齒輪的發(fā)展歷史起源

出土的古希臘齒輪裝置

      在西方，公元前300年古希臘哲學(xué)家亞里士多德在《機(jī)械問題》中，就闡述了用青銅或鑄鐵齒輪傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的問題。希臘著名學(xué)者亞里士多德和阿基米德都研究過齒輪，希臘有名的發(fā)明家古蒂西比奧斯在圓板工作臺(tái)邊緣上均勻地插上銷子，使它與銷輪嚙合，他把這種機(jī)構(gòu)應(yīng)用到刻漏上。這約是公元前150年的事。在公元前100年，亞歷山人的發(fā)明家赫倫發(fā)明了里程計(jì)，在里程計(jì)中使用了齒輪。公元1世紀(jì)時(shí)，羅馬的建筑家畢多畢斯制作的水車式制粉機(jī)上也使用了齒輪傳動(dòng)裝置。到14世紀(jì)，開始在鐘表上使用齒輪。

漢初青銅人字形齒輪

       東漢初年（公元 1世紀(jì)）已有人字齒輪。三國時(shí)期出現(xiàn)的指南車和記里鼓車已采用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。晉代杜預(yù)發(fā)明的水轉(zhuǎn)連磨就是通過齒輪將水輪的動(dòng)力傳遞給石磨的。史書中關(guān)于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的最早記載，是對唐代一行、梁令瓚于 725年制造的水運(yùn)渾儀的描述。北宋時(shí)制造的水運(yùn)儀象臺(tái)（見中國古代計(jì)時(shí)器）運(yùn)用了復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)。明代茅元儀著《武備志》（成書于1621年）記載了一種齒輪齒條傳動(dòng)裝置。1956年發(fā)掘的河北安午汲古城遺址中，發(fā)現(xiàn)了鐵制棘齒輪，輪直徑約80毫米，雖已殘缺，但鐵質(zhì)較好，經(jīng)研究，確認(rèn)為是戰(zhàn)國末期（公元前3世紀(jì)）到西漢(公元前206～公元24年)期間的制品。1954年在山西省永濟(jì)縣蘗家崖出土了青銅棘齒輪。參考同坑出土器物，可斷定為秦代(公元前221～前206)或西漢初年遺物，輪40齒，直徑約25毫米。關(guān)于棘齒輪的用途，迄今未發(fā)現(xiàn)文字記載，推測可能用于制動(dòng)，以防止輪軸倒轉(zhuǎn)。1953年陜西省長安縣紅慶村出土了一對青銅人字齒輪。根據(jù)墓結(jié)構(gòu)和墓葬物品情況分析，可認(rèn)定這對齒輪出于東漢初年。兩輪都為24齒，直徑約15毫米。衡陽等地也發(fā)現(xiàn)過同樣的人字齒輪。

       早在1694年，法國學(xué)者PHILIPPE DE LA HIRE首先提出漸開線可作為齒形曲線。1733年，法國人M.CAMUS提出輪齒接觸點(diǎn)的公法線必須通過中心連線上的節(jié)點(diǎn)。一條輔助瞬心線分別沿大輪和小輪的瞬心線(節(jié)圓)純滾動(dòng)時(shí)，與輔助瞬心線固聯(lián)的輔助齒形在大輪和小輪上所包絡(luò)形成的兩齒廓曲線是彼此共軛的，這就是CAMUS定理。它考慮了兩齒面的嚙合狀態(tài)；明確建立了現(xiàn)代關(guān)于接觸點(diǎn)軌跡的概念。1765年，瑞士的L．EULER提出漸開線齒形解析研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，闡明了相嚙合的一對齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關(guān)系。后來，SAVARY進(jìn)一步完成這一方法，成為EU-LET-SAVARY方程。對漸開線齒形應(yīng)用作出貢獻(xiàn)的是ROTEFT WULLS，他提出中心距變化時(shí)，漸開線齒輪具有角速比不變的優(yōu)點(diǎn)。1873年，德國工程師HOPPE提出，對不同齒數(shù)的齒輪在壓力角改變時(shí)的漸開線齒形，從而奠定了現(xiàn)代變位齒輪的思想基礎(chǔ)。

       19世紀(jì)末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機(jī)床與刀具的相繼出現(xiàn)，使齒輪加工具備較完備的手段后，漸開線齒形更顯示出巨大的優(yōu)越性。切齒時(shí)只要將切齒工具從正常的嚙合位置稍加移動(dòng)，就能用標(biāo)準(zhǔn)刀具在機(jī)床上切出相應(yīng)的變位齒輪。1908年，瑞士MAAG研究了變位方法并制造出展成加工插齒機(jī)，后來，英國BSS、美國AGMA、德國DIN相繼對齒輪變位提出了多種計(jì)算方法。

       為了提高動(dòng)力傳動(dòng)齒輪的使用壽命并減小其尺寸，除從材料，熱處理及結(jié)構(gòu)等方面改進(jìn)外，圓弧齒形的齒輪獲得了發(fā)展。1907年，英國人FRANK HUMPHRIS最早發(fā)表了圓弧齒形。1926年，瑞土人ERUEST WILDHABER取得法面圓弧齒形斜齒輪的專利權(quán)。1955年，蘇聯(lián)的M．L．NOVIKOV完成了圓弧齒形齒輪的實(shí)用研究并獲得列寧勛章。1970年，英國ROLH—ROYCE公司工程師R．M．STUDER取得了雙圓弧齒輪的美國專利。這種齒輪現(xiàn)已日益為人們所重視，在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著效益。

       齒輪是能互相嚙合的有齒的機(jī)械零件，它在機(jī)械傳動(dòng)及整個(gè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用極其廣泛。現(xiàn)代齒輪技術(shù)已達(dá)到：齒輪模數(shù)0.004～100毫米；齒輪直徑由1毫米～150米；傳遞功率可達(dá)上十萬千瓦；轉(zhuǎn)速可達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)/分；最高的圓周速度達(dá)300米/秒。

       隨著生產(chǎn)的發(fā)展，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性受到重視。1674年丹麥天文學(xué)家羅默首次提出用外擺線作齒廓曲線，以得到運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的齒輪。

       18世紀(jì)工業(yè)革命時(shí)期，齒輪技術(shù)得到高速發(fā)展，人們對齒輪進(jìn)行了大量的研究。1733年法國數(shù)學(xué)家卡米發(fā)表了齒廓嚙合基本定律；1765年瑞士數(shù)學(xué)家歐拉建議采用漸開線作齒廓曲線。

       19世紀(jì)出現(xiàn)的滾齒機(jī)和插齒機(jī)，解決了大量生產(chǎn)高精度齒輪的問題。1900年，普福特為滾齒機(jī)裝上差動(dòng)裝置，能在滾齒機(jī)上加工出斜齒輪，從此滾齒機(jī)滾切齒輪得到普及，展成法加工齒輪占了壓倒優(yōu)勢，漸開線齒輪成為應(yīng)用最廣的齒輪。

      1899年，拉舍最先實(shí)施了變位齒輪的方案。變位齒輪不僅能避免輪齒根切，還可以湊配中心距和提高齒輪的承載能力。1923年美國懷爾德哈伯最先提出圓弧齒廓的齒輪，1955年蘇諾維科夫?qū)A弧齒輪進(jìn)行了深入的研究，圓弧齒輪遂得以應(yīng)用于生產(chǎn)。這種齒輪的承載能力和效率都較高，但尚不及漸開線齒輪那樣易于制造，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。