Устройство и работа шкивов. Как работают шестерни

Шкивы, блоки и зубчатые передачи не что иное, как колеса, предназначенные для передачи движения. Это одни из древнейших механизмов, изобретенных человеком. Зубчатые передачи на деревянных шпильках приводили в движение мельничные жернова в средние века, работали на ветряных мельницах и в шахтах. Как полагают, блоки были известны уже в 9 в. до н. э. Еще Архимед показал преимущества сложного блока, полиспаста, перед простым.

Блок [Б]-это колесо или ролик, вращающийся внутри обоймы, которую можно подвесить на крюк. Желобок на внешней окружности ролика предназначен для троса, ремня или цепи. Одиночный неподвижный блок такого рода не дает выигрыша в силе при подъеме груза, хотя человек, тянущий груз, имеет возможность добавить вес собственного тела к тянущему усилию, развиваемому руками. Система же из двух или более блоков дает значительный выигрыш в силе. Известно, что Архимед использовал сложную систему блоков [А] для буксирования галеры одним человеком.

Устройство и работа шкивов. Блок и шкив-это колесо с тросом, цепью или ремнем. Шестерня-это колесо, на ободе которого нарезаны зубья. Как шкивы, так и зубчатые передачи могут передавать вращательное движение между двумя или более валами. Если валы расположены близко друг к другу, как, например, в часах или в автомобильном двигателе, то обычно используются зубчатые передачи. Блоки чаще используются в тех случаях, когда валы далеки друг от друга. Шестерни могут изменять направление вращения даже под прямым углом. Если диаметры шкивов или зубчатых колес различны, то скорости вращения их изменяются. Шкивы с ременной передачей используются на фабриках и в сельскохозяйственных машинах. Бесконечный ремень передает движение шкива на валу мотора другому шкиву на валу ведомого механизма, например токарного станка. Ставя на мотор или ведущий вал шкив, отличающийся по диаметру от шкива на ведомом валу, можно менять скорость вращения ведомого вала. Несколько шкивов различных диаметров часто устанавливают одновременно на ведущий вал; так образуется ступенчатый шкив, позволяющий на ведомом валу иметь набор скоростей. Широкий и гладкий обод шкива предназначается под широкий плоский ремень, а желобчатый- под узкий V-образный или круглый ремень. Желобок предотвращает соскальзывание ремней с блока.

Тали и полиспасты-другие широко распространенные системы блоков-используются для перемещения с выигрышем в силе. Усилие человека, поднимающего груз, умножается серией из нескольких блоков, так что появляется возможность вручную поднять более тяжелые грузы. Тали широко используются в промышленности [4].

Тали иногда используются в автомобильной промышленности для подъема массивных узлов. Они обычно подвешены к монорельсу или к балке, что позволяет перемещать тяжелые грузы с одного места на другое.

Как работают шестерни. Зубья большинства шестерен имеют слегка искривленные поверхности. Поверхности двух работающих в паре шестерен приходят в зацепление, складывающееся из качения и скольжения лицевых сторон зубьев друг по другу. Трение и заедание криволинейных поверхностей значительно меньше, чем плоских, но все же шестерни должны изготовляться так, чтобы их зубья входили относительно свободно между зубьями парной шестерни. Этот зазор носит название мертвого хода, или люфта.

Пары шестерен служат для изменения скорости, а часто и направления вращательного движения [5]. Шестерня диаметром чуть больше вала называется зубчатым валиком. При передаче усилия с большой шестерни на зубчатый валик скорость вращения растет прямо пропорционально отношению чисел зубьев в шестернях. Это отношение называется передаточным числом. Если шестерня со 100 зубьями приводит в движение зубчатый валик с 20 зубьями, скорость вращения увеличивается в пять раз. Если тот же валик с 20 зубьями передает усилие на шестерню с 40 зубьями, скорость вращения уменьшается вдвое.

В зубчатых передачах выигрыш в силе связан с количеством зубьев. Зубья цилиндрических прямозубых шестерен (А) нарезаются параллельно оси вращения, зубья геликоидальных шестерен [Б] изогнуты по винтовой линии.

Часто их разрезают пополам и складывают шевроном, чтобы избежать сдвиговых напряжений, увеличивающих износ.

Зубья конических шестерен [Г] длиннее зубьев цилиндрических прямозубых шестерен, что позволяет передавать большие усилия. Этот выигрыш особенно значителен у конических шестерен со спиральными зубьями (В). В червячной передаче [Д] червяк сопряжен однозаходной спиралью резьбы со спиралезубой шестерней. Ось шестерни перпендикулярна оси червяка

Передача усилия с меньшей ведущей шестерни на большую ведомую шестерню помимо уменьшения скорости вращения приводит также к выигрышу в силе.

Такой выигрыш получался на старинных валках для белья: небольшого усилия, приложенного к ручке, оказывалось достаточно для преодоления валками существенного сопротивления выжимаемого белья.

Если валы, которые предстоит приводить в движение с помощью шестерен, не являются непосредственными соседями, для соединения ведущей и ведомой шестерен между ними можно поместить одну или более промежуточных шестерен. Число зубьев промежуточных шестерен обычно равно числу зубьев либо ведущей, либо ведомой шестерни, так что они не влияют на скорость вращения.

Изменение направления движения. Зубчатая рейка и зубчатый валик могут преобразовывать вращательное движение в поступательное. Зубчатый валик- обычная круглая шестерня, а зубчатая рейка, с которой он входит в зацепление,- «распрямленная» шестерня. Этот тип зубчатой передачи встречается в фокусирующем механизме микроскопа или старого фотоаппарата, где наводка на фокус производится вращением зубчатого валика, который через рейку перемещает объектив. В автомобилях кремальерное рулевое управление преобразует вращательное движение руля в поступательное движение тяги поворота колеса.

Зубья располагаются обычно параллельно оси шестерни либо спирально, как в геликоидальных и червячных передачах [5]. Последняя используется для приведения в движение вала, расположенного под прямым углом к оси ведущей шестерни. Конические шестерни [5, 7] также передают движение под некоторым углом; они имеют параллельные или спиральные зубья.

Дифференциал автомобиля передает вращательное движение двигателя с поворотом на 90° полуосям [6] колес. Зубчатый валик [2], связанный с валом [1], передает усилие на коронное колесо [3], вращающее зубчатое колесо [4] конической шестеренной передачи [5]. Дифференциальные передачи позволяют колесам автомобиля вращаться с разной скоростью при повороте; внешнее колесо должно вращаться быстрее, чем внутреннее

Зубчатая передача с центральной шестерней, работающей в зацеплении с несколькими планетарными шестернями - сателлитами, применяется во втулках велосипедных колес [8]. Это уже коробка передач, насчитывающая несколько находящихся в зацеплении шестерен. Комбинируя пары шестерен в зацеплении, можно изменять передаточное число. Другой пример-коробка передач автомобиля. Первые модели имели такие же системы передач, как и велосипеды [9]. Сейчас они намного сложнее и часто имеют автоматическую систему управления.

Коробка передач в ступице велосипедного колеса состоит из центральной шестерни [4], окруженной сателлитными шестернями [3]. Все вместе представляет собой типичную планетарную передачу. Усилие велосипедиста передается на ступицу через цепь и звездочку [2], связанную со ступицей муфтой, которая управляется гибким тросом [1]. Включена средняя (передний ход) шестерня. Ниже показаны звенья цепи.

Коробка передач позволяет автомобилю двигаться с различными скоростями при относительно постоянных оборотах двигателя. Для этого меняют передаточные числа шестерен, связанных с ведомым валом. Наибольший крутящий момент получается при введении меньшей шестерни. Это позволяет автомобилю преодолевать подъемы. Все шестерни, кроме шестерен заднего хода, находятся в постоянном зацеплении. Шестерня, находящаяся под нагрузкой, подключается к ведомому валу.