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《機械問題》中，就闡述了用青銅或鑄鐵齒輪傳遞旋轉(zhuǎn)運動的問題。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邊緣上均勻地插上銷子，使它與銷輪嚙合，他把這種機構(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，在里程計中使用了齒輪。公元1世紀(jì)時，羅馬的建筑家畢多畢斯制作的水車式制粉機上也使用了齒輪傳動裝置。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。三國時期出現(xiàn)的指南車和記里鼓車已采用齒輪傳動系統(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力傳遞給石磨的。史書中關(guān)于齒輪傳動系統(tǒng)的最早記載，是對唐代一行、梁令瓚于 725年制造的水運渾儀的描述。北宋時制造的水運儀象臺（見中國古代計時器）運用了復(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，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提出輪齒接觸點的公法線必須通過中心連線上的節(jié)點。一條輔助瞬心線分別沿大輪和小輪的瞬心線(節(jié)圓)純滾動時，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)用作出貢獻的是ROTEFT WULLS，他提出中心距變化時，漸開線齒輪具有角速比不變的優(yōu)點。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。切齒時只要將切齒工具從正常的嚙合位置稍加移動，就能用標(biāo)準(zhǔn)刀具在機床上切出相應(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，后來，英國BSS、美國AGMA、德國DIN相繼對齒輪變位提出了多種計算方法。

       為了提高動力傳動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械零件，它在機械傳動及整個機械領(lǐng)域中的應(yīng)用極其廣泛?，F(xiàn)代齒輪技術(shù)已達到：齒輪模數(shù)0.004～100毫米；齒輪直徑由1毫米～150米；傳遞功率可達上十萬千瓦；轉(zhuǎn)速可達幾十萬轉(zhuǎn)/分；最高的圓周速度達300米/秒。

       隨著生產(chǎn)的發(fā)展，齒輪運轉(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，以得到運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的齒輪。

       18世紀(jì)工業(yè)革命時期，齒輪技術(shù)得到高速發(fā)展，人們對齒輪進行了大量的研究。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)的滾齒機和插齒機，解決了大量生產(chǎn)高精度齒輪的問題。1900年，普福特為滾齒機裝上差動裝置，能在滾齒機上加工出斜齒輪，從此滾齒機滾切齒輪得到普及，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，還有待進一步改進。