История редуктора: от антики до наших дней

Существует легенда об изобретении Архимедом многоступенчатого редуктора и червячной передачи – механизмов, применяемых для перемещения судна «силой одного человека. Такой механизм, как полиспаст с достаточным числом блоков, был описан задолго до Архимеда и вполне мог им использоваться для перемещения триер, весивших более сотни тонн. То же относится и к многоступенчатым зубчатым передачам. Однако многоступенчатые редукторы не нашли (да и не могли найти) широкого применения в античности, когда главным источником энергии была сила людей и животных, которые в принципе не могли развивать больших мощностей и скоростей. Древние греки и римляне в основном довольствовались такими нехитрыми механизмами, как одиночный блок и ворот, просто потому, что большего им и не требовалось.

Первое применение зубчатых передач началось несколько тысячелетий назад. В Древнем Египте на берегах Нила для орошения плодородных земель уже использовались оросительные устройства, состоявшие из деревянной зубчатой передачи и колеса с большим числом ковшей. Такое устройство приводилось в действие быком. Вода поднималась на более высокий уровень и по каналам доставлялась к потребителю.
Первоначально зубчатые колеса изготовлялись ремесленниками и имели самую простую форму. Вместо зубьев применялись деревянные цилиндрические или прямоугольные пальцы, которые устанавливались по окружности деревянных ободьев.
Для откачки воды из шахт, подъема воды для орошения в древности использовались как архимедовы винты, так и водочерпальные колеса. Это устройство – «архимедов винт» – состояло из наклонной деревянной трубы, погруженной одним концом в воду, подлежащую откачке. Внутри трубы была укреплена винтовая переборка. «Улитка» вращалась мускульной силой рабов или животных. Вода выливалась из верхнего конца трубы. Использовался «архимедов винт» и для откачки воды из трюмов больших грузовых судов. Сами по себе нехитрые механизмы, тем не менее, они означали гигантский технологический прорыв человечества.
В книге Герона Александрийского «Механика», дошедшей до нас полностью лишь в арабском переводе, Герон подробно рассматривает простые механизмы (ворот, рычаг, блок, клин, винт), зубчатые передачи и другие, более сложные механизмы. «Механика» Герона являлась своеобразной энциклопедией античной техники. По-настоящему полезным было следующее изобретение Герона. Герон изобрел механизм, названный им годометром (измерителем пути). Годометр Герона состоял из системы зубчатых колес, приводившихся в движение при езде повозки. Пройденный путь фиксировался стрелками на циферблате с делениями. Усовершенствовав водяные часы (клепсидру), известные в Греции с V века до н. э., древнеримский изобретатель Витрувий в I веке до н. э. присоединил к клепсидре механизм, где зубчатое колесо, приводимое в движение поплавком, передвигало стрелки на циферблате. Это был один из первых примеров создания привода с постоянной заданной скоростью вращения. Однако в конструкции древних часов входили зубчатые колеса, но регулирование их движения, т. е. измерение времени, производилось скоростью истечения воды. Поэтому отличительным признаком клепсидры служат не сами зубчатые колеса и не гири как движущая сила, а именно течение воды. Древними римлянами в это же время была изобретена и широко начала использоваться мельница на водяном колесе, в которой применялись зубчатые передачи. Витрувий описывает большое лопастное колесо, которое приводилось в движение водой с помощью двух поставленных под углом зубчатых колес. Это колесо и вращало жернова, на которых размалывалось зерно.

Найденный в 1901 году археологами на затонувшем судне античный астрономический прибор, известный как «компьютер Антикиферы», изготовленный из бронзы, служил для определения положения Солнца и Луны. Это оказался очень сложный прибор, состоящий из десятков зубчатых колес. Механизм загадочного артефакта сложнее любого другого устройства, относящегося к древнегреческой культуре. В нем применены дифференциальная передача (считалось, что она была изобретена не ранее XVI века), бронзовые шестерни, циферблаты со стрелками. При этом уровень механической обработки деталей (их размеры и сложность изготовления) сравним с тем, что был достигнут в производстве механических часов XVII века. Изготовленный в I веке до н.э., этот древний «компьютер» предвосхитил и массовое появление астролябий и механизмов на основе зубчатых колес (первых редукторов) в Западной Европе в Средние века, и создание механических арифмометров в XX веке. Несомненно, это меняет наши представления об уровне развития античной цивилизации и о влиянии технологий на ход исторического развития.

Сама по себе идея механической передачи восходит к идее колеса. Простейшая колесная передача работает следующим образом. Пусть два колеса с параллельными осями вращения плотно соприкасаются своими ободьями. Если одно из колес начинает вращаться (его называют ведущим), то благодаря трению между ободьями начнет вращаться и другое (ведомое). Причем пути, проходимые точками, лежащими на их ободьях, равны. Большее колесо будет делать, по сравнению со связанным с ним меньшим, во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышает диаметр последнего. Если ведомым будет меньшее колесо, мы потеряем на выходе в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется «усилить движение» (например, при подъеме тяжестей). Таким образом, применяя систему из двух колес разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение. В реальной практике передаточные колеса с гладким ободом почти не используются, так как сцепления между ними недостаточно жесткие и колеса проскальзывают. Этот недостаток античными изобретателями был устранен - вместо гладких колес начали использовать зубчатые. Так и появились первые редукторы. Но широкое распространение они получили значительно позже.

Гений эпохи Возрождения, Леонардо Да Винчи, оставил потомкам множество записей, чертежей и даже действующих моделей различных механизмов, использующих колесные зубчатые передачи. В Средние века существовали только два механических двигателя - ветряной и водяной. Леонардо одним из первых в полную силу заставил служить людям еще одну энергию – потенциальную энергию упругости. Именно эти источники энергии и служили основой устройств и механизмов, спроектированных Леонардо. Это и шагомер, и механическая пила с вертикальным полотном. Токарный станок с педальным приводом он снабдил массивным маховым колесом, которое обеспечивало равномерное вращение. Печатный станок Леонардо дополнил устройством для автоматической подачи листов бумаги – так появился прототип современного принтера с автоподачей бумаги. Механику Леонардо не зря называл «раем математических наук», именно в этой области разум гения взмывал в неведомые и беспредельные высшие сферы творчества.
В наследии Леонардо оказались представлены (правда, невостребованные при жизни гения) весьма сложные и разнообразные варианты зубчатых передач, начиная от простейшей, так называемой цевочной, где зубьями колес служат цилиндрические шпеньки, до весьма сложной глобоидной червячной, в которой поверхность ведущего элемента (винта или червяка) имеет вогнутую форму и охватывает ведомую шестерню под большим углом. Леонардо начертил эскизы устройств для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. Он сконструировал коническую и спиральную передачи, придумал роликовую цепь, которая и сегодня применяется в велосипедах, мотоциклах и множестве других механизмов. Конструирование сложных машин и их элементов привело Леонардо к созданию основ теории передаточных механизмов - пространственных и плоских зубчатых зацеплений, передач с гибкими звеньями и с переменными скоростями вращения. Оно послужило фундаментом, на котором спустя века выросла классическая инженерная механика, обретшая строгую математическую форму только в Новое время, когда индустриализация Европы востребовала все накопленное цивилизацией научное наследие.

Промышленная революция ознаменовалась переходом от деревянных передач к металлическим. Ветряные и водяные движители уже могли создавать усилия, которые не выдерживали деревянные детали. Поиск новых источников энергии и создание механизмов, способных заменить ручной труд, явились одним из основных факторов промышленной революции. Только во Франции к началу 18 века имелось 80 тыс. мукомольных мельниц, 15 тыс. мельниц, используемых в промышленных целях, и 500 мельниц для измельчения железной руды. По сравнению со Средними веками, передаточные механизмы начали использоваться очень широко. От мельниц с помощью зубчатых и ременных передач приводились в движение токарные станки, сверлильные станки, роликовые станки для получения металлических листов и ротационные резаки для их разрезания, вентиляторы для шахт, шахтные подъемники и насосы для шахт с цепным приводом. Для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное с целью приведения в действие ударных устройств средневековые мастера стали применять кулачковый и кривошипный механизмы. Таким образом, механизированные фабрики Европы Нового времени в результате промышленной революции заменили ручной труд машинами, а также сконцентрировали большие мощности на относительно небольших площадях. Однако передаточные механизмы были в 17-18 веках достаточно громоздкими и неэффективными. Именно в это время ученые-механики начали разрабатывать классическую теорию зацепления профилей зубьев (Ф.Делахир, М.Камус, Л.Эйлер).

С появлением паровой машины возникла необходимость в передаче еще больших мощностей. Соответственно, потребовалось конструировать металлические редукторы. К 1850 году ткацкие станки с механическим приводом были уже втрое производительнее ручных станков. Более дешевая энергия дала возможность повысить быстродействие станков, и это укрепило их экономическое преимущество. Паровой двигатель был достаточно мощным, чтобы приводить в движение несколько текстильных станков, и соответствующие станки приходилось размещать вокруг двигателя. Паровой двигатель также сделал возможным размещение производств не только у воды, а там, где были уголь, рабочие руки, рынки сбыта и транспорт. Новое время проводило и селекцию самых оптимальных конструкций зубчатых передач – тиражироваться начинали именно те, что давали максимальный экономический эффект. К середине 19 века, по-видимому, следует отнести появление первых серийных редукторов. Ну а появление во второй половине 19 века электрического привода, бензиновых и дизельных двигателей означало разработку редукторов с заданными параметрами. Зубчатые механизмы предназначались для передачи вращательного движения от высокооборотных двигателей и преобразования (снижения) его параметров. Даже самые первые электродвигатели и ДВС обладали скоростью и моментом, как правило, не подходящим для использования в технологическом процессе.