Зубчатые колеса (шестерни) были логическим продолжением изобретения обычного колеса. Без сомнения, изобретение зубчатых колес во многом сделало нашу жизнь такой, какая она есть сейчас. Без зубчатых передач не может быть современного промышленного производства, энергетики и транспорта. Повсеместное применение данных механизмов настолько очевидно, что мы никогда не задумываемся о том, откуда же они взялись. В этой статье мы подробно рассмотрим историю происхождения шестерён и их применение в контексте зубчатых передач.
Все началось с обычного колеса.
Его изобретение приписывают жителям Месопотамии, которые в бронзовом веке (3500-3000л до н.э.) начали делать диски распиливая бревна поперек. В дальнейшем, при развитии транспорта, колесо претерпевало некоторые изменения. Так, у первых прототипов современной повозки колеса в виде сплошного диска наглухо крепились к оси, которая вращалась в направляющих, а уже к концу бронзового века (1000л до н.э.) повозки со свободно вращающимися на оси колесами использовалась как на территории Европы, так и в Китае. Шумеры стали одной из первых развитых цивилизаций во многом благодаря изобретению колеса.
Древний мир
Изобретение зубчатых колес приписывают древним Египтянам и Грекам, а также известно, что 800 лет до н.э. в Китае уже использовались системы передач с зубчатым зацеплением. Первые шестерни изготавливались из дерева, со съёмными зубьями-клиньями, таким образом, изношенные зубья можно заменить отдельно.
К 100 году до н.э. Греки использовали металлические шестерни в составе цилиндрической передачи, применяя их в сложной по тем временам вычислительной технике и астрономических календарях. Мы можем судить об этом благодаря открытию Антикитерского механизма (см. Рисунок 3), одного из самых старых и известных механизмов с применением металлических (бронзовых) зубчатых шестерён (около 100 г. до н.э.) Данный механизм был обнаружен в 1900 году в месте крушения греческого судна у берегов острова Андикитира. Механизм содержит более 30 передач для сложных астрономических расчетов времени. Был ли это на самом деле первый компьютер? Точно сказать наверное не получится, но данный механизм, по всей видимости, предвосхитил появление астролябий, механических арифмометров и барометров.
Средние века
В средние века (500 – 1500г. н.э.) широкое распространение получают ветряные мельницы, в которых, с помощью передачи с зубчатыми колесами происходила передача крутящего момента от вала с крыльями на механизм помола зерна. Если водяная мельница была известна еще с античных времен, то ветряные мельницы появились в Иране в VII веке. Сначала мельницы использовались для помола зерна, но в процессе совершенствования как самого механизма, так и промышленности в целом, вращающийся с помощью сил природы механизм стали применять в различных видах мануфактурного производства, где требовалось как-то облегчить труд человека и частично автоматизировать производство. Зубчатые передачи приводили в движение оборудование для производства сукна, дробления руды, изготовления бумаги, распиливания древесины, а также использовались для раздувания кузнечных мехов. Также в средние века совершенствуются механизмы поднятия/опускания ворот и мостов в крепостях, если раньше для выполнения данных операций требовалось несколько человек, то с применением зубчатых передач это стало возможным сделать в одиночку.
На протяжении XIV-XV вв. во многом благодаря системам с зубчатым зацеплением появляется первая землеройная машина, подъёмный кран, домкрат, разнообразные станки, механические часы.
В средние века зубчатые передачи повсеместно использовались не только в сельском хозяйстве и производстве, но и в военной технике. Для облегчения процесса заряжания баллист и требушетов в натяжительном механизме часто применяли зубчатые передачи.
Ренессанс
Время шло, времена менялись. За средними веками в Европе наступает эпоха возрождения(ренессанс), которая ознаменовала собой расцвет во всех сферах науки, культуры и производстве. Рост городов-республик привёл к росту влияния сословий, не участвовавших в феодальных отношениях: мастеров, ремесленников, торговцев, которые дали мощный толчок к развитию промышленности и торговле. С ростом объёмов промышленного производства, росли запросы мануфактур на механизмы с большей нагрузочной способностью и повышенными эксплуатационными характеристиками. Таким образом деревянные передачи уже не удовлетворяли требованиям долговечности и точности, поэтому на смену им начали приходить механизмы в которых использовались литые чугунные или стальные зубчатые колеса. Совершенствовалась добыча и обработка металлов. В начале XIV в. изобретена домна — печь пятиметровой высоты, предназначенная для производства чугуна, который имеет превосходные литьевые свойства. Со временем доменное производство станет флагманом мировой металлургии на долгие века.
Период позднего ренессанса и начала эпохи просвещения был богат на выдающихся ученых, но по истине самым значимым из них был Леонардо Да Винчи. Ученый, музыкант, художник, естествоиспытатель, изобретения которого во многом опередили свое время. Его вклад в развитие механической науки просто поражает воображение. Леонардо подарил миру новый вид энергии – потенциальную энергию упругости, создав первые пружинные часы. Им был создан первый подшипник, первый робот, которого он продемонстрировал публике в 1495г, также колесцовый замок пистолета, первое транспортное средство с собственным цепным приводом, которое послужило прообразом современного велосипеда и глобоидную червячную передачу, которая обладала повышенной надежностью и способностью переносить высокие нагрузки, в силу того, что червячный вал имел вогнутую форму и позволял входить в зацепление сразу трем зубьям червячного колеса.
Что касается зубчатых передач, то Леонардо придумал цевочный механизм, который и по сей день успешно применяется в станках, конвейерах и приводах гусеничного транспорта. Принцип работы данной передачи заключается в том, что вращение передается между параллельными валами, в котором одно из колёс, называемое цевочным, имеет зубья, выполненные в виде круговых цилиндров — цевок, другое обычно представляет собой обычное зубчатое колесо с радиальным или боковым расположением зубьев. Этот механизм Леонардо применил в еще одной своей разработке – танке в качестве трансмиссии для передачи крутящего момента от вала, который планировалось вращать вручную, к колесам машины.
