Откройте крышку пружинных часов: сколько там различных колесиков, рычагов и других деталей, образующих сложную систему! Все детали совершают определенные, взаимосвязанные движения, в результате которых энергия, накопленная пружиной, преобразуется в движение стрелок. Такая система деталей называется часовым механизмом.
Существует множество разновидностей механизмов, но все они имеют одно назначение — преобразовывать движение одних твердых тел в движение других твердых тел. Если в этом преобразовании участвует жидкость, механизм называется гидравлическим, если воздух — пневматическим.
Простейший механизм — передаточный — передает движение электрического двигателя водяному насосу. Рабочее колесо насоса должно вращаться с той же частотой и в том же направлении, что и вал двигателя. В этом случае достаточно поставить насос рядом с двигателем и соединить их валы между собой. Это делают при помощи муфт.
Если в процессе работы необходимо разъединить машины на ходу, применяются более сложные соединения — гидравлические, фрикционные или магнитные муфты. В первом случае передача вращения происходит за счет сил жидкостного сцепления, во втором — за счет силы трения, а в третьем — за счет силы магнитного притяжения, возникающего при протекании электрического тока по обмоткам муфты. Иногда соединяемые части машин находятся на некотором расстоянии друг от друга и оси валов не совпадают. В этом случае используют вал с карданными шарнирами (карданный вал) или гибкий вал — трос.
Следующая группа устройств для передачи вращательного движения — ременные и цепные передачи. В отличие от предыдущих они позволяют получать различные частоты вращения. Частоты вращения ведущего и ведомого валов в таких передачах связаны простой зависимостью:
частота вращения ведомого вала
частота вращения ведущего вала
диаметр ведущего шкива
диаметр ведомого шкива
Иными словами, если нужно, чтобы ведомый вал вращался медленнее ведущего, следует поставить на нем шкив большего диаметра, чем на ведущем, и наоборот. Отношение диаметра ведущего шкива к диаметру ведомого называется передаточным отношением. (Для цепной передачи диаметры шкивов в формуле надо заменить числом зубьев ведущей и ведомой звездочек.) В некоторых машинах цепные передачи служат еще и частью рабочего органа. Например, ковши землечерпательного снаряда и зубья врубовой машины крепятся непосредственно на цепи и перемещаются вместе с нею.
Хотя ременные передачи наиболее просты, в машиностроении более широко распространены зубчатые передачи. Еле различимые глазом зубчатые колесики отсчитывают время в наручных часах, а гигантские зубчатые колеса диаметром в несколько метров поднимают огромные щиты в шлюзах, поворачивают стрелы экскаваторов и подъемных кранов.
У обычных зубчатых передач есть одна особенность — зубчатое колесо не может иметь меньше 6 зубьев, иначе не будет соблюдено условие плавного и надежного зацепления. Отсюда и произошло слово «шестерни», которым часто в обиходе называют зубчатые колеса. Минимальное число зубьев — 6, а максимальное — сколько угодно. Ведь длинная зубчатая рейка — это тоже своего рода зубчатое колесо с бесконечно большим диаметром.
В тех случаях, когда для изменения частоты вращения оказывается недостаточным передаточное отношение одной пары колес, применяют несколько пар зубчатых колес. Такой механизм, заключенный в отдельный корпус, называют редуктором.
С изменяемым передаточным отношением называют коробками скоростей или коробками передач. Они передают движение, например, от двигателя автомобиля к его колесам, изменяя при этом частоту их вращения.
Как бы хорошо ни были изготовлены зубья цилиндрических зубчатых колес, при их зацеплении неизбежно происходят удары, отчего они быстро изнашиваются. Поэтому в передачах, испытывающих большие нагрузки, применяют косозубые и шевронные зубчатые колеса. Зацепление зубьев у таких колес происходит плавно, без ударов. Конические зубчатые передачи передают вращение между валами, расположенными под углом 90°.
Еще один вид передач вращательного движения — червячная передача.
Червячные редукторы могут иметь весьма большие передаточные отношения. Червячная передача передает вращение между скрещивающимися валами.
Рабочие органы и вспомогательные устройства многих машин совершают возвратно-поступательное движение, а вал двигателя — вращательное. Поэтому существуют передачи, преобразующие вращательное движение в возвратно-поступательное движение, и наоборот.
Таковы основные виды механических передач, применяемые в современных машинах. Но не всегда механические передачи отвечают требованиям современной техники.
Так, коробка скоростей, состоящая из зубчатых передач, позволяет изменять частоту вращения только ступенями. А вот гидравлическая коробка скоростей обеспечивает плавное изменение частоты вращения в широких пределах. Она состоит из насоса и турбины. Насос закреплен на ведущем валу, а турбина — на ведомом. При работе насос подает масло на лопатки турбины и заставляет ее вращаться. Если все масло из насоса идет на турбину, она вращается с максимальной частотой. Но вот мы приоткрыли кран. Часть масла пошла в обход турбины, и частота ее вращения уменьшилась. Чем больше открыт кран, тем медленнее вращается турбина. А если все масло будет проходить мимо турбины, она совсем остановится. Следовательно, регулируя подачу масла, можно плавно изменять частоту вращения турбины. Такие гидравлические передачи применяются на металлорежущих станках, в автомобилях.