С самых давних времен и по нынешние дни человечество использует различные источники механической энергии, что, соответственно, вызывает и потребность в передаче усилия от этих источников — исполнительному механизму, для выполнения полезной работы. 

За прошедшие тысячелетия способы передачи механической энергии значительным образом эволюционировали, где, несмотря на это сама необходимость передачи усилия никуда не пропала и, даже самые последние разработки в области робототехники требуют этого — по крайней мере, пока мы не дошли до той стадии развития, где будет внедрена научная концепция «умной глины» (smart clay) — массива нанороботов, которые могли бы собираться в любую произвольную форму, для выполнения конкретной задачи (привет «жидкому терминатору»), без необходимости использования механических передач для переноса усилия.  

В свете этого, имеет смысл ещё раз рассмотреть, что с собой представляет передача механического усилия и как могла бы быть полезным образом использована! Это будет полезно и в том смысле, что те, кто не имел с этим вопросом дела, получат некоторое понимание о нём. Итак…

До начала нашего рассмотрения сразу следует сделать оговорку, что передача механического усилия (если его рассматривать как должно) — невероятно объёмный вопрос, поэтому, чтобы уместиться в рамки более-менее компактной статьи, мы сконцентрируемся на некоторых общих моментах касающихся наиболее важного компонента механических передач — шестерней.  

Кроме всего прочего, это полезно и с той с точки зрения, чтобы улучшить своё собственное понимание, с целью облегчить их самостоятельное воспроизводство, например, с помощью домашнего 3d принтера.

Всю свою историю человечество пыталось найти способы, чтобы каким-то образом увеличить ограниченную силу человека — это привело к появлению целого ряда приспособлений и устройств, среди которых особняком стоят рычажные, разного рода, например, такие как копьеметалки (атлатль):

Мотыги для обработки земли:

А также, «колодезные журавли» («шадуф» — в древнем египте) — специальные рычаги, для подъёма воды из колодцев:

За давностью прошедших лет имя изобретателя осталось в тени, однако, на каком-то этапе истории, похоже, кому-то пришла в голову идея, что можно было бы загнуть этот рычаг в круг, получив тот же самый эффект, где при этом устройство получилось бы весьма компактным — именно так и появился, видимо, «колодезный ворот»:

Как мы видим, это уже устройство весьма примечательное: тот же самый эффект рычага здесь образуется за счёт разницы длин большой и малой окружностей, где вращая большую и совершая относительно большую работу, — можно создавать относительно большое усилие на оси, за счёт чего и поднимали воду. 

Со временем, эту идею масштабировали, придумав способ забирать усилие с оси, с помощью прообраза шестерни — «цевочного зацепления»: штырях в круге, передающих усилие за счёт отталкивания других таких же штырей, только уже закреплённых в другом круге, и развёрнутых под 90°:

Кстати говоря, создание цевочного зацепления опередило своё время, интуитивно нащупав нужное направление в движении разработок — плавное обкатывание округлостей друг по другу (об этом мы ещё узнаем ниже)! 

Правда, здесь это случилось неосознанно, больше из-за отсутствия других технологий.

В результате, за счёт подобного рода зацепления стали реализовывать передачу усилий для разного рода нужных для людей производств: лесопилок, водяных и ветряных мельниц и не только.  

С ходом технического прогресса цевочное зацепление уступило место первым шестерням, которые были ещё прямозубыми:

То есть, использовались зубья простой треугольной (или прямоугольной) формы (около 2000 лет назад): 

Однако, практически сразу выявилась и проблема: подобная передача сильно шумела при работе и довольно быстро изнашивалась, но поделать с этим люди ничего не могли, так как теории на этот счёт не было, и, даже, зачастую, шестерни изготавливались просто «на глаз». 

Основная проблема была в том, что, когда зубья такой простой формы (например, треугольной) касаются друг друга — происходит резкое изменение длины рычага: ось вращения-кончик зуба-точка касания. 

Проще говоря: зубья сначала ударяют друг по другу в одной точке (концом зуба по плоскости другого зуба), потом резко шлёпают друг по другу всей плоскостью, а затем, также острый конец одного из зубьев скребёт по другому зубу:

В результате наблюдается большой шум, быстрый износ и выброс масла из зоны трения, если оно используется (т.е. масляное голодание). Кроме всего прочего — повышенная сила трения уменьшает и КПД устройства, требуя больше усилий для его приведения в действие.

Как уже было выше сказано, в течение долгого периода времени решения этой проблемы не было и оно пришло только в XVIII веке (1765 год), когда математик и механик Леонард Эйлер предложил теорию так называемого «эвольвентного зацепления»:  

Суть этой теории заключается в том, что с её использованием, был математически вычислен оптимальный профиль зубьев, имеющих теперь округлую форму и, которые могли бы в течение всего цикла движения друг по другу, плавно перекатываться, без шлепков и ударов:

Как мы видим по картинке выше, в течение всего цикла касания одним зубом другого, происходит мягкое касание — перекатывание — мягкий отрыв, что исключает удары. 

Кроме всего прочего, это исключает и проблему масляного голодания (если шестерни будут работать в масляной ванне): как видно по картинке выше, сам процесс перекатывания создаёт своего рода микронасос или клин, естественным образом вталкивающей масло в зону касания.

Таким образом, каждый зуб теперь представляет собой своего рода микронасос! Весьма недурно!

Однако, несмотря на все ухищрения, всё равно наблюдается некоторая шумность, которая принципиально неустранима, если не менять тип шестерни: это касание всей шириной шестерни в одной точке — то есть образуется поперечная линия, которая всё равно, с некоторым стуком касается другого зуба. 

Следующего улучшения шестерней пришлось ждать достаточно долго — когда появился новый тип шестерней, получивший название косозубых (первые патенты на косозубые шестерни появились только примерно в середине XIX века, а промышленное внедрение началось только примерно на стыке между XIX и XX веками):

Шестерни подобного типа выгодно отличаются от прямозубых тем, что, помимо наличия эвольвентного профиля, они обеспечивают касание не всей плоскостью одновременно, а, вместо этого, происходит перекатывание пятна контакта поперёк зуба: то есть, зуб сначала касается малой точкой, а потом, небольшая диагональная линия контакта перекатывается по всей ширине зуба. 

Кроме того, в отличие от прямозубых шестерней, здесь в зацеплении находится одновременно относительно большое количество зубьев (2,3,4), что заметно превышает таковое у прямозубых шестерней (1,2).

Таким образом несмотря на то, что единичное пятно контакта (правильнее даже будет сказать «единичные пятна контактов», так как взаимодействуют несколько зубьев одновременно) несколько меньше, общий шум и износ получаются меньше, чем у прямозубых шестерней, а сама шестерня может передавать большее усилие, за счёт большего суммарного пятна контакта.

Однако, у этой шестерни тоже есть проблема: как можно видеть по картинкам выше, в отличие от прямозубых шестерней — при работе косозубых шестерней возникает сила, отталкивающая их влево/вправо: попросту говоря, под нагрузкой, шестерни стремятся съехать друг по другу, как по горке! Чтобы нивелировать последствия этой силы, приходится устанавливать специальные упорные подшипники, что усложняет конструкцию… 

Чтобы устранить уже эту проблему, было разработана модификация косозубых шестерней, получившая название «шевронных» (первое массовое внедрение в начале XX века):

Как можно видеть, шестерни подобного типа содержит зубья в виде буквы V, также выполненные в виде эвольвентного профиля.  

При их работе, также, как и при работе косозубой шестерни, происходит скольжение пятна контакта (только их тут 2). От вершины треугольника — к его основанию или наоборот (в зависимости от направления вращения шестерни). 

Шестерни подобного типа считаются по тишине работы примерно аналогичными косозубым, однако, в отличие от них, они могут передавать гораздо больший момент — причиной этого является устранение силы, которая в косозубых шестернях стремилась столкнуть их как по горке, друг по другу. 

Здесь же, та же сила стремится их «самоустановить» — то есть, отцентровать относительно друг друга. Поэтому, передачу подобного рода делают таким образом, чтобы одна шестерня была закреплена жёстко, а другая несколько с люфтом, — чтобы она могла автоматически выровняться по центру первой. 

Шевронные шестерни считаются одними из самых мощных и способных передавать колоссальный момент, поэтому они используются в самых тяжёлых применениях — металлургические прокатные страны, портовые краны и т.д. 

Существенно позже, уже в 1954 году, советским учёным Михаилом Леонтьевичем Новиковым была разработана улучшенная версия шевронной передачи — подобная шевронной, только с округлыми зубьями (довольно подробно вопрос её создания рассмотрен здесь):

Считается, что она обеспечивает гораздо более тихую работу, а также передачу большей нагрузки примерно в 1,7 раза, по сравнению с эвольвентной (профиль зуба в такой шестерне выполнен округлым, а не эвольвентным).

Только проблемой такой передачи являются высокие требования к качеству изготовления и монтажа, что, в противном случае, приведёт к поломке шестерней.

В наше время, наверное, не имеет смысла рассматривать подробно методику расчёта и вычерчивания профиля зуба для шестерней — такое будет, полагаю, интересно только студентам, желающим поскорее сдать определённый предмет. :-)  

С точки зрения практического смысла, на мой взгляд, имеет смысл остановиться только на некоторых ключевых моментах, которые помогли бы создавать шестерни в реальной жизни, например, с использованием домашнего 3d принтера — так как, пожалуй, любой владелец подобного знает, что рано или поздно вопрос создания шестерней встанет в полный рост…

Как показывает анализ современных средств инженерного проектирования (CAD-ов), у многих из них есть одна и та же проблема: довольно плохая работа с шестернями. 

В том смысле, что средства работы с ними либо не встроены (предлагается рисовать их вручную, с нуля), либо встроены в упрощённом варианте.

Таким образом, вынужденно, желающим приходится пользоваться внешними специализированными пакетами проектирования шестерней, с последующим экспортом их в соответствующий CAD. 

Тем не менее, несмотря на некоторую внешнюю муторность, такие специализированные средства позволяют с лёгкостью проектировать весьма сложные шестерни, причём, не те, которые будут «приблизительно похожи на шестерни», а прямо самые настоящие, которые, после распечатывания на 3d принтере или изготовления иным способом — будут отлично работать! Там же, как правило, встроены и автоматические средства генерации эвольвентного профиля и т.д и т.п. 

Например, это такие пакеты как GearTrax или GearTeq — где, например, второй, позволяет сразу генерировать 3d модели зубчатой передачи, для импортирования в соответствующий CAD. Однако, это коммерческие пакеты… 

Кроме них, существуют и бесплатные версии, например, вот такой браузерный генератор чертёжных профилей (не 3d моделей): 

Для генерации же непосредственно трёхмерных моделей шестерней, можно попробовать воспользоваться открытым пакетом Openscad, для которой есть гигантская библиотека BOSL2, в составе которой есть пакет для генерирования шестерней gears.scad. 

Ну и, напоследок, говоря о 3d печатных шестернях нельзя не сказать пару слов о самом пластике, из которого они могли бы быть теоретически изготовлены!  

Судя по открытым материалам, которые я сам изучал в своё время, двумя единственными более-менее имеющими смысл для печати материалами является нейлон и угленаполненный нейлон (заполнен карбоновым волокном), где из последнего печатают даже весьма нагруженные шестерни, для самодельных средств передвижения, в частности электросамокатов (маленькие шестерни (сателлиты) планетарного редуктора).

Впрочем, если не требуется передача существенных усилий, а одновременно, неплохо было бы уменьшить и шумность — то я сам применил бы для этих целей вообще бесконтактную передачу!

Что это такое: видел в своё время любопытный вариант передачи, где в качестве условных «зубьев» используются неодимовые магниты — таким образом, получается абсолютно бесконтактная передача, без какого-либо износа и, соответственно, практически бесшумная.  

Особенно это интересно в свете того, что, 3d модель, распечатанная на бытовом FDM-принтере будет довольно далека от идеальной и, поэтому, шумность зубчатой передачи будет тоже далека от идеала, а использование такого бесконтактного способа открывает возможность применять вообще любые материалы для печати «шестерней» (скорее даже правильнее будет сказать «дисков для крепления магнитов») — хоть из PLA-пластика! Где несмотря на это, передача будет жить очень долго… 

На мой взгляд, довольно интересное решение, для многих хобби-задач:

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.