В прошлой статье рассмотрели такую интересную тему, как один из элементов механических передач — шестерни. 

Однако, классическое рассмотрение сути шестерней не было бы полным, если бы не упомянуть и о новых, в том числе неклассических и нестандартных типах! 

Всем хороши шестерни — за долгое время их использования, человечество наработало богатый опыт и методики наилучшего их конструирования.  

Однако, у шестерней есть одна существенная проблема: они передают усилие только определённым, фиксированным образом, что выражается в понятии их передаточного отношения — то есть соотношения диаметров двух окружностей*.

*Хотя, считать можно по-разному, не только по диаметрам, но и, например, по разнице в числе зубьев.

Чтобы справиться с этой проблемой, были придуманы так называемые коробки передач, содержащие ряд шестерней, позволяющих передавать усилие от двигателя таким образом, чтобы целевой механизм (например, колёса авто) получил или максимальное усилие или максимальную скорость вращения: например, при старте, необходимо, чтобы стронуть машину с места, большое усилие, поэтому применяется одна передача, в то время как, когда авто уже набрало скорость, требуется меньшее усилие, но большая скорость, что обеспечивается другой передачей…

Можно было бы подумать, что это, в некоторой степени, классический и единственный способ решения проблемы скорости или тяги. И, в некоторой степени так оно и есть — как мы видим, коробки переключения передач распространились весьма широко и применяются в тех же самых автомобилях разных типов. 

Однако, было бы ошибкой считать, что подобный способ решения проблемы является единственно возможным!

Скажем, если вы обратите внимание на то, как заводится и стартует практически любой классический автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, то, вы обнаружите, что он сначала раскручивает двигатель до определённых оборотов (т.е. включается нейтральная передача, водитель спокойно усаживается), и только затем, он может переключить передачу, и тронуться с места. 

То есть, несмотря на то что используется коробка передач — двигатель не в состоянии работать с ней в полной мере, пока не раскрутится до определенных оборотов!  

К такому положению вещей мы давно привыкли и не считаем его чем-то странным, даже не замечая, что это так. 

Однако, если мы вернёмся во времени несколько назад, к веку паровых машин, то мы узнаем, что они ценились именно за то, что позволяли развивать максимальный крутящий момент с нуля оборотов!  

Причина этого заключается в том, что парогенераторе паровой машины всегда сохраняется высокое давление, вне зависимости от того, на каких оборотах она вращается в данный момент — то есть, пар мог давить на поршень паровой машины с одинаковой силой, вне зависимости от того, стоит поршень на месте или движется. 

Как мы знаем из инженерии — «идеальный механизм, это тот, который (в идеале) отсутствует, но его функция выполняется» — то есть, здесь подразумевается, что нужно стремиться к минимальному количеству компонентов устройства, так как это автоматически означает минимизацию точек потенциальной неисправности и, соответственно, увеличение надёжности конструкции. 

Таким образом, мы можем сказать, что идеальная шестерня — это её отсутствие (как бы парадоксально это не звучало)! :-) 

Но, несмотря на такие выдающиеся тяговые качества, во всём остальном паровые машины неудобны и уступают по КПД двигателям внутреннего сгорания, собственно, почему они и уступили им место под солнцем в ходе истории…

То есть, возвращаясь к двигателям внутреннего сгорания, мы можем сказать, что использование шестерней в них (а именно, в коробках переключения передач) — это своего рода «костыли», чтобы относительно хилый (на малых оборотах) двигатель мог хоть как-то делать свою работу…:-)

Кстати сказать, подобный паровым машинам подход, когда коробка переключения передач полностью исключена — вовсе не канул в лету! 

И, в данный момент, применяется ровно для того же самого — для сдвигания с места поездов с вагонами! Только для этого в настоящий момент используются электродвигатели, также обеспечивающие максимальный момент с нуля оборотов, а коробка переключения передач в поездах не применима, так как механической прочности никакой коробки бы не хватило, чтобы стронуть такой гигантский вес с места — в прошлом для этого использовался пар, а сейчас приспособили электричество… 

В качестве оффтопа: хе-хе, а было бы забавно — несётся поезд с 60 вагонами, под свои 80 км/ч, и тут машинист такой, с хрустом переключая передачу и выпученными глазами: «А теперь, — ВТОРАЯ!!!» :-D

В свете этих новых сведений, может показаться, что отсутствие коробки передач — это сугубо прерогатива электрических двигателей! И тут мы опять не угадали — бензиновые также могут не иметь коробки передач и вполне себе успешно работать! 

Дело в том, что ещё в трудах самого Леонардо Да Винчи («Мадридский Кодекс») впервые появилось устройство, позволяющее осуществлять передачу усилия с изменяемым соотношением:

Однако свою реальную реализацию устройство получило уже только в конце XIX века, благодаря трудам американского изобретателя Милтона Ривза, который впервые разработал практически применимое устройство, получившее название «вариатор»:

Как мы видим, устройство представляет собой четыре конуса, которые могут раздвигаться в некоторых пределах, плавно изменяя передаточное соотношение между валами. 

В дальнейшем, вариаторы довольно широко распространились, проникнув в области мототехники и автотранспорта, где, если в случае мототехники, могут применяться гибкие полимерные ремни, то, в случае автомобиля, где нагрузки многократно выше, применяются уже специальные наборные стальные ремни или даже цепи:

Кстати говоря, если вам приходилось ездить на скутерах, то, на некоторых из них, вы могли заметить, что нет сцепления — то есть, не нужно разъединять коробку передач и двигатель, для переключения передаточного соотношения — коробка передач просто отсутствует! 

Вместо неё, на таких скутерах обычно стоит вариатор и, для того чтобы тронуться, необходимо просто отпустить тормоз, и плавно нажать на газ…

И, к слову, здесь тоже есть исключение (я от вас сегодня не отстану! :-D) — нельзя однозначно сказать, что «если сцепление не требуется, то там обязательно стоит вариатор»: некоторые мотоциклисты знают, что примерно с начала 2000-х годов (очагово), а с начала 2010-х (уже более менее массово) на ряд спортивных мотоциклов потребительского рынка стали устанавливать своеобразную роботизированную систему, получившую название «quickshifter» (или, попросту, «квикшифтер», в обиходе) — система позволяет переключать передачи, без выжима сцепления и управления ручкой газа: достаточно только нажать в соответствующую сторону лапку переключения передач. 

При переключении передачи вниз — робот сам автоматически увеличивает обороты двигателя, а, соответственно, при переключении вверх — на долю секунды выключает зажигание или подачу топлива (т.е. сбрасывает газ, перед переключением).  

Система пришла на потребительский рынок из мира мотоспорта, позволив обычным райдерам переключаться с высокой скоростью, что может быть особенно важно для быстрого реагирования на дорожную обстановку, например, при обгоне.

Фактически, наличие квикшифтера и даёт мотоциклу настоящую спортивную динамику… К сожалению, не на всех мотоциклах он стоит по умолчанию, а где стоит, не везде в обе стороны (вверх-вниз) и какую-то из сторон приходится докупать дополнительно (обычно по умолчанию стоит «вверх» — то есть на повышение передач)…

Предваряя вопросы: нет, переключение без выжима сцепления коробку передач мотоцикла не портит (если использовать quickshifter) — причина в том, что его работа отрегулирована таким образом (и тайминги в частности), чтобы в каждый из моментов переключения — на очень короткое время происходила разгрузка шестерней и они могли без проблем переключиться (хотя, обычно на эту тему многие любят спорить :-) ).

Очень интересно, что вариаторы проникли даже в велосипеды! Когда-то очень давно, мне доводилось видеть советскую разработку одного из инженеров, где была представлена секторная шестерня для звёздочки велосипеда — каждый сектор был подпружинен, и, в зависимости от усилия, шестерня могла либо сжиматься, либо разжиматься в диаметре!

Разработка относится к периоду где-то 1950-x — 1980-х (точную дату уже не помню) и я задался целью её найти! К сожалению, оригинальную информацию мне найти не удалось, но, убив достаточно большое количество времени, я всё-таки нашёл её!!! 

И даже более того — современную реализацию, где разжимание и сжимание секторов происходит электронным образом или же, с использованием просто электронных сенсоров (подробностей нет, но, глядя на реализацию можно попробовать реализовать самостоятельно):

Подробнее о велосипедном вариаторе можно посмотреть тут.

Размышляя над всеми этими вопросами, меня тут осенило: а ведь, по сути, тот же самый принцип шестерни (утрированно) используется и в обычном шаговом двигателе! 

Только там, естественно, не происходит трения зубцов непосредственно друг об друга, а вместо этого происходит магнитное взаимодействие:

Причём! Что очень интересно, мы здесь можем наблюдать своеобразную «интегрированную электронную коробку передач»: шаговые двигатели могут работать в так называемом «микрошаговом» режиме, когда ток одной фазы плавно уменьшается, а ток у другой увеличивается: в результате, зубцы ротора начинают плавно смещаться в пространстве, что, по сути, равносильно изменению передаточного соотношения! 

Где при этом, при желании, можно выбирать фиксированные значения 16, 32 и т.д. микрошага на полный шаг! Ну прямо полная аналогия коробки передач…О_о

Ну и нельзя не сказать про так называемую «волновую» передачу, которая была разработана ещё в 1959 году американским инженером Уолтером Массером, и состояла из жёсткого кольца с зубьями, внутри которого помещался гибкий стакан с зубьями снаружи и внутри которого, в свою очередь, помещался волнообразователь:

Передача позволяла осуществлять перенос момента с высокой точностью и низким шумом, позволяя реализовывать очень высокие передаточные соотношения (1:300, например).

Подобная конструкция представляет собой один из самых простых редукторов, позволяя устранить большое количество шестерней, что потребовалось бы при классическом способе — если бы кто-то попытался с его помощью реализовать подобное же передаточное соотношение… 

Время идёт, технологии меняются, и, даже классическая шестерня подвержена этому процессу — 4 года назад ряд разработчиков представили своеобразную «трёхмерную шестерню», где профиль шестерни был повёрнут в трёхмерном пространстве, в результате чего, образовался шарнир для сустава будущих роботов, позволяющий перемещать конечность практически по сектору всей полусферы. 

Подытоживая наши рассказ, можно отметить, что с момента первого появления, шестерня прошла множество трансформаций — вплоть до полного отсутствия потребности в ней для передачи усилия от двигателя, на определённом периоде (в век пара, из-за отсутствия необходимости в коробках передач). 

И даже по сей день, как мы видим, шестерня продолжает видоизменяться, и, чувствуется, что этот процесс мы будем наблюдать ещё долго, по крайней мере, пока не появится упомянутая в начале рассказа «умная глина»… :-) 

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

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