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齿轮的发展历史起源

发布时间:2018-06-09

       

出土的古希腊齿轮装置

      在西方,公元前300年古希腊哲学家亚里士多德在《机械问题》中,就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。希腊著名学者亚里士多德和阿基米德都研究过齿轮,希腊有名的发明家古蒂西比奥斯在圆板工作台边缘上均匀地插上销子,使它与销轮啮合,他把这种机构应用到刻漏上。这约是公元前150年的事。在公元前100年,亚历山人的发明家赫伦发明了里程计,在里程计中使用了齿轮。公元1世纪时,罗马的建筑家毕多毕斯制作的水车式制粉机上也使用了齿轮传动装置。到14世纪,开始在钟表上使用齿轮。


汉初青铜人字形齿轮

       东汉初年(公元 1世纪)已有人字齿轮。三国时期出现的指南车和记里鼓车已采用齿轮传动系统。晋代杜预发明的水转连磨就是通过齿轮将水轮的动力传递给石磨的。史书中关于齿轮传动系统的最早记载,是对唐代一行、梁令瓒于 725年制造的水运浑仪的描述。北宋时制造的水运仪象台(见中国古代计时器)运用了复杂的齿轮系统。明代茅元仪著《武备志》(成书于1621年)记载了一种齿轮齿条传动装置。1956年发掘的河北安午汲古城遗址中,发现了铁制棘齿轮,轮直径约80毫米,虽已残缺,但铁质较好,经研究,确认为是战国末期(公元前3世纪)到西汉(公元前206~公元24年)期间的制品。1954年在山西省永济县蘖家崖出土了青铜棘齿轮。参考同坑出土器物,可断定为秦代(公元前221~前206)或西汉初年遗物,轮40齿,直径约25毫米。关于棘齿轮的用途,迄今未发现文字记载,推测可能用于制动,以防止轮轴倒转。1953年陕西省长安县红庆村出土了一对青铜人字齿轮。根据墓结构和墓葬物品情况分析,可认定这对齿轮出于东汉初年。两轮都为24齿,直径约15毫米。衡阳等地也发现过同样的人字齿轮。


       早在1694年,法国学者PHILIPPE DE LA HIRE首先提出渐开线可作为齿形曲线。1733年,法国人M.CAMUS提出轮齿接触点的公法线必须通过中心连线上的节点。一条辅助瞬心线分别沿大轮和小轮的瞬心线(节圆)纯滚动时,与辅助瞬心线固联的辅助齿形在大轮和小轮上所包络形成的两齿廓曲线是彼此共轭的,这就是CAMUS定理。它考虑了两齿面的啮合状态;明确建立了现代关于接触点轨迹的概念。1765年,瑞士的L.EULER提出渐开线齿形解析研究的数学基础,阐明了相啮合的一对齿轮,其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系。后来,SAVARY进一步完成这一方法,成为EU-LET-SAVARY方程。对渐开线齿形应用作出贡献的是ROTEFT WULLS,他提出中心距变化时,渐开线齿轮具有角速比不变的优点。1873年,德国工程师HOPPE提出,对不同齿数的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形,从而奠定了现代变位齿轮的思想基础。


       19世纪末,展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与刀具的相继出现,使齿轮加工具备较完备的手段后,渐开线齿形更显示出巨大的优越性。切齿时只要将切齿工具从正常的啮合位置稍加移动,就能用标准刀具在机床上切出相应的变位齿轮。1908年,瑞士MAAG研究了变位方法并制造出展成加工插齿机,后来,英国BSS、美国AGMA、德国DIN相继对齿轮变位提出了多种计算方法。


       为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸,除从材料,热处理及结构等方面改进外,圆弧齿形的齿轮获得了发展。1907年,英国人FRANK HUMPHRIS最早发表了圆弧齿形。1926年,瑞土人ERUEST WILDHABER取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。1955年,苏联的M.L.NOVIKOV完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。1970年,英国ROLH—ROYCE公司工程师R.M.STUDER取得了双圆弧齿轮的美国专利。这种齿轮现已日益为人们所重视,在生产中发挥了显著效益。


       齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件,它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。现代齿轮技术已达到:齿轮模数0.004~100毫米;齿轮直径由1毫米~150米;传递功率可达上十万千瓦;转速可达几十万转/分;最高的圆周速度达300米/秒。


       随着生产的发展,齿轮运转的平稳性受到重视。1674年丹麦天文学家罗默首次提出用外摆线作齿廓曲线,以得到运转平稳的齿轮。


       18世纪工业革命时期,齿轮技术得到高速发展,人们对齿轮进行了大量的研究。1733年法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律;1765年瑞士数学家欧拉建议采用渐开线作齿廓曲线。


       19世纪出现的滚齿机和插齿机,解决了大量生产高精度齿轮的问题。1900年,普福特为滚齿机装上差动装置,能在滚齿机上加工出斜齿轮,从此滚齿机滚切齿轮得到普及,展成法加工齿轮占了压倒优势,渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。


      1899年,拉舍最先实施了变位齿轮的方案。变位齿轮不仅能避免轮齿根切,还可以凑配中心距和提高齿轮的承载能力。1923年美国怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮,1955年苏诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究,圆弧齿轮遂得以应用于生产。这种齿轮的承载能力和效率都较高,但尚不及渐开线齿轮那样易于制造,还有待进一步改进。


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