинским переводом (Агрикола), что, впрочем, означало то же самое. По-видимому, греческий язык был ему не по душе, он оставил преподавание и начал изучать медицину, а затем минералогию и горное дело. Он написал несколько книг, из которых важное значение получило его сочинение «Горняк или о металлических делах», в котором он досконально изложил технологию горного дела и описал грузоподъемные машины, которые тогда применялись. Среди других он описывает и гибкие передачи. Так, в горном деле зачастую надо передать движение с верхнего горизонта на нижний, для этого пользовались цепной передачей, которая в условии рудника надежнее и долговечнее канатной. Использовались также разомкнутые гибкие передачи, цепные и канатные, применявшиеся в подъемных кранах.

С течением времени применение гибких передач расширялось: ими стали пользоваться для привода токарных станков, в текстильных станках, в некоторых технологических установках. Особенно много различных гибких приводов, причем самого различного назначения, показано в книге Агостино Рамелли «Различные и искусные машины», которая многократно переиздавалась и много послужила инженерам прошлых веков. Как уже говорилось, сам Рамелли был военным инженером. Можно предполагать, что он был учеником Леонардо да Винчи. Во всяком случае он стал его преемником в качестве военного инженера французского короля. У всех машин, описанных в упомянутой книге, есть одна общая черта: они чрезвычайно сложны, что не всегда обусловлено необходимостью. Но это не мешает им быть правильно построенными, и конечно, инженеры того времени зачастую воспроизводили не форму, а принципы построения машины, придавая ей форму по своему усмотрению. Кроме того, приходилось учитывать возможности построения машин, которые в те годы были невелики, и потому вместо одной машины большой мощности нередко устанавливали несколько машин малой мощности. Тем большее значение имели механизмы привода, передачи движения, в частности, цепная передача в различных, порой самых неожиданных формах. Так, при передаче качания одного балансира на другой, ведомый, балансир преобразовывается в ролик, и вокруг него и второго ролика, связанного с приводимым рычагом, прокладывается бесконечная цепь. Встречается в книге разомкнутая канатная передача для передачи вращения с одного барабана на другой.

Водяная мельница

 Ветряная мельница

Счетчик оборотов (Герон)

Проект экскаватора (Леонардо да Винчи)

Машина Для насечки напильников (Леонардо да Винчи)

Зубчатая передача (XVII в.)

Модель сустава руки человека

Прядильная машина (Кромптон)

Паровая машина (Уатт)

Землечерпалка-экскаватор (Бетанкур)

Экскаватор

'Тушитель бомб" (Робинсон)

Луноход

Промышленный робот

Гибкая передача конструируется в предположении, что между гибким элементом и блоком или барабаном возникает сила трения, которая не дает возможности

гибкому элементу проскальзывать. Два века назад этой проблемой заинтересовался Леонард Эйлер, который вывел известную формулу, связывающую полезную нагрузку и угол охвата барабана гибким элементом. Эта формула значительно облегчила инженерам построение гибких передам. Не говоря уже о том, что с самого начала прошлого века несущим элементом мостов становятся канаты или цепи, т. е. значение гибких передач в машиностроении быстро растет. Если мы будем рассматривать изображение какого-либо цеха того времени, то сразу же бросится в глаза то, что все свободное пространство цеха перегружено ременными передачами: энергия, получаемая от паровой машины, распределялась между несколькими длинными валами, на которые были насажены шкивы. Через последние перекидывалась ременная передача, приводившая в движение отдельные станки. В качестве примера можно привести знаменитую картину Адольфа фон Менцеля «Железопрокатный завод» (1875). Естественно, что с точки зрения безопасности цехи прошлого века оставляли желать лучшего, что и было достигнуто уже в следующем столетии с помощью индивидуального электропривода.

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.