В-третьих, оба колеса будут вращаться равномерно только при строго определенном расстоянии между осями, если же это расстояние немного увеличится, то при равномерном вращении одной оси вторая ось будет вращаться неравномерно.
Казалось бы, этот недостаток исключает возможность использования такого зацепления в часах, которые являются точнейшим инструментом, однако это не так. В часах и без того все части движутся неравномерно: один раз в секунду (полсекунды или четыре десятых секунды— в зависимости от длины маятника) все колеса приходят в движение и затем останавливаются. Для верного хода часов важно то, чтобы правильно следовали один за другим эти периоды пуска и остановки всего механизма часов, а не то, как движутся его части в моменты пуска их маятниковым приспособлением.
Однако там, где движение колес происходит непрерывно, неравномерность хода влечет за собой колебание нагрузки на механизм, а вследствие этого и дополнительный износ колес. Кроме того, из-за неравномерности работы механизма возникают периодические изменения напряжений в зубцах, что сопровождается сильным шумом. Кто бывал в цехах, где работает несколько сот зубчатых колес (например на оплеточных станках кабельных заводов), тот знает, как силен этот шум.
Если же колеса не изношены, очертания зубьев правильны и они расположены на должном расстоянии, то колеса работают бесшумно. Иногда для уменьшения шума одно из колес изготовляют из пластического материала: фибры, текстолита, кожи, иногда делают вставные деревянные зубья.
Рассмотрим наиболее широко употребительный вид зубчатых колес: колеса с «эвольвентным» профилем зуба.
Прежде всего поясним, что называется эвольвентой. Слово «эвольвента» происходит от латинского слова «эвольвере» — разворачивать и означает — развертка.
Эвольвентой (разверткой) называют кривую, которая получается следующим образом. Возьмем окружность, в одной из ее точек А закрепим конец нерастяжимой нити, уложим нить вдоль окружности и, прикрепив к свободному концу К острие карандаша, начнем «разворачивать» нить, поддерживая ее все время в натянутом состоянии (рис. 28).
Рис. 28. Построение эвольвенты.
В том случае, если острие карандаша будет скользить по бумаге, оно вычертит непрерывную линию. Эта линия и называется эвольвентой круга. Такую же кривую описывает конец натянутой нерастяжимой нити, которая сматывается с неподвижной катушки.
У наиболее употребительных зубчатых колес зубцы очерчены отрезком эвольвенты. Этот профиль зуба обеспечивает наилучшее сцепление.
Если оси зубчатых колес параллельны друг другу, то передача осуществляется цилиндрическими зубчатыми колесами. Если же оси колес пересекают друг друга под углом, то передача производится с помощью конических зубчатых колес (рис. 29).
Рис. 29. Конические зубчатые колеса.
Для зацепления колес необходимо, чтобы все время в зацеплении была хотя бы одна пара зубцов. Однако на практике предпочтительнее, чтобы одновременно в зацеплении было несколько пар смежных зубцов. Дело в том, что при зацеплении одним зубом всегда будут такие мгновения, когда одно колесо касается другого лишь самым концом зубца. В этих случаях, при наличии значительных усилий, легко может быть «срезан» зубец. Для того чтобы избежать этой опасности, необходимо либо изготовлять очень маленькие зубцы, либо делать зубчатые колеса ступенчатыми.
Каждое ступенчатое зубчатое колесо представляет собою как бы стопку одинаковых колес, насаженных на одну ось и несколько смещенных по отношению друг к другу под небольшим углом. Дальнейшим шагом развития являются толстые цилиндрические колеса, на которых прорезаны косые зубцы (рис. 30).
Рис. 30. Цилиндрические зубчатые колеса с косыми зубцами.
Колеса с косыми зубцами можно видеть, например, в приспособлении для наводки на фокус в фотоаппарате «Фотокор», где они обеспечивают плавную передачу.
Однако такое сцепление имеет и свои недостатки: при косых зубцах появляются усилия, направленные вдоль осей, которые, следовательно, сдвигают колеса вдоль оси. Чаще всего это устраняют тем, что ставят на одну ось два колеса с косыми зубцами, направленными взаимно противоположно, тогда нарезка зубцов принимает вид «елки» и называется шевронной.
Колеса с такими зубцами часто применяются в механизмах, передающих значительно меняющиеся по величине усилия, например, в лебедках.
С помощью зубчатого колеса и зубчатой рейки производится также преобразование поступательного движения во вращательное и наоборот (рис. 31).
Рис. 31. Зубчатое колесо и зубчатая рейка.
Примером такого зацепления могут служить часы, изобретенные древнеримским инженером Витрувием (рис. 32).
Рис. 32. Древнеримские водяные часы.
Поплавок в этих часах поднимался благодаря равномерному подъему воды в сосуде ABCD. На поплавке укреплена зубчатая рейка F, которая находилась в зацеплении с зубчатым колесом G, на ось которого насажена стрелка Н. Поступательное движение поплавка преобразовалось во вращательное движение стрелки.
Таковы вкратце пути применения зубчатых колес, используемых в сложнейших современных механизмах.
Мы видели, таким образом, как из обрубков стволов возникли катки, как из примитивных катков родились простейшие колеса, как появились гребные колеса судов и роторы турбин, как колеса различных видов превратились в орудия производства в гончарном круге, в ткацких и прочих станках и машинах, как из отдельных колес стали собираться сложнейшие механизмы, как окружности колес обросли фигурными зубцами, взаимное зацепление которых позволило осуществлять передачу вращательного движения и регулировку числа оборотов, а также преобразование вращательного движения в поступательное и обратно.
Настоящий обзор не может ни в малейшей степени претендовать на полноту. Но он все же в известной мере иллюстрирует ту огромную роль, которую играет колесо в современной технике. Эволюция применения колеса — этого величайшего изобретения человечества — ждет еще своего историка.