SCURT ISTORIC AL EVOLUTIEI ANGRENAJELOR

Dintre miscarile posibile in tehnica, miscarea de rotatie s-a dovedit a fi miscarea fundamentala in geneza si evolutia mecanismelor. Roata, una dintre cele mai vechi si importante inventii a omului, a constituit si constituie si astazi elementul fundamental in structura mecanismelor. In multimea de mecanisme destinate transmiterii si transformarii miscarii de rotatie, cel mai important loc il ocupa mecanismele cu roti dintate.

GENEZA ANGRENAJELOR IN ANTICHITATE

Data inventiei rotii dintate se pierde, ca si alte inventii fundamentale, in istorie. Cu aproape 2000 de ani i.Hr. erau cunoscute roti cu proeminete (dinti), care erau folosite ca ornamente si bijuterii.

Fig.1.1

Cea mai veche opera scrisa, in care sunt descrise sau amintite "dispozitive mecanice" ca: parghia, cumpana de fantana cu contragreutate, balanta cu brate egale, clestele, pana, manivela, catapulta, cilindrul-tavalug, scripetele, roata de olar si "rotile de bronz si fier pentru inversarea miscarii de rotatie" (de fapt, angrenajele), ii este atribuita lui Aristotel din Stagira (384-322 i.Hr.) si se numeste "Probleme de mecanica".

Un merit incontestabil al lui Aristotel este acela ca a modelat miscarea angrenajelor prin cercuri tangente in miscare de rostogolire.

Chinezii, in jurul anului 260 i.Hr., foloseau angrenajele. Un exemplu in acest sens este reprezentat de "carul aratator al sudului" (fig.1.1). Din analiza acestui mecanism, rezulta ca in secolul al III-lea i.Hr., in China, erau cunoscute angrenajele cu axe paralele (fig.1.2, b) si cele cu axe perpendiculare (fig.1.2, c).

Heron din Alexandria (sec. I i.Hr.) poate fi considerat cel mai remarcabil inginer mecanic al antichitatii. Intre lucrarile sale de mecanica, mai cunoscuta este cea intitulata "Automatele", in care descrie o serie de mecanisme si jucarii automate actionate de scripeti, roti dintate si de miscarile ascensionale ale vaporilor sau apei calde.

Explicand solutia problemei "cum se poate ridica o greutate data cu ajutorul unei forte date", Pappus din Alexandria (sec. al III-lea), referindu-se la Heron, a descris "reductorul" din figura 1.3, format prin inserierea unui angrenaj surub-roata cu patru angrenaje cilindrice; acest mecanism, asa cum afirma Pappus, este atribuit de Heron, lui Arhimede (250 i.C.).

Fig.1.3

In figura 1.4, este reprezentat reductorul surub-roata, utilizat pentru ridicarea greutatilor, asa cum a fost desenat ulterior, dupa descrierea amanuntita a lui Heron.

M. P. Vitruvius (16 i.Hr.) a descris amanuntit prima moara cu angrenaj cu bolturi, in care rotile au axele perpendiculare si in care, ca urmare, era posibila utilizarea rotii cu ax orizontal ca sursa motoare (fig.1.5). Astfel de angrenaje au fost utilizate la mori, peste 15 secole.

Dupa perioada de inflorire si de avant a stiintei si tehnicii antice, in Europa a urmat o indelungata perioada de stagnare a progresului tehnic. Din cate cunoastem astazi, in primele 14 secole ale erei noastre nu se pot constata progrese semnificative in domeniul constructiei de masini. In toata aceasta perioada s-a utilizat, in cazul in care nu a fost data uitarii, zestrea tehnico-stiitifica a antichitatii.

EVOLUTIA ANGRENAJELOR IN PERIOADA

RENASTERII SI POST RENASTERII

Trezirea la o noua viata, la un nou avant spiritual si tehnic, are loc in Renastere. Cel care a intrunit pasiunea cunoasterii stiitifice a neobositului cercetator, inventator si experimentor, cu darurile de creatie ale artistului, devenind cel mai remarcabil prototip de om al Renasterii, a fost Leonardo da Vinci (1452-1519). Bun cunoscator al infaptuirilor predecesorilor, Leonardo da Vinci este, pentru multe domenii ale stiintei si tehnicii mecanice, o sursa, insuficient cunoscuta si valorificata, de informare si creativitate in domeniul mecanismelor si masinilor.

Fig.1.6

Schitele din figura 1.6, care se refera la angrenaje, sunt un exemplu elocvent al modului in care Leonardo da Vinci isi nota ideile prin desene simple si clare pe care le insotea uneori de succinte explicatii (scrise, in oglinda, cu mana stanga).

In lucrarea cu caracter enciclopedic "De re metalica" a lui G. Agricola, aparuta in 1556 la Basel, sunt continute numeroase ilustratii care se refera la angrenaje cu bolturi, angrenaje aplicate, in special, in industria mineritului (fig.1.7). Din analiza acestei lucrari se deduce ca in secolul al XVI-lea spre deosebire de antichitate, rotile erau metalice, iar bolturile, care erau de otel, se fixau in roata prin insurubare.

In 1588 a aparut, la Paris, opera "Le diverse et artificiose machine" a lui A. Ramelli, discipol al lui Leonardo da Vinci si remarcabil reprezentant al scolii acestuia. Din studiul operei lui Ramelli, rezulta ca acesta cunostea: angrenajele cu bolturi roata-roata si roata-cremaliera si angrenajele surub-roata si surub-cremaliera.

Unul dintre principalele domenii care au stimulat progresul angrenajelor cilindrice si in special al geometriei dintilor a fost orologeria mecanica. Inventia hotaratoare in acest domeniu ii apartine lui Christian Huygens (1642-1695), matematician si astronom, si este regulatorul de miscare sub forma de pendul. Sub indicatiile directe ale lui Huygens, orologierul Solomon Coster a construit in 1657 prototipul (fig.1.8) din care, practic, deriva toate orologiile ulterioare.

DIVERSIFICAREA ANGRENAJELOR IN PERIOADA

REVOLUTIEI INDUSTRIALE

Lucrarea lui J. Leupold, "Teatrum machinarium" (Leipzig, 1742), in noua volume, prezinta stadiul la care s-a ajuns la inceputul sec. al XVIII-lea in domeniul constructiei de masini. Angrenajele utilizate pentru transmiterea puterii mecanice erau, in general, cu bolturi.

Pana spre sfarsitul secolului al XVIII-lea, pe langa orologeria mecanica, domeniile care au stimulat preocuparile de perfectionare ale angrenajelor au fost, in principal, constructiile de mori de apa si eoliene, de pompe necesare in irigatii si in industria miniera, de utilaje pentru extragerea si transportul minereului si de utilaje necesare industriei de prelucrare a metalelor.

Hotaratoare in desavarsirea revolutiei industriale a fost innoirea bazei energetice, care s-a realizat prin inventarea si aplicarea motorului cu abur, de catre J. Watt, care l-a brevetat in 1784. Utilizarea noii surse de energie a facut posibila declansarea preocuparilor de utilizare a acesteia in mijloacele de transport terestre si navale. Perfectionarea acestor mijloace de transport nu a fost posibila fara utilizarea angrenajelor si implicit a masinilor-unelte. In fig.1.9 este ilustrat principiul de functionare al unei locomotive cu abur, cu roti motoare dintate, pe sine dintate, asa cum se utiliza in 1880.

La sfarsitul secolului al XIX-lea, odata cu perfectionarea motoarelor cu ardere interna, infaptuita, in principal, de N. Otto si R. Diesel, punerea bazei industriei de automobile a stimulat dezvoltarea teoriei si tehnologiei de prelucrare a rotilor dintate. K. Benz, parintele automobilului, a aplicat pentru prima data, in 1886, mecanismul diferential. Cel care a utilizat cutia de viteze cu patru trepte, reductorul si diferentialul cu roti conice in transmisia automobilului (fig.1.10) a fost Peugeot, in 1890.

Fondatorii geometriei moderne a danturii angrenajelor sunt matematicienii Ph. de la Hire (1640-1718), Ch. E. L. Camus (1690-1768) si Leonard Euler (1717-1783). In timp ce primii doi au contributii remarcabile in domeniul angrenajelor cicloidale, Euler este cel care a propus, pentru prima data, utilizarea angrenajelor evolventice.

In cristalizarea si evolutia teoriei mecanismelor, in general, si a teoriei angrenajelor, in particular, contributia lui Robert Willis (1800-1875), profesor la Universitatea din Cambridge, a fost hotaratoare. Manualul sau, "Principles of Mechanisms", aparut la Londra in 1841, reprezinta o opera de referinta in domeniul geometriei angrenajelor, reusind sa elaboreze o teorie inchegata in acest domeniu. Contributiile remarcabile ale lui Willis in teoria angrenajelor se refera la elaborarea unei sistematizari a angrenajelor si introducerea unor notiuni (cerc de divizare, modul) si notatii specifice proiectarii ingineresti a acestor organe de masini.

Angrenajul cilindric cu dantura inclinata exista in schitele lui Leonardo da Vinci, dar in forma lor actuala, aceste angrenaje au fost propuse de R. Hooke, in 1660, fiind ulterior perfectionat de J. White, care l-a si brevetat in 1808.

Calculul de rezistenta al angrenajelor a fost fundamentat de Thomas Tredgold, in 1822, contributii importante in acest domeniu avand si Wilfred Lewis (1854-1929), la calculul angrenajelor la solicitarea de incovoiere si Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), cel care a elaborat teoria solicitarii la presiune de contact, utlizata si in prezent ca model de calcul pentru angrenaje.