В простейшем виде такая передача трением, или, как ее иногда называют, фрикционная (от латинского — «фрикцио» — трение) передача, встречается сравнительно редко, главным образом там, где передаваемые усилия не очень велики и где, подчеркнем, не требуется вполне точного соотношения между числами оборотов зацепленных осей.
Так сцеплен с ободом велосипедного колеса вал маленькой динамомашины, питающей фонарь. Так же соединяются ведущее колесо швейной машины и колесо приспособления, с помощью которого наматывается нитка на шпульку.
Иногда передачей трением пользуются в небольших сверлильных станках. На рис. 21 изображен пресс с фрикционной передачей.
Рис. 21. Пресс с фрикционной передачей.
Ведомая и ведущая оси расположены под прямым углом друг к другу и заканчиваются дисками. Ведущая ось имеет два диска, расположенные по обеим сторонам ведомого диска, чтобы иметь возможность изменять направление вращения горизонтального диска, не меняя направления вращения ведущей оси. Если левый ведущий диск прижат к ведомому горизонтальному диску, то последний приходит во вращение в одну сторону; если же правый ведущий диск прижат к нему, то горизонтальный диск вращается в противоположную сторону.
Соединение двух колес ремнем во многих случаях удобнее непосредственного их соприкосновения. Во-первых, при этом можно благодаря упругости ремня не выдерживать с большой точностью расстояния между осями. Во-вторых, на каждую из осей можно насадить ряд колес различного диаметра и накидывать ремень на различные пары. Если диаметр колеса на одной оси большой, а на второй малый, то вторая ось будет делать больше оборотов, чем первая, и наоборот. Таким образом легко менять соотношение чисел оборотов осей.
В этом случае колеса, насаженные на оси, называются «ступенчатыми шкивами», а сцепленная пара осей — трансмиссией (от латинского слова «трансмиттере» — передавать, пересылать) (рис. 22).
Рис. 22. Схема трансмиссии.
Диаметры шкивов подбираются таким образом, чтобы один и тот же ремень можно было с одинаковым натяжением накидывать на любую пару шкивов.
Обратите внимание на очертание каждого из шкивов: посредине они немного толще. Для чего это сделано? Такое утолщение необходимо для того, чтобы ремень не соскакивал на ходу. Если такого утолщения не имеется, то трансмиссия будет работать только при совершенно точно сшитом плоском ремне и строго параллельных осях; если же ремень не точно пригнан (а так всегда бывает на практике), то одним краем он будет немного плотнее прижат к шкиву, чем другим, и станет косо. Прижатая сторона у него будет сильнее натянута, кромка ремня уже не сможет двигаться параллельно окружности шкива, и ремень будет сбегать к середине шкива и вскоре соскочит.
На первый взгляд может показаться, что утолщение на шкиве никак не задержит такого перекоса и сбегания ремня. Однако тщательное рассмотрение вопроса показывает, что утолщение это способствует нормальной работе трансмиссии. Если ремень начнет соскальзывать с середины шкива, то одна сторона его (находящаяся ближе к середине) будет натягиваться сильнее, чем другая; благодаря этому обстоятельству ремень, слегка соскользнувший с середины шкива, перекашивается и начинает снова наползать на нее. Иными словами, наличие утолщения на шкиве способствует возвращению ремня в исходное положение.
Рассмотрим теперь другой вид сцепления колес, осуществляемый с помощью зубцов. Зубчатые колеса возникли, по-видимому, более двух тысячелетий тому назад. Но широкое применение получили они лишь в течение последних шести-семи веков.
Характерная особенность зубчатого зацепления заключается в том, что числа зубцов большого и малого колес должны выражаться целыми числами.
Для того, чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, зубцам необходимо придать особое очертание, при котором движение колес совершилось бы так, как будто они перекатываются одно по другому без скольжения, тогда зубцы одного колеса будут входить во впадины другого (рис. 23).
Рис. 23. Схема зубчатого зацепления.
При этом они должны располагаться свободно, но, по возможности, с малыми зазорами, иначе либо колеса нельзя будет повернуть, либо же они будут иметь «мертвый ход» и при перемене направления вращения или при изменении нагрузки станут отходить одно от другого, в результате чего колеса будут ударяться и, вследствие этого, быстро изнашиваться.
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.