Назначение и роль передач в машинах

История развития техники обусловила вращение как основную форму передачи и использования механической энергии в машинах и механизмах. Наиболее распространенные энергетические машины — двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины (двигатели внешнего сгорания), электромоторы, преобразовывая химическую энергию топлива или электрическую энергию в механическую, выдают ее потребителю в виде вращения вала. Несмотря на то, что в истории техники было немало примеров использования энергии машин без вращательного движения (паровые машины Ньюкомена, Ползунова, Уатта с приводом для насосов), вращение получило наибольшее распространение. Причины этого кроются в основном в простоте, компактности, высоком КПД, непрерывности и равномерности движения передаточных механизмов, или иначе — механических передач.

В современной технике существует несколько типов передач — электрические, гидродинамические, гидростатические, пневматические и ряд других, второстепенных по назначению. Но в большинстве случаев и они не обходятся без присутствия механических передач. В курсе «Детали машин» рассматриваются только механические передачи, нередко их называют просто «передачи».

Назначение передач в основном состоит в понижении или повышении частоты вращения двигателя или иного источника вращательного движения с соответствующим повышением или понижением вращающего момента.

Для чего это делается? Ведь существуют двигатели как быстроходные, так и тихоходные, и, в принципе, они могли бы непосредственно приводить в движение рабочий орган. Существуют и используются тепловые двигатели и электрические, валы которых способны вращаться с частотами вращения от десятков до десятков тысяч оборотов в минуту (от единиц до тысяч радиан в секунду). Эти частоты вращения могли бы удовлетворить практически любой рабочий орган — от тяговой звездочки конвейера до шлифовального круга. Но тихоходные двигатели из-за огромного вращающего момента очень велики и тяжелы, а быстроходные — обычно уникальны или неэкономичны. А наиболее употребительные и дешевые электродвигатели — асинхронные — обеспечивают вращение с частотами 1000... 3000 (в ряде стран 1200... 3600) мин^-1, меньшие частоты уже малоэффективны.

Почти так же обстоит дело и с наиболее распространенными автотракторными двигателями внутреннего сгорания, частота вращения которых обычно находится в пределах от 1500 до 6000 мин^-1.

Большинство же рабочих органов машин требует более низких частот вращения, что вызывает необходимость понижающих передач (редукторов).

Реже встречается необходимость повышать частоту вращения двигателей. Наиболее впечатляющий пример — это привод для ветроэлектростанций, которых в мире насчитывается уже десятки тысяч. Ветроколесо такой электростанции мощностью, например, 5 МВт (5 ^. 10⁶ Вт) делает около 15 оборотов в минуту, а генератор, соединенный с ветроколесом механической передачей, — 1500. Следовательно, между ветроколесом и генератором находится мультипликатор — передача, повышающая частоту вращения ветроколеса в 100 раз. Такой мультипликатор — внушительное сооружение массой в десяток тонн.

Кроме простого преобразования частоты вращения и вращающего момента двигателя в какое-то конкретное число раз передачи могут:

регулировать ступенчато или бесступенчато частоту вращения рабочего органа машин;
реверсировать движение, т. е. обеспечивать прямой и обратный ход;
преобразовывать один вид движения в другой (например, вращательное в прямолинейное, качательное, прерывистое и т.д.);
распределять движение между несколькими исполнительными органами машины (например, приводить в движение несколько станков или ведущих колес автомобиля от одного двигателя).