Справочник автора/Машины и механизмы

Материал из Posmotre.li
(перенаправлено с «Справочник Автора/Механика»)
Перейти к: навигация, поиск

Поскольку механику любят изображать визуальные медиа — карикатуры, кино, компьютерные игры — то и рассказывать о механике буду в первую очередь для них, с кучей картинок.

Черчение[править]

Общий вид танка. Размеров на этом чертеже нет, но я бы написал длину с пушкой, длину без пушки, ширину, высоту, высоту до лобового листа и клиренс.
Сборочный чертёж клапана. Видите, какие тут размеры? — общие габариты клапана и как сверлить для него отверстия. На чертеже ошибочка: на двух видах не показано ребро жёсткости корпуса 1. Разрез А-А показывает, что на нижнем корпусе 2 есть шестигранник под ключ.
Чертёж детали (корпус того же клапана)

Чертежи бывают самые разные, но в целом машиностроительные чертежи делятся на такие группы:

  • Общие виды. Самые бесполезные чертежи, показывающие, как агрегат выглядит в сборе. Но это лицо проекта, и потому всегда идут в альбоме первыми листами, раньше ТТХ и калькуляции. К тому же это самый важный — а зачастую и единственно доступный — чертёж для моделистов и трёхмерщиков, которые гонятся за «копийностью»[1]. Так что их рисуют, когда нужно нарисовать «просто чертёж»: художнику не нужно и задумываться о том, что внутри. А зрителю понятно, откуда этот чертёж. Размеры показывают скудно: обычно габаритные и монтажные. Размеры всегда в миллиметрах, без единицы «мм».
  • Компоновочные. Вот это уже интереснее. Если есть время и понятно, что внутри, постарайтесь всё-таки начертить: тут мотор, тут сиденье с фигурой оператора… Нумерация — компромисс между удобством поиска (приблизительно по кругу) и логикой работы (например, мотор раньше трансмиссии). Размеры — габаритные, плюс размеры узлов и отсеков: мы рассчитываем на такой-то мотор, а спальное место будет 2,1×0,7 м…
  • Сборочные. Художникам не сдались (разве что из любви к искусству начертить какой-нибудь небольшой узел). В зависимости от технологии сборки, выполняются в разрезе или в разобранном виде. Нумерация на таком чертеже обычно отражает последовательность сборки. С размерами — как и на общих видах.
  • Профили. Применяются, когда нужно нарисовать что-то очень сложной формы (крыло самолёта, корпус корабля): нарезаем корпус, как колбасу, кучей параллельных плоскостей и на одном чертеже рисуем все «ломтики». То же самое, что с компоновочными чертежами: очень интересный тип чертежа, но чтобы нарисовать правильно, нужно изрядное пространственное мышление. Хотя, если есть трёхмерная модель, её запросто можно преобразовать в профили (если модель низкополигональная, не забудьте сгладить линии!)
  • Чертежи деталей. Когда нужно «разорвать шаблон» и нарисовать любой чертёж, только не вид, почему-то чертят типовые детали. Свежо, но неверно: на то они и шестерёнки с болтами, что их делают по отработанной технологии и потому вообще не чертят (или на худой конец чертят очень схематично). Постарайтесь найти небольшую, но специфичную деталь и начертить именно её. На чертежах деталей, наоборот, показаны все размеры. От чего до чего размеры? — это уже опыт конструктора. Есть несколько критериев:
    • Технология изготовления. Подумайте, как бы вы отливали/точили деталь, за что можно ухватиться штангенциркулем и куда можно сунуть глубиномер. Например, корпус клапана (справа) отливают из стали, затем обтачивают отверстия и нарезают резьбу.
    • Накопление погрешностей. Размеры А-Б, Б-В, В-Г, Г-Д стараются не делать: если каждый из них даст погрешность в 0,25 мм, суммарная погрешность будет уже 1 мм. Берут какую-то «размерную базу» (например, точку А) и от неё пишут размеры: А-Б, А-В, А-Г, А-Д. На сложных деталях таких баз может быть много, но принцип поняли.
    • Взаимодействие с другими изделиями. Допустим, этот самый клапан надо прибить анкерами на стену. Какие размеры делаем на этой самой стене? Где делать отверстия — не особо важно (трубы подогнём), но они должны стоять квадратом 105 мм — иначе просто не встанет. Потому пишем: на таком-то расстоянии от стены и потолка, квадратом 105 мм.
  • Упрощённые схемы. Если сборочный чертёж показывает, как его собрать, то схема показывает, как оно работает. Кинематические, электрические, логические, схемы трубопроводов… Электрических схем вокруг нас хватает. Когда следующий раз поедете куда-то поездом, посмотрите на схему кипятильника — вот вам схема трубопровода. Популярны в играх жанра «квест»: разобраться в схеме и что-то сделать с агрегатом — неплохая головоломка. Нумерация на таком чертеже обычно отражает логику работы.

В современном черчении (за исключением схем, естественно — у них свои обозначения) используются такие виды линий.

  • Жирные сплошные — видимые.
  • Тонкие сплошные — вспомогательные (размерные, выноски, резьба и т. д.); все профили, кроме самого «толстого». На общих видах тонкой линией наводят мелкие детали, мало влияющие на форму изделия: лючки, заклёпки…
  • Тонкие пунктирные — невидимые. Какой-то важный элемент детали, невидимый с данного ракурса.
  • Тонкие штрихпунктирные — осевые. Ось симметрии, центр отверстия… Если штрихпунктирная линия коротка, в неё не стараются влепить точку, а, наоборот, делают её сплошной.
  • Тонкие штрихпунктирные с двумя точками — линия сгиба на развёртках.
  • Тонкие волнистые — разрыв (это когда деталь длинная, но неинтересная), край разреза.
  • Штриховка — показывает, что если здесь разрезать, разрежем материал. Нет штриховки — в разрезе пустота (рёбра жёсткости и тоненькие стенки тоже могут не штриховать, если это облегчает понимание). Свои виды штриховки есть для металла, дерева (вдоль волокон и поперёк), изоляционных материалов, прозрачных материалов, земли, бетона…

Часто чертёж показывает изделие в нескольких проекциях. Тогда вид сверху будет ниже основного, вид слева — правее, и т. д. — как будто мы залили изделие в прозрачный кубик и катаем его по ватману.

Очень часто (особенно в зарубежных медиа) чертежи изображают белыми на синем. Это цианотипия, «синька» или blueprint — копирование с помощью так называемой «берлинской лазури», ферроцианата железа-калия KFeIII[FeII(CN)6]. Для этого чертёж рисуют тушью на кальке. Когда нужно скопировать, кладут на светокопировальный стол вместе с цианотипной бумагой, несколько минут светят и промывают водой. Просто, дёшево и неядовито (несмотря на устрашающую формулу[2]), но неудобно: на негативе нельзя писать, да и масштаб от воды портится[3]. Поэтому во второй половине XX века чаще использовалась диазотипия (разные варианты давали синий на белом, чёрный на белом и тёмно-коричневый на светло-коричневом, проявляется аммиаком), сейчас — ксерография (ну, ксерокс вы все видели). А если совсем сейчас — то существует огромное количество разных САПР (систем автоматизированного проектирования, она же CAD = computer-aided design), в которых создаются электронные чертежи и распечатываются на принтере. А почему именно цианотип? А потому, что слово blueprint в английском языке стало едва ли не синонимом чертежа.

Ну и, разумеется, постарайтесь отыскать чертёж той культуры, под которую будете стилизовать. Чертёж XIX века будет отличаться от советского чертежа, а советский — от американского. И даже строительный от машиностроительного.

О механизмах[править]

Механизмы позволяют преобразовывать одни типы движения в другие, выигрывать в силе за счёт скорости и, наоборот, в скорости за счёт силы.

Из курса физики известны два простых механизма:

  • Рычаг: блок, ворот, шкив, шестерня.
  • Наклонная плоскость: клин, винт, червяк.

Строго говоря, не являются механизмами различные гидро- и пневмопередачи. Но здесь мы их тоже рассмотрим.

Сборочная единица — деталь или компонент, участвующая в сборке как единое целое.

Узел — промежуточная ступень сборки: сначала узел собирают, затем он сам становится сборочной единицей. Например, коробка передач.

Рычаг[править]

Рычаг — простейший механизм для преобразования поступательного движения в поступательное же. Он состоит из двух плеч, обычно разной длины, и точки опоры. Если рычаг типа «качели» (точка опоры посередине рычага, плечи — по разные стороны от неё), то он преобразует силу в противоположно направленную. Если точка опоры на конце рычага, и оба плеча по одну сторону от неё, то он не меняет направление силы. Если плечи рычага разной длины, то он изменяет модуль силы, обратно пропорционально разнице в длине плеч: более короткое плечо — большее увеличение силы. Это происходит за счёт того, что ход конца плеча уменьшается прямо пропорционально уменьшению длины плеча: чем меньше плечо, тем на меньшее расстояние оно передвинется при равном передвижении конца другого плеча, но зато большую силу приложит.

Достоинство рычага в том, что он позволяет прикладывать очень большую силу: недаром Архимед говорил «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю». Но эта сила все-таки ограничена механической прочностью рычага. Поэтому тогда, когда нужно приложить действительно очень большую силу, вместо него используют…

Гидравлический пресс[править]

Гидравлический пресс — механизм того же назначения, что и рычаг, но он работает по-другому. Он представляет собой два сообщающихся сосуда в форме цилиндров разного диаметра, сверху герметично закрытых поршнями. Внутри сосудов, под поршнями, жидкость. Надавливание на один поршень поднимает вверх другой, и наоборот.

Так вот, замечательность этого механизма в том, что он может действовать аналогично рычагу. Чем меньше диаметр цилиндра, тем выше поднимается поршень при равном ходе второго поршня, но тем меньшую силу он способен приложить — и наоборот, чем больше поршень, тем меньше он проползет вверх, и тем большую силу приложит. И сила, развиваемая большим поршнем, мало чем ограничена: в гидравлическом прессе нет длинной уязвимой детали, подвергаемой деформации на изгиб. Поэтому на гидравлическом прессе можно спрессовать что угодно, а гидравлические домкраты позволяют поднять хоть КрАЗ.

Зубчатая передача[править]

Рис. 1. Различные виды зубчатых передач
Рис. 2. Эвольвентное зацепление
Рис. 3. Средняя шестерня — паразитная

Ну, вы много раз видели зубчатую передачу. Зубчатая передача бывает:

  • прямозубой, косозубой и шевронной;
  • цилиндрической и конической;
  • с внутренним и внешним зацеплением.

На рисунке 1…

  • а) Прямозубая. Плюсы: дешёвая, нет осевых усилий. Минусы: дёрганый ход, поэтому недопустима в скоростных и высоконагруженных машинах.
  • б) Косозубая. Плюсы: скомпенсирован присущий прямозубой передаче дёрганый ход. Минусы: дорогая, при работе испытывает осевое усилие.
  • в) Шевронная. Плюсы: скомпенсированы осевое усилие и дёрганый ход. Минусы: наиболее дорогая.
  • г) Коническая. Для передачи вращения между перпендикулярными валами.
  • д) Косозубая коническая.
  • е) С внутренним зацеплением.

Внимание: форму трапеции имеют зубья лишь у зубчатой рейки. У зубчатого колеса зубья имеют форму сложной кривой — так называемой развёртки окружности, или эвольвенты окружности (рис. 2).

Если у ведущей шестерни z1 зубьев, а у ведóмой z2, ведущая будет крутиться в z2/z1 раз быстрее. Эта величина называется передаточным отношением. Оно больше единицы, если передача понижающая, и меньше единицы, если повышающая.

Если соединить шестерни, как на рисунке 3, передаточное отношение будет z3/z2 независимо от того, сколько зубьев в центральной шестерне (1). За это центральную шестерню называют паразитной — она ничего не делает, кроме как меняет направление вращения и снижает КПД[4]. Поэтому — внимание — зацепление с паразитной шестерней бывает крайне редко, когда нужно вращение в другом направлении (например, в механической коробке на задней передаче). И уж совсем нонсенс — цепочка из четырёх или пяти паразитных шестерён, для такого расстояния лучше использовать длинный вал, цепную передачу или что-то ещё.

А что же бывает? А разберите любой будильник. Замечали, что почти везде используются две шестерни на общей оси? Если, например, нужен редуктор 100:1, будет 10 зубьев на ведущей шестерне и 1000 на ведомой. И соответствующая разница в диаметре — например, 1 см и 1 м. Когда можно сделать гигантскую ведомую шестерню — например, в башне танка — так и поступают. А если нельзя — разбивают передачу на две, три и более. Например, передаточное число 100 можно разбить как 5·5·4, что даёт, например, такие шестерни: ведущий вал — 12 зубьев, первый промежуточный — 60 и 12, второй промежуточный — тоже 60 и 12, ведомый — 48.

Правда, такая передача очень быстро изнашивается: один зуб меньшей шестерни всегда контактирует с пятью зубьями большей, и только с ними. Поэтому выбирают множители похитрее: ведущий вал — 12 зубьев, первый промежуточный — 65 и 13, второй промежуточный — 55 и 11, ведомый — 48. Взаимно простые количества зубьев в зацеплениях гарантируют, что каждый зуб встретится с каждым.


Планетарная передача[править]

(link)

Планетарные механизмы, обучающее видео «Леннаучфильма»

(link)

Как работает дифференциал. США, 1937

Хотите нарисовать что-то эффектное? К вашим услугам планетарная зубчатая передача.

Она состоит из таких частей;

  • солнечная шестерня;
  • шестерни-сателлиты;
  • коронная шестерня (эпицикл);
  • водило.

Сателлиты крутятся на водиле. А из остальных трёх деталей — солнечной шестерни, эпицикла и водила — одна неподвижна, вторая ведущая, третья ведомая. Поскольку мы всё же ходим чего-то эффектного, лучше зафиксировать солнечную шестерню или эпицикл — тогда сателлиты будут крутиться вокруг собственной оси и крутиться вместе с водилом.

Планетарная передача обычно используется сама по себе, а не в комбинации с чем-то другим. Но на это правило можно начхать: наша ведь задача — нарисовать что-то эффектное, а работать-то оно и не должно…

Если зубчатую передачу можно разрабатывать относительно бесцеремонно, то у планетарной есть так называемое условие сборки (см. в фильме): обычно на водиле не одна шестерня, а три-четыре, и чтобы шестерни просто вошли друг с другом в зацепление, нужны определённые условия.

Где можно встретить…

  • В колёсных втулках тяжёлых грузовиков. Это снижает крутильное усилие на полуось, позволяет делать её не столь жёсткой.
  • В автокоробках типа «настоящий автомат» (а не «робот»). Фиксируя различные элементы передачи — то солнце, то водило — можно получать разные передаточные числа.
  • В некоторых «необслуживаемых» велосипедных коробках передач.

Дифференциал[править]

Если взять планетарную передачу, но ничего в ней не фиксировать, будет два входных вала и один выходной — тогда передача «суммирует» скорости входных валов. Или, наоборот, один входной вал и два выходных — тогда передача делит скорость входного вала между двумя выходными.

Для чего это нужно? В первую очередь — в автомобиле, чтобы ведущие колёса вращались не синхронно. Правда, есть проблема: когда одно колесо буксует, крутится именно оно, зарываясь ещё глубже (а второе стоит на сухой земле и могло бы вытянуть). Да и в гонках разгон в поворотах ограничивается разгруженным внутренним колесом — а не нагруженным внешним.

Чтобы этого не было, в гоночных дифференциалах и во всех полноприводных машинах ограничивают степень свободы: подключаемая ось, включающаяся блокировка, фрикцион, жидкостный дифференциал, гидротрансформаторы… Бывают дифференциалы типа Torsen, которые вообще не планетарные, а червячные. Решений куча, в зависимости от того, что нужно: «неубиенность», мощный разгон в поворотах, автоматическое включение или буксировка без ограничений (да, «продвинутые» системы полного привода нельзя буксировать как попало, а отдельные машины вообще не подлежат буксировке [1]).

Червячная передача[править]

Червячная передача компактна, как для большого (от 8 до сотен) передаточного числа. Используется она нечасто из-за низкого КПД и требовательности к смазке. Зато у неё есть шикарная особенность: она необратима, так что от рывка нагрузки не вырвет ручку из рук, а если надоело крутить лебёдку — остановись, покури, она не упадёт.

Найти её можно в подъёмных машинах и приводах каких-нибудь тяжёлых штук наподобие ворóт. Если вы музыкант, то найдёте червячную передачу в колковом механизме.

Винтовая передача[править]

Самый простой способ преобразования движения из вращательного в поступательное. Представляет собой винт и гайку. При больших передаточных числах винтовая передача также необратима.

В отличие от червячной передачи, есть отличный способ уменьшить трение, пустив по кругу кучу шариков (шариковинтовая передача). Шарики проходят несколько витков гайки и возвращаются обратно по т.н. возвратному каналу. Такая встречается в рулевом механизме автомобилей.

Встречается очень часто: в домкратах, в автомобилях, в станках, в струбцинах, даже в детской юле.

Реечная передача[править]

использовалась в некоторых арбалетах, и экспериментальных поездах, иногда бывает в домкрате

«Мальтийский крест»[править]

Выглядит очень эффектно и необычно, использовалась во времена оны, к примеру, в кинопроекторах, превращая равномерное вращение ручки киномехаником (а позже — электромотором) в дёрганое движение плёнки, которая за один шаг быстро сдвигалась ровно на кадр, а затем на какое-то время замирала в таком положении.

Ременная передача[править]

Ременная передача (и ее разновидность цепная) — альтернатива зубчатой. В простейшем виде она представляет собой два шкива, обтянутых одним ремнём. За счет силы трения вращательный момент передается от ведущего шкива к ведомому. Недостаток простейшей ременной передачи в том, что сила трения не всесильна, и в случае резких скачков хода или сильного сопротивления вращению ведомого шкива ведущий шкив может проворачиваться в ремне. Поэтому иногда ремень и шкивы делают зубчатыми, а в некоторых случаях заменяют ремень цепью (например, в велосипедах и мотоциклах).

Ременная передача не особо эффектна, однако любима разработчиками компьютерных игр: порванный ремень вечно приходится заменять чуть ли не резинкой от презерватива.

Интересно: силы трения в ременной передаче распределены так, что ремень сползает туда, где сильнее натяжение. Поэтому в высокоточных, но ненагруженных ременных передачах (например, в электрофонах) шкивы имеют форму бочонков.

Центробежный регулятор[править]

Часовой механизм[править]

Часовой механизм
  • Заводной барабан с пружиной и храповым механизмом.
  • Повышающая передача (как правило, одной пары шестерён — заводного барабана и центрального триба — хватает). Ах да. Большая шестерня на языке часовщиков называется просто колесо, маленькая — триб.
  • Центральное (минутное) колесо, соединённое с минутной стрелкой через фрикцион перевода стрелок. Как называется на языке часовщиков этот фрикцион, я не знаю, ибо никто никогда его не разбирает (меняют шестерню целиком), да и ломается он нечасто. Но он есть.
  • Через понижающую передачу 1:12 к минутной стрелке присоединено часовое колесо, которое, как нетрудно догадаться, соединено с часовой стрелкой.
  • От центрального колеса идёт ещё одна повышающая передача. Последнее колесо — анкерное — имеет особую форму зубьев.
    • Если есть секундная стрелка, она находится где-то в конце этой передачи.
  • Колебательная система — маятник или баланс. Маятник работает под действием силы тяжести, баланс — упругости специальной пружины.
  • Спусковой механизм (анкер), с каждым колебанием маятника спускающий анкерное колесо на один зуб.
  • В наручных/карманных часах есть так называемый ремонтуар — механизм, передающий движение с заводной головки на минутную стрелку или пружину (не на заводной барабан, а на заводной вал по другую сторону храпового механизма!) В настенных и будильниках вместо ремонтуара две дырки под ключи.

Q. Как работает будильник?
A. Будильник — это прорезь в часовом колесе и диск, связанный со звонковой стрелкой. На диске есть выступ. Как только выступ попадает в прорезь, звонит отдельный механизм.

Q. Почему секундная стрелка не переводится и не синхронизирована с минутной? В смысле, когда минутная стрелка точно на штрихе, секундная может быть где угодно.
A. Потому что жёстко — а не через фрикцион перевода стрелок — связана с остальным механизмом. Почему? — а представьте себе, как быстро крутилась бы секундная стрелка во время перевода часов.

Q. Почему при переводе стрелок часы не спускаются быстро, а при заводе — не идут назад?
A. При переводе стрелок проскальзывает фрикцион перевода стрелок. Сила, действующая на анкерное колесо, разумеется, слегка меняется, но анкер так устроен, что частота колебаний маятника мало зависит от этой силы.
При заводе часы не идут назад потому, что проскальзывает храповой механизм. Той силы, с которой вы заводите «тяжёлый» механизм будильника, шестерни просто не испытывают! А то, что храповик всё-таки пропускает, многократно понижается шестернями, и в результате просто не хватает силы, чтобы «протащить» анкерное колесо через анкер в обратную сторону.

Q. Как устроена примитивная часовая бомба?
A. Источник питания, часовое реле, электрозапал, пиротехническая смесь, корпус (нужен, чтобы суррогат взрывчатки убил кого-то ещё, кроме террориста; та самая скороварка, которую обнаружили на Бостонском марафоне) и поражающие элементы (те самые гвозди с гайками). Часовое реле делают или из будильника, или просто крепят контакт к стрелке. В интернете достаточно конструкций, загуглите, и найдёте. Жанровая условность: часовую бомбу чаще всего изображают как связку динамита и будильник, хотя настоящая взрывчатка и детонаторы самодеятельным террористам обычно недоступны. А профессиональным террористам — финансируемым из мощного центра — доступны армейские образцы, совсем не похожие на будильник.

Турбийон[править]

На самом деле, идея турбийона была довольно простой: если спусковой механизм накапливает ошибки, когда его долго держат вверх ногами или просто под наклоном — то почему бы не вращать его вокруг своей оси, чтобы эту ошибку компенсировать? Сказано — сделано. Балансир и анкер вынесли на отдельную площадку, которая вращается с небольшим периодом (в современных часах это 30 секунд). В результате если часами не машут, а просто держат подолгу под разными углами (рука лежит на столе, на подлокотнике кресла, на руле, на колене красивой девушки), накапливающиеся ошибки вполне компенсируют друг друга, немного увеличивая точность хода. А вот для настольных и настенных часов турбийон не нужен, у них положение в пространстве постоянно, и достаточно сразу рассчитывать механизм на определённое направление «вниз», а вот избыток сложных деталей не только увеличивает цену, но и снижает долговечность.

Всё это не отменяет того, что турбийон — особенно современный трёхосный открытый — это завораживающе красиво.

Кулачковый механизм[править]

Кулачковый механизм

Кулачковый механизм позволяет пристроить к чисто механическому устройству какую-то «программу»: руку сюда, потом ногу сюда… Программа записывается формой особой детали — кулачка. Толкатель, проходя по кулачку, копирует эту форму. Если есть несколько рабочих органов, используется пакет кулачков, каждый управляет своим органом.

Кулачковый механизм есть в любом автомобиле (кроме некоторых спортивных), отвечает он за открытие клапанов. Долгое время кулачки управляли светофорами. Нагрузок кулачковый механизм не любит, и часто его команды усиливаются гидро- или электроприводами.

Все автоматы, которыми гениальные часовщики развлекали публику, работают на кулачковых механизмах. Некоторые из них даже позволяют замену «программ».

Примечания[править]

  1. Соответствие модели оригиналу. Даже если рычаг подвески никак не действует, а люк не открывается, он должен быть, надлежащего вида и цвета.
  2. Кто не в курсе: CN — это цианид. Содержимое квадратных скобок работает единым ионом, т. е. цианогруппы связаны. И мы это едим — в небольших, правда, количествах — как антислёживающую добавку к соли.
  3. Запрещается снимать размеры с «синек» циркулем или линейкой, деталировать (делать чертежи деталей, снимая недостающие размеры с чертежа) «синьки» сборочных чертежей. Ориентироваться можно только по тем размерам, которые проставлены цифрами. Вообще-то в точном машиностроении с экзотическими материалами и допусками в ничтожные доли миллиметра не деталируют ничего и никогда, даже с действующего изделия тяжело сделать чертёж, чтобы было взаимозаменяемо — но с «синек» нельзя снимать размеры, даже если это чертёж мясорубки.
  4. Коэффициент полезного действия. Какой процент энергии реально используется — а не улетает в дымовую трубу, расходуется на трение и так далее.