Волновая зубчатая передача. Комплекс требований.

У XX века за последнее время появилось немало громких титулов: «атомный», «полимерный», «космический», «электронный»… Каждый из них — обобщенная характеристика, которую дают, желая подчеркнуть значимость какого-нибудь важнейшего направления развития техники. Но любое, даже самое современное направление не смогло бы ни появиться, ни развиваться без классических средств, уже сотни лет находящихся в арсенале техники. И, наверное, старейшим и наиболее универсальным устройством, созданным человеческим гением еще на заре цивилизации, является механическая передача. Зубчатая, фрикционная, ременная, цепная… Примечательно, что даже самые дерзкие фантасты, осмеливающиеся заглядывать на много веков вперед и рисовать жизнь далеких миров, и не пытаются изображать технику будущего без механических передач. Более того, они отводят им место, пожалуй, не меньшее, чем занимают передачи в наши дни. Правы ли фантасты? Трудно сказать. Во всяком случае, с позиций сегодняшнего дня развитие техники без механических передач просто немыслимо.

Механические передачи преобразуют движение, полученное ими от двигателя, меняют его направление, а иногда и характер. Но чаще всего передачи служат для повышения величины передаваемых усилий. Подобно тому как с помощью рычага (кстати, простейшей механической передачи) можно, уменьшив длину одного из его плеч, увеличить передаваемую им силу, так и с помощью различных передач можно,  снизив в несколько раз скорость вращения, во столько же раз повысить передаваемый крутящий момент. Характерный пример — лебедка.

Наибольшее распространение среди механических передач благодаря своей компактности, надежности и долговечности получили зубчатые передачи. Их история насчитывает тысячелетия: упоминание о железных и бронзовых зубчатых колесах встречается уже в «Механических проблемах» Аристотеля. А с середины XVIII века, когда петербургским академиком Леонардом Эйлером была создана теория эвольвентного зубчатого зацепления, такая передача становится основной.

Зубчатые колеса трудятся в механизмах станков и автомобилей, детских игрушек и прокатных станов, самолетов и шлюзов гидроэлектростанций, в сотнях, тысячах миллионов различных приборов, аппаратов, машин. И хотя многое из того, что раньше делалось только механическими передачами, в наше время с успехом осуществляется с помощью электричества и гидравлики, роль механических, и особенно зубчатых, передач остается огромной.

Но, конечно, современный уровень техники предъявляет к зубчатым передачам все более сложные требования.

Одно из них — получение высоких передаточных чисел — связано с появлением высокооборотных источников вращения (электродвигателей, паровых и газовых турбин) и с существованием механизмов, рабочие органы которых по тем или иным причинам должны иметь очень низкую скорость перемещения.

Другое требование — высокая нагрузочная способность, то есть возможность передавать высокие крутящие моменты,— вызвано растущей мощностью станков, увеличивающейся грузоподъемностью транспортных средств, необходимостью получения огромных усилий при ковке, прокатке и т. п.

С увеличением точности технологических процессов, обслуживаемых передачами, точности приборов, частью которых эти передачи являются, растут и требования, предъявляемые к точности самих передач. И при всем этом передача должна иметь высокий коэффициент полезного действия, относительно небольшие размеры и вес. Не последнюю роль играет и необходимость повышения надежности машин, агрегатов.

В конструкциях передач стали применять новые высокопрочные материалы, обеспечивающие твердость и прочность зубьев, совершенные способы нарезания зубьев, придающие им точную форму, высокое качество поверхности. Для разных целей созданы разнообразные виды зубчатых передач: эвольвентные и циклоидальные, цилиндрические и конические, винтовые и червячные, прямозубые, косозубые, шевронные… Каждая из этих (и многих еще других) передач успешно решает одну-две из поставленных задач, но не в состоянии удовлетворить всем требованиям. Так, у цилиндрических и конических передач высокий кпд, но они не могут дать в одной ступени, то есть при одной паре зубчатых колес, передаточного числа больше 6—7, а дальнейшее увеличение передаточного числа связано с неоправданным ростом веса и размеров редуктора. Для получения высоких передаточных чисел приходится соединять последовательно несколько, иногда более десятка, пар колес, создавать громоздкие многоступенчатые передачи. Это повышает их стоимость, ухудшает кпд, существенно снижает надежность. Одноступенчатая червячная передача позволяет получить передаточное число около 50, но у такой передачи большие потери, а значит, низкий кпд. С увеличением потерь связаны также любые известные способы повышения точности передачи путем уменьшения зазоров в зацеплении. Увеличение надежности вызывает, как правило, повышение веса конструкции…

Для комплексного выполнения предъявляемых требований необходимо искать какие-то принципиально новые решения.