Что такое прецессия?
Прецессия — это механическое явление, которое возникает при взаимодействии вращающихся деталей, когда одна из них начинает катиться по окружности другой. Такое движение происходит из-за слишком большого зазора между деталями и наличия радиальной силы, которая постоянно меняет направление. Интересно, что направление вращения внутренней части противоположно направлению радиальной силы. Это явление можно наблюдать в различных механизмах, таких как двигатели, зубчатые передачи и подшипники.
Причины прецессии во вращающихся машинах
Во вращающихся машинах, например, в двигателях или зубчатых передачах, прецессия часто возникает из-за большого зазора между валом и втулкой или между дорожками качения и телами качения в подшипниках. Причиной может быть износ деталей, недостаточная смазка или неточная сборка. Такая прецессия сопровождается вибрацией, шумом и ускоренным износом деталей, что в конечном итоге может привести к повреждениям, таким как трещины или истирание контактных поверхностей.
Прецессия в неподвижных частях
В неподвижных частях вращающегося объекта, например, в болте, ввинченном в отверстие, прецессия может проявляться по-другому. Если боковая или радиальная нагрузка постоянно меняет положение, она преобразуется в силу качения, которая движется в направлении, противоположном вращению. Это может привести к затягиванию или ослаблению резьбовых соединений, в зависимости от направления вращения. Например, в велосипедных педалях используется левая резьба на левой педали, чтобы предотвратить её откручивание во время езды. Это решение было внедрено ещё в 1930-х годах и до сих пор применяется в современных велосипедах.
Прецессия, вызванная контактными силами
Прецессия, вызванная контактными силами, не зависит от инерции и не связана с другими видами прецессии, такими как прецессия без крутящего момента или прецессия, вызванная крутящим моментом. Это явление обусловлено исключительно взаимодействием деталей и может приводить к серьёзным последствиям, например, к самоотвинчиванию креплений под действием больших крутящих моментов.
Примеры использования левой резьбы
В автомобилях также используются гайки с левой резьбой на левых колесах, чтобы предотвратить их откручивание. Однако в современных автомобилях чаще применяются гайки с конической резьбой, которые не подвержены прецессии. Это решение позволяет избежать проблем, связанных с ослаблением креплений.
Велосипедные педали — ещё один пример использования левой резьбы для предотвращения прецессии. Крутящий момент, возникающий из-за прецессии, значительно превышает трение подшипника или даже заклинивание педали. Это делает левую резьбу эффективным решением для предотвращения откручивания педалей.
Эластичность материалов и прецессия
Интересно, что даже плотно прилегающие детали имеют относительный зазор из-за своей эластичности. Металлы не являются абсолютно жёсткими материалами, что видно на примере стальных пружин. Под нагрузкой в соединениях возникают микродеформации, которые могут привести к движению. Это хорошо видно по следам износа на поверхностях деталей.
Прецессия в велосипедных компонентах
В велосипедных компонентах, таких как оси Shimano SPD, также используется левая резьба для предотвращения откручивания. Осевой узел ввинчивается в правую педаль, что предотвращает прецессия корпуса педали вокруг оси. В противном случае прецессия могла бы способствовать откручиванию одной педали от другой.
Нижние кронштейны велосипеда с английской резьбой имеют левую резьбу на правой стороне, что противоположно педалям. Это связано с тем, что относительное движение между деталями происходит в противоположном направлении. Каретки с итальянской и французской резьбой, напротив, имеют правую резьбу с обеих сторон.
Прецессия в шлицевых звездочках
Шлицевые звездочки также подвержены прецессии, что может привести к их откручивания от ступицы. Для предотвращения этого Shimano использует стопорное кольцо с фиксаторами, которое удерживает кассетные звездочки на месте. В прошлом компания Sturmey-Archer использовала 12-шлицевые звездочки для 2- и 3-скоростных втулок, которые фиксировались стопорным кольцом с левой резьбой. В велосипедах с фиксированной передачей также используется стопорное кольцо с левой резьбой, но это связано с предотвращением откручивания звездочки, а не с прецессией.
Прецессия в механической коробке передач
В механической коробке передач шестерня, опирающаяся на подшипники, вращается синхронно со своим валом за счёт зацепления собачьей шестерни. Небольшой диаметральный зазор в подшипнике может вызвать прецессию группы роликов относительно шестерни. Это уменьшает износ, так как ролики подшипника не всегда давят на одно и то же место шестерни. Обычно функции, вызывающие прецессию, присутствуют на 4-й и 5-й передачах, так как автомобили проводят на этих передачах больше времени. Выход из строя коробки передач из-за отсутствия прецессии возможен при длительном использовании пониженных передач.
Как прецессия влияет на подшипники?
Подшипники — это ключевые элементы многих механизмов, и их правильная работа зависит от отсутствия прецессии. В роликовых и шариковых подшипниках прецессия может возникать из-за большого зазора между дорожками качения и телами качения. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки и ускоренному износу. Чтобы предотвратить это, важно использовать подшипники с минимальным зазором и обеспечивать их регулярную смазку.
Прецессия в зубчатых передачах
В зубчатых передачах прецессия может возникать из-за неправильного зацепления зубьев или износа шестерён. Это приводит к вибрации, шуму и снижению эффективности передачи. Для предотвращения прецессии необходимо следить за точностью изготовления шестерён и своевременно заменять изношенные детали.
Прецессия в резьбовых соединениях
Резьбовые соединения особенно подвержены прецессии, если они испытывают переменные нагрузки. Это может привести к ослаблению креплений и их откручиванию. Для предотвращения этого используются специальные решения, такие как левая резьба или коническая резьба, которые минимизируют риск прецессии.
Как избежать прецессии?
Чтобы избежать прецессии, важно учитывать несколько факторов:
Точность изготовления деталей
Минимальные зазоры и точная подгонка деталей снижают риск прецессии.
Регулярная смазка
Достаточное количество смазки уменьшает трение и износ.
Использование специальных решений
Левая резьба, стопорные кольца и другие меры помогают предотвратить прецессию.
Регулярное техническое обслуживание
Своевременная замена изношенных деталей и проверка механизмов позволяют избежать проблем.