Механизмы: Шестерни

Еще до промышленной революции те или иные механизмы работали как на нас, так и против нас. От древних водяных колес и ветряных мельниц, которые мололи зерно и толкли лен, до приводных механизмов, приводящих в движение военные машины, от осадных машин до основных боевых танков, шестерни были неотъемлемой частью почти каждого механического устройства, когда-либо построенного. В следующем выпуске нашей серии статей о механизмах мы кратко рассмотрим механизмы и их применение.

Как это часто бывает, эволюция — лучший изобретатель, и механизм с зубчатой ​​передачей, соединяющий задние ноги молодых насекомых-кувшинок, появился на пару миллиардов лет раньше изобретения человеком шестерен. Использование человеком шестерен восходит, по крайней мере, к третьему веку до нашей эры в Китае, и эта технология быстро и широко распространилась. В течение нескольких сотен лет точно обработанные металлические шестерни позволили построить в Греции сложные зубчатые устройства, такие как антикитерский механизм.

В самом простом виде шестерня — это не что иное, как колесо с зубьями, вырезанными по окружности. Зубья имеют размер и форму, обеспечивающие зацепление с зубьями других механических элементов для передачи крутящего момента. Несколько шестерен, соединенных последовательно, называются зубчатой ​​передачей, и если диаметры шестерен в зубчатой ​​передаче разные, передаваемый крутящий момент будет пропорционален разнице. Так, если ведущая шестерня имеет диаметр 1 см, а ведомая — 10 см в поперечнике, зубчатая передача увеличит крутящий момент в 10 раз, уменьшив при этом скорость вращения в 10 раз.

Чтобы противостоять этому, зубья можно срезать под углом к ​​оси вращения. Такое смещение зубьев по окружности шестерни приводит к образованию винтовой структуры, отсюда и название косозубая шестерня. Косозубые шестерни не только тише, но и могут быть скрещены для передачи мощности под прямым углом. Недостаток заключается в том, что из-за перекоса зубьев косозубые шестерни передают тягу вдоль своих осей. С тягой можно справиться с помощью упорных подшипников, таких как конические роликоподшипники, или с помощью двух косозубых шестерен с противоположными направлениями зубьев на одном валу, чтобы компенсировать осевую тягу. В результате получается красивая шестерня «елочка», которую можно увидеть во многих мощных устройствах, таких как ветряные турбины.

Долгое время производство металлических зубчатых колес было сложным процессом, включавшим несколько этапов механической обработки для изготовления зубьев желаемой геометрии. Зубья можно нарезать с помощью любого количества операций механической обработки, таких как протяжка, фрезерование, формование или шлифование.

Но нарезка зубчатых колес требует много времени и денег, поэтому большинство зубчатых колес в наши дни производятся путем какой-либо операции формования. Пластиковые шестерни, которые мы ненавидим видеть, когда заглядываем внутрь недорогого электроинструмента, легко производятся методом литья под давлением, и, несмотря на их плохую репутацию, из них могут получиться идеально исправные, если не особенно долговечные зубчатые передачи. Но металлические шестерни также можно формовать, а металлические шестерни из порошкового металла сейчас составляют огромную долю рынка.

Зубчатые передачи из порошкового металла производятся путем заполнения формы очень мелким порошком металлического сплава, смешанным со связующими веществами и смазочными материалами. Порошок в форме сжимается гидравлическим поршнем с помощью инструмента, соответствующего форме формы, и огромное давление сплавляет частицы металла вместе в твердое вещество, достаточно прочное, чтобы с ним можно было обращаться. Затем неспеченные детали нагреваются, чтобы навсегда сплавить частицы в конечную металлическую деталь, которая во многих случаях готова к использованию без дальнейшей механической обработки.

Хотя порошковая металлургия недоступна для большинства домашних мастерских, шестерни своими руками вполне под силу любому, у кого есть доступ к некоторым базовым станкам. Нам никогда не будет достаточно наблюдать, как [Крис] обрабатывает шестерни и шестерни часов Clickspring, и хотя эти шестерни узкоспециализированы для мира метрологии, многие из тех же принципов применимы и к шестерням для других приложений. 3D-печать также делает возможным создание нестандартных зубчатых передач, и результаты могут быть на удивление надежными при правильных условиях. И не забывайте о фрезерных станках с ЧПУ, которые изготавливают большие и малые шестерни из самых разных материалов.