Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)

• Название: Творения рук человеческих (Естественная история машин)
• Автор: Алексей Боголюбов
• Издательство: Знание
• Жанр: Техническая литература
• Год: 1988
• ISBN: 5-07-000028-4

История создания машин началась очень давно, и за две с половиной тысячи лет своего существования они прошли путь от элементарной водяной мельницы до машины автономного действия — робота, наделенного некоторыми способностями, присущими только человеку. Пользуясь биологической терминологией, можно сказать, что машины в процессе своего исторического развития непрерывно эволюционировали, и так как они созданы человеком и в определенном смысле моделируют движения его органов, то поиск общего между машинами и биологическими объектами оказывается совершенно правомерным, особенно при популярном изложении теории машин и механизмов.

---

Таким образом, несмотря на то что вопрос о профилировании зубчатых колес был уже давно решен в трудах механиков, практики все еще не вполне представляли себе его сущность. Объясняется это тем, что значительная часть продукции машиностроительных заводов все еще была занята индивидуальным производством машин по заказам и колеса не были стандартизированы: заводы и не были заинтересованы в этом, они не хотели терять заказов на производство запасных частей для поставленных ими ранее машин. Однако вскоре уже возрос спрос на серийную и массовую продукцию. Понятие зубчатого зацепления первоначально применялось лишь для обозначения числа зубьев колес.

В последней четверти прошлого века производство колес полностью переходит на научную основу: колеса стандартизируются, и возникает возможность заменять изношенные колеса соответствующими запасными колесами. Постоянно развивается и совершенствуется ассортимент колес, и для того чтобы удовлетворить всевозрастающим требованиям машиностроения, изобретаются новые типы колес, имеющие более совершенные механические характеристики.

Как мы уже говорили, подавляющее большинство колес профилируются по эвольвенте, и в сущности, в этом отношении единственным путем улучшения их качества было совершенствование их механической обработки и износоустойчивости. Лишь в середине XX в. советский ученый М. Л. Новиков изобрел новый тип зацепления, получив на него авторское свидетельство. Тем самым был предложен принципиально новый класс пространственных зацеплений с точечным контактом для передачи с различным взаимным положением осей обоих зацепляющихся колес.

Но подобно тому как кости человеческого скелета служат человеку не по одиночке, но в сочетаниях, сочленяясь попарно, точно так же и зубчатые колеса (равно как и все прочие звенья механизмов) не имеют самостоятельного бытия и лишь в паре образуют механизм. Поэтому и вся история зубчатых зацеплений, начавшаяся в середине первого тысячелетия до нашей эры,—это история зубчатых механизмов. Начиная от элементарных сочленений двух колес, как это было в древнейших водяных мельницах и лебедках, сочленения колес умножаются: уже в первом веке нашей эры известно несколько типов развитых редукторов. Сейчас описано около семисот зубчатых механизмов. При этом все чаще появляются новые типы механизмов, в которых комбинируются не только зубчатые сочленения, но и зубчатые с рычажными, с винтовыми и другими типами механизмов.

Кулачковые механизмы. Как уже говорилось, кулачковые механизмы сходны с зубчатыми, т. е. их можно рассматривать как зубчатые колеса с одним зубом в сочетании с обычным зубчатым колесом. Такие механизмы и существуют в действительности, их применяли в некоторых типах вычислительных машин. Все же основная схема кулачкового механизма—это вращающееся звено, кулачок и второе звено, приводимое в движение кулачком, которое или движется поступательно по прямой линии между двумя крайними точками, или закреплено в одной точке и качается около нее, описывая дугу.

Особенное развитие получили кулачковые механизмы, когда появились технологические мельницы. Если в случае обычных мукомольных мельниц вращательное движение водяного колеса при помощи несложной передачи преобразовывалось во вращательное движение жернова, то теперь задача усложняется, поскольку вращательное движение надо преобразовать в поступательное. Это достигается следующим образом: к вращаемуся деревянному валу крепится деревянный же кулак, который на протяжении части своего оборота входит в зацепление с другим кулаком, прикрепленным к вертикально движущемуся штоку. Когда оба кулака входят в зацепление, шток поднимается на определенную высоту, а затем при разрыве зацепления падает, а прикрепленный к нему боек производит технологическую операцию. Так работает мельница-толчея для производства пороха, бумаги, крупы. Несколько по-другому работает кузнечный молот, «рукоятка» которого посажена на ось, закрепленную в подшипниках, и опускается кулаком. При этом боек, посаженный на противоположный конец рукоятки, поднимается на определенную высоту и падает, когда кулак выходит из зацепления с рукояткой.

Существовало еще несколько схем кулачковых механизмов, соответствующих технологическим операциям, для производства которых были устроены разного типа мельницы. В некоторых случаях от одного водяного или ветряного двигателя колеса приводилось в движение несколько технологических установок. В этом случае вводились промежуточные механизмы распределения.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания и необходимость обеспечить точную последовательность тактов работы двигателя вызвали необходимость решить задачу газораспределения с помощью кулачкового механизма. Кулачковый механизм прошлого века уже лишь отдаленно напоминает своего многовекового предшественника: большие скорости двигателя требуют точности от всех составляющих его звеньев, в особенности от формы рабочей поверхности кулачка, его профиля. В дальнейшем такой механизм становится одним из ведущих при создании машин автоматического действия: отдельные операции выполняются при помощи кулачковых механизмов, действующих в соответствии с так называемой циклограммой, т. е. законом движения ведомого звена.

Несмотря на различия в применении кулачковых механизмов, их схема, в сущности, остается все той же, которая была выработана на протяжении веков: ведущее звено — кулачок, вращающийся около своей оси, приводит в движение ведомое звено, или движущееся по прямой линии, или качающееся около некоторой оси. Теоретически можно при помощи кулачкового механизма осуществить самые различные законы движения, однако на практике не все они оказываются одинаково приемлемыми: пользуются лишь теми из них, которые обеспечивают более простую технологию обработки профиля кулачка и удовлетворяют всем требованиям к построению механизма.

Как правило, движение ведомого звена механизма (толкателя или коромысла) соответствует четырем фазам: его подъему, так называемому выстою в верхнем положении, спуску, выстою в нижнем положении (оба выстоя или один из них могут и отсутствовать). Профиль кулачка выполняется в соответствии с этими фазами. При выстоях ведущее звено в течение некоторого угла поворота кулачка остается неподвижным. Следовательно, соответствующий участок профиля описывается дугой окружности. Профили же подъема и спуска выполняются по некоторым кривым, которые должны плавно переходить в участки выстоев. В противном случае ведомое звено, а следовательно, и выполняемая им технологическая операция будут испытывать удары, что, вообще говоря, недопустимо.

Иногда технологическая операция предполагает выстой некоторой длительности в одном положении, а затем передвижение с большой скоростью в следующее положение. Для этого был изобретен простейший механизм, так называемый мальтийский крест, который состоит из крестообразной основы с равномерно расположенными радикальными пазами, кривошипа с пальцем и неподвижного звена, обязательного для каждого механизма. При вращении кривошипа палец входит в паз креста и поворачивает его на угол, обусловленный заданной схемой. После выхода пальца из паза крест останавливается до тех пор, пока палец не начнет входить в следующий паз, тогда движение возобновляется. Тем самым обеспечивается прерывистый характер движения ведомого звена.

В качестве примера можно привести обработку деталей на многошпиндельных автоматах одновременно в нескольких позициях, число которых равно числу шпинделей. Все это дает возможность обрабатывать сложные детали путем совмещения переходов операций, при этом обеспечивается высокая производительность обработки. Естественно, что все это можно было сделать и с помощью кулачкового механизма, однако механизм мальтийского креста оказывается более простым, более надежным и долговечным в работе. Поэтому в некоторых случаях такой механизм просто незаменим.

Существует много вариантов мальтийского креста: он выполняется с внутренним и внешним зацеплением, с различным числом и расположением пазов, что, естественно, зависит от выполняемой механизмом операции (наименьшее число пазов равно трем). На практике применяют кресты с числом пазов, равным 4, 6, 8; наибольшим числом пазов считается 15. Как выяснено, кресты внутреннего зацепления имеют некоторые преимущества по сравнению с крестами внешнего зацепления.   *

Совершенствование мальтийского креста было определено развитием кинотехники и некоторых классов машин-орудий. В процессе применения этого механизма он видоизменяется, приспосабливается к новым технологическим условиям и приобретает новую форму.

Мы рассмотрели, таким образом, наиболее значительную группу механизмов, преобразующих вращательное движение во вращательное непрерывное, во вращательное с остановками, в возвратно-поступательное. Их далеким «предком» было, очевидно, очищенное от веток дерево, при помощи которого облегчался перенос грузов. Таким образом, форма вращающегося тела была заимствована у природы и затем подвергнута дополнительным изменениям для выполнения определенной работы. Так возникает новое пополнение движений, возможных для человека, новый орган, который, развиваясь, порождает механизмы, описанные выше.