"Мы разработали и запатентовали альтернативу зубчатому колесу", — такая строчка в письме не могла нас не заинтересовать, и мы связались с его автором. Удивительно, но оказалось, что по профессии он — режиссёр и сценарист, по совместительству – автор рассказов в стиле гонзо, а по состоянию души – изобретатель. Потому далее о сценариях – ни слова.
Наш герой — Сурен Мкртчян (Suro Jr.). Совместно с профессором Андреем Романовым из ГКНПЦ им. М. В. Хруничева он изобрёл оригинальную передачу, способную заменить обычный набор шестерёнок.
В основе передачи — пара цилиндров со множеством выточенных ямок. В ямки одного из цилиндров помещены шарики. Далее всё просто — шарики, попадая в углубления соседнего цилиндра, передают усилие от одной детали к другой.
По словам Сурена, новая «зубчатая» передача (условно её всё-таки можно так называть) применима везде, где есть обычные передачи с зубьями: начиная от станкостроения и заканчивая часами и разводными мостами.
Мкртчян и Романов получили российский патент, но, конечно, хотели бы запатентовать новинку и в других странах. А самое интересное — изобретатели построили опытный образец передачи с шариками.
Правда, в силу некоторых обстоятельств, им не удалось полностью воплотить всё, что было задумано. Так, по первоначальному замыслу, шарики и лунки должны чередоваться на каждом из двух колёс. Однако и простая модель показала работоспособность идеи.
В патенте же описаны выполненные по тому же принципу самые различные вариации такой передачи (коническая, к примеру). Ведь расположение рядов шариков можно варьировать, как и форму удерживающего их «колеса».
Какой смысл в подобной замене?
Авторы изобретения отмечают, что «шариковые шестерни» проще в изготовлении и дешевле. Для них не нужны зуборезные станки. Достаточно насверлить отверстий в стальных цилиндрах да добавить шарики, сходные с теми, что работают в больших подшипниках.
А ещё такая передача не боится поломки «зуба» — если один из шариков выпадет из гнезда, весь механизм сможет работать как ни в чём не бывало. Ремонт также прост — вставить шарик обратно, и всё.
У нас сразу возник вопрос: как эти «зубья» крепятся? Не повылетают ли все сразу, особенно при высокой нагрузке?
Мкртчян пояснил, что шарики приклеены, но клей — не единственное, что крепко держит их на месте.
Дело в том, что под каждым шариком ещё есть лунка, в которой остаётся немножко воздуха. Клей работает как герметик, так что при попытке шарика выпасть разряжение удерживает его на месте («Закон вантуза», — говорит Сурен).
Как рассказал изобретатель, масштабных испытаний прототипа не проводилось, поэтому о точной величине потерь на трение или об износостойкости такой системы (о чём мы сразу спросили Мкртчяна) говорить рано.
Тем не менее, полагаем, необычная передача вполне может в каких-то вариантах применения оказаться интереснее и удобнее простых шестерёнок.
Возможно, вы удивитесь, зачем выпускник ВГИКа, с блеском выступивший на ряде кинематографических конкурсов, занялся патентованием «нового колеса», кропотливым изготовлением первой модели...
Сурен приводит только один пример. Зато яркий.
В 1945 году писатель-фантаст Артур Кларк, тогда ещё только начинавший покорение сердец читателей, опубликовал... нет, не фантастический рассказ, а научную статью, в которой детально изложил идею размещения спутников связи на геостационарной орбите.
Пророчество писателя не просто сбылось — оно изменило мир. Но сам Кларк от этого ничего, кроме морального удовлетворения, не получил (у него не было даже патента). Позже он написал об этом фельетон — «Краткая предыстория спутников связи, или Как я на досуге потерял миллиард долларов».
1) Зубчатая передача сделана на основе использования эвольвентного зацепления. Эвольвента, как мы (инженеры :)) помним — это линия, описываемая движением точки на прямой, без проскальзывания прокатывающейся по окружности. Т.е. в идеальной паре шестерён проскальзывание в точках контактов зубьев (а значит — и трение) отсутствует. В случае с шариковой передачи этого не будет, т.к. сопряжение поверхностей шарика и ответного углубления этого не дадут, что будет означать износ шариков и «ответных» углублений — а следовательно, по мере износа, увеличивающийся стук и биение.
2) Неверен посыл о сложности нарезания зубьев. Существуют специальные зубонарезные станки, специальные фрезы под нужный модуль, и т.п. Да и отверстия в барабанах предложенной шариковой передачи будут, видимо, не конические, что проще всего получить стандартным сверлом, и не цилиндрические от простой пальцевой фрезы, а должны делаться шаровой фрезой (полусферический торец), а заточка такой фрезы — дело не менее сложное, чем нарезание обычных эвольвентных зубьев. Более того, форма ответного гнезда будет достаточно сложной (чтобы обеспечить плавный «вход» и «выход» шарика), и под каждое сочетание диаметров барабанов и шариков придётся подбирать (и изготавливать) отдельную фрезу со сложной формой режущего торца.
3) При работе редуктора на высоких оборотах, при определённом сочетании частоты вращения барабана, диаметра барабана и диаметра шарика, шарики будут вылетать из гнёзд даже при наличии удерживающего клея. Например, при диаметре барабана 10 см, диаметре шариков 1см и частоте вращения барабана 100 об/мин центробежная сила, действующая на каждый шарик, составит около 5 кг, при массе стального шарика около 4 граммов; при 1000 об/мин сила увеличится до 500 кг. Расчёты элементарные, легко можно перепроверить.
Таким образом, единственное разумное применение такого устройства — низкооборотные ручные передачи, изготавливаемые как лабораторные образцы в агрегатах для обеспечения передачи вращательного движения, изготовление или подбор зубчатых передач для которых нецелесообразен — в этом случае действительно, любой токарь может изготовить барабаны, а слесарь (часто в НИР это одно лицо) — нарезать конической фрезой (сверлом) «гнёзда», и заполнить «передачу» шариками от подшипника. Мы сами пользовались подобной кустарщиной во время первичных экспериментов с разными приборами — но в дальнейшем, после лабораторных испытаний образца, разрабатывали нормальные, промышленные решения.
Конечно, при 100 оборотах — 20 грамм, при 1000 — 2 кг.