Электродвигатель – странный работник. Он охотно крутится со скоростью полторы-три тысячи оборотов в минуту, но попробуйте заставить его напрямую поднять груз или провернуть барабан бетономешалки – двигатель заскулит и остановится. Оборотов у него в избытке, силы на валу – кот наплакал. А производству нужно наоборот: медленно и мощно. Конвейер ползёт со скоростью 10 метров в минуту, миксер месит на шестидесяти оборотах, лебёдка тянет трос еле-еле, зато с усилием в тонны.

Между «быстро и слабо» и «медленно и сильно» стоит чугунная коробка с валами и шестеренками – редуктор. Разберём, что происходит у неё внутри.

Если вы ездили на велосипеде с передачами, вы пользовались механизмом с тем же принципом – коробкой передач, только настраиваемой. Включаете низкую передачу в горку: педали крутятся часто и легко, колесо – медленно, зато велосипед уверенно ползёт вверх. Включаете высокую на спуске: педали еле шевелятся, колесо летит.

В основе то же правило рычага, которому тысячи лет: проигрываешь в скорости – выигрываешь в силе, и ровно во столько же раз. Редуктор выполняет этот обмен шестернями. Маленькая шестерня на валу двигателя цепляет большую: пока маленькая с двадцатью зубьями делает полный оборот, большая с сотней зубьев проворачивается на пятую часть. Обороты упали в пять раз – крутящий момент на большом колесе вырос почти в пять раз. «Почти» – потому что часть энергии съедает трение, но у хорошей зубчатой пары потери всего 1–2%.

Число, во сколько раз падают обороты, называется передаточным. У пары «20 и 100 зубьев» оно равно пяти. Больше редуктор ничего принципиального не делает: вся его работа – умножить крутящий момент на это число, поделив на него же скорость.

Одна зубчатая пара разумно даёт передаточное число до 6-8. Дальше маленькая шестерня становится слишком маленькой (зубья слабеют), большая – неприлично большой. А производству нужны передаточные числа и 20, и 50, и 200.

Решение – ступени. Две пары друг за другом перемножают свои числа: первая делит обороты на пять, вторая ещё на пять – итого двадцать пять. Трёхступенчатый редуктор с парами по 5 даёт 125. Поэтому внутри типового редуктора работает каскад: валы стоят друг за другом, каждый крутится медленнее предыдущего – и толще предыдущего, потому что момент на нём вырос. Взгляните на любой редуктор в разрезе: входной вал тонкий, как карандаш, выходной – с руку. Это и есть умножение момента, отлитое в металле.

Цилиндрическая передача – рабочая лошадь машиностроения: валы параллельны, зубья прямые или косые. КПД до 98 % на ступень, огромные мощности, долгий ресурс. Косой зуб тише прямого и держит больше, за это платит осевой силой, которую приходится воспринимать подшипникам.

Коническая передача поворачивает поток мощности на 90 градусов – когда двигатель удобнее поставить поперёк механизма. По эффективности близка к цилиндрической, но дороже и капризнее в сборке: коническая пара требует точной регулировки пятна контакта.

Червячная передача – особый случай. Винт (червяк) цепляет колесо; одна ступень легко даёт передаточное число 40–80. Компактно и дёшево, но за компактность заплачено трением скольжения: КПД падает до 60–85 %, и вся разница уходит в нагрев – вот почему червячные редукторы горячее остальных и чувствительнее к маслу.

У трения есть и вторая сторона. Однозаходные червяки с малым углом подъёма витка обладают самоторможением: такую пару нельзя провернуть со стороны колеса – трение в зацеплении её запирает. Здесь же спрятан компромисс: чем больше заходов и круче угол подъёма, тем выше КПД – и тем дальше пара от самоторможения; выбрать одновременно и экономичность, и самозапирание нельзя. Важная оговорка по безопасности: полагаться на самоторможение вместо тормоза в грузоподъёмных механизмах нельзя – при вибрации и хорошей смазке оно ненадёжно, поэтому нормы для лебёдок и подъёмников требуют тормоз в любом случае, а самоторможение остаётся приятной подстраховкой, не более.

Планетарная передача – для тех, кому нужна мощность в малом объёме: несколько шестерён-сателлитов делят нагрузку между собой, как несколько рук на одной рукоятке. Компактность автоматических коробок передач и мотор-колёс – её заслуга.

Внутри коробки, кроме шестерён, живут вещи, от которых ресурс зависит сильнее, чем от самих зубьев.

Масло. Зубья не касаются друг друга напрямую: между ними масляная плёнка толщиной в микроны. Уйдёт плёнка – металл встретит металл, и передача съест себя за часы. Уровень и чистота масла для редуктора то же, что кровь для организма.

Подшипники. Каждый вал стоит на двух опорах, и подшипники принимают всё: и вес, и силы в зацеплении, и ту самую осевую от косых зубьев. По статистике отказов редукторов подшипники уходят первыми – чаще, чем зубья.

Точность. Пятно контакта зубьев рассчитано на определённое взаимное положение валов. Погнулся корпус, просел фундамент, разбилась посадка подшипника – пятно уезжает на край зуба, и нагрузка, рассчитанная на всю ширину, давит на кромку. Дальше выкрашивание и стук.

Отсюда простое следствие для владельца техники: редуктор редко умирает от старости зубьев. Он умирает от грязного масла, уставших подшипников и потерянной соосности – то есть от вещей, которые ловятся на слух, на ощупь и по капле масла задолго до поломки.