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齒輪發展史
2015-07-16 14:23 點擊:

 
 據史料記載,遠在公元前400~200年的中國古代就巳開始使用齒輪,在我國山西出土的青銅齒輪是迄今巳發現的最古老齒輪,作為反映古代科學技術成就的指南車就是以齒輪機構為核心的機械裝置。17世紀末,人們才開始研究,能正確傳遞運動的輪齒形狀。18世紀,歐洲工業革命以后,齒輪傳動的應用日益廣泛;先是發展擺線齒輪,而后是漸開線齒輪,一直到20世紀初,漸開線齒輪已在應用中占了優勢。
 
早在1694年,法國學者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點。一條輔助瞬心線分別沿大輪和小輪
的瞬心線(節圓)純滾動時,與輔助瞬心線固聯的輔助齒形在大輪和小輪上所包絡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;明確建立了現代關于接觸點軌跡的
概念。1765年,瑞士的L.Euler提出漸開線齒形解析研究的數學基礎,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系。后來,Savary進一步完成這一方法,成為現在的Eu-let-Savary方程。對漸開線齒形應用作出貢獻的是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點。1873年,德國工程師Hoppe提出,對不同齒數的齒輪在壓力角改變時的漸開線齒形,從而奠定了現代變位齒輪的思想基礎。
 
19世紀末,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,使齒輪加工具軍較完備的手段后,漸開線齒形更顯示出巨大的優走性。切齒時只要將切齒工具從正常的嚙合位置稍加移動,就能用標準刀具在機床上切出相應的變位齒輪。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,熱處理及結構等方面改進外,圓弧齒形的齒輪獲得了發展。1907年,英國人Frank Humphris最早發表了圓弧齒形。1926年,瑞土人Eruest Wildhaber取得法面圓弧齒形斜齒輪的專利權。1955年,蘇聯的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。這種齒輪現已日益為人們所重視,在生產中發揮了顯著效益。
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域中的應用極其廣泛。現代齒輪技術已達到:齒輪模數O.004~100毫米;齒輪直徑由1毫米~150米;傳遞功率可達 十萬千瓦;轉速可達 十萬轉/分;最高的圓周速度達300米/秒。
 
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域中的應用極其廣泛。現代齒輪技術已達到:齒輪模數O.004~100毫米;齒輪直徑由1毫米~150米;傳遞功率可達 十萬千瓦;轉速可達 十萬轉/分;最高的圓周速度達300米/秒。
 
齒輪在傳動中的應用很早就出現了。公元前三百多年,古希臘哲學家亞里士多德在《機械問題》中,就闡述了用青銅或鑄鐵齒輪傳遞旋轉運動的問題。中國古代發明的指南車中已應用了整套的輪系。不過,古代的齒輪是用木料制造或用金 屬鑄成的,只能傳遞軸間的回轉運動,不能保證傳動的平穩性,齒輪的承載能力也很小。
 
隨著生產的發展,齒輪運轉的平穩性受到重視。1674年丹麥天文學家羅默首次提出用外擺線作齒廓曲線,以得到運轉平穩的齒輪。
 
18世紀工業革命時期,齒輪技術得到高速發展,人們對齒輪進行了大量的研究。1733年法國數學家卡米發表了齒廓嚙合基本定律;1765年瑞士數學家歐拉建議采用漸開線作齒廓曲線。
 
19世紀出現的滾齒機和插齒機,解決了大量生產高精度齒輪的問題。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勢,漸開線齒輪成為應用最廣的齒輪。
 
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年蘇諾維科夫對圓弧齒輪進行了深入的研究,圓弧齒輪遂得以應用于生產。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。
 
齒輪的組成結構一般有輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓、基圓、分度圓。
 
輪齒簡稱齒,是齒輪上 每一個用于嚙合的凸起部分,這些凸起部分一般呈輻射狀排列,配對齒輪上的輪齒互相接觸,可使齒輪持續嚙合運轉;齒槽是齒輪上兩相鄰輪齒之間的空間;端面是圓柱齒輪或圓柱蝸桿上 ,垂直于齒輪或蝸桿軸線的平面;法面指的是垂直于輪齒齒線的平面;齒頂圓是指齒頂端所在的圓;齒根圓是指槽底所在的圓;基圓是形成漸開線的發生線作純滾動的圓;分度圓 是在端面內計算齒輪幾何尺寸的基準圓。
 
齒輪可按齒形、齒輪外形、齒線形狀、輪齒所在的表面和制造方法等分類。
 
齒輪的齒形包括齒廓曲線、壓力角、齒高和變位。漸開線齒輪比較容易制造,因此現代使用的齒輪中 ,漸開線齒輪占絕對多數,而擺線齒輪和圓弧齒輪應用較少。
 
壓力角方面,小壓力角齒輪的承載能力較小;而大壓力角齒輪,雖然承載能力較高,但在傳遞轉矩相同的情況下軸承的負荷增大,因此僅用于特殊情況。而齒輪的齒高已標準化,一般均采用標準齒高。變位齒輪的優點較多,已遍及各類機械設備中。
 
另外,齒輪還可按其外形分為圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸桿蝸輪 ;按齒線形狀分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪;按輪齒所在的表面分為外齒輪、內齒輪;按制造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結齒輪等。
 
齒輪的制造材料和熱處理過程對齒輪的承載能力和尺寸重量有很大的影響。20世紀50年代前,齒輪多用碳鋼,60年代改用合金鋼,而70年代多用表面硬化鋼。按硬度 ,齒面可區分為軟齒面和硬齒面兩種。
 
軟齒面的齒輪承載能力較低,但制造比較容易,跑合性好, 多用于傳動尺寸和重量無嚴格限制,以及小量生產的一般機械中。因為配對的齒輪中,小輪負擔較重,因此為使大小齒輪工作壽命大致相等,小輪齒面硬度一般要比大輪的高 。
 
硬齒面齒輪的承載能力高,它是在齒輪精切之后 ,再進行淬火、表面淬火或滲碳淬火處理,以提高硬度。但在熱處理中,齒輪不可避免地會產生變形,因此在熱處理之后須進行磨削、研磨或精切 ,以消除因變形產生的誤差,提高齒輪的精度。
 
制造齒輪常用的鋼有調質鋼、淬火鋼、滲碳淬火鋼和滲氮鋼。鑄鋼的強度比鍛鋼稍低,常用于尺寸較大的齒輪;灰鑄鐵的機械性能較差,可用于輕載的開式齒輪傳動中;球墨鑄鐵可部分地代替鋼制造齒輪 ;塑料齒輪多用于輕載和要求噪聲低的地方,與其配對的齒輪一般用導熱性好的鋼齒輪。
 
未來齒輪正向重載、高速、高精度和高效率等方向發展,并力求尺寸小、重量輕、壽命長和經濟可靠。
 
而齒輪理論和制造工藝的發展將是進一步研究輪齒損傷的機理,這是建立可靠的強度計算方法的依據,是提高齒輪承載能力,延長齒輪壽命的理論基礎;發展以圓弧齒廓為代表的新齒形;研究新型的齒輪材料和制造齒輪的新工藝; 研究齒輪的彈性變形、制造和安裝誤差以及溫度場的分布,進行輪齒修形,以改善齒輪運轉的平穩性,并在滿載時增大輪齒的接觸面積,從而提高齒輪的承載能力。
 
摩擦、潤滑理論和潤滑技術是 齒輪研究中的基礎性工作,研究彈性流體動壓潤滑理論,推廣采用合成潤滑油和在油中適當地加入極壓添加劑,不僅可提高齒面的承載能力,而且也能提高傳動效率。 
 
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