齿轮机构的发展史

齿轮机构的发展史齿轮•齿轮（Gear或cogwheel）是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件，齿轮依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件（如另一齿轮、齿条、蜗杆）传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。由于传动效率高、传动比准确、功率范围大等优点，齿轮机构在工业产品中广泛应用，其设计与制造水平会直接影响到工业产品的品质。•“齿轮轮齿相互扣住齿轮会带动另一个齿轮转动来传送动力。将两个齿轮分开，也可以应用链条、履带、皮带来带动两边的齿轮而传送动力。”齿轮一般由轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆、基圆和分度圆组成。•而两个齿轮互相咬合时，转动的方向会相反组件轮齿：齿轮上的每一个用于啮合的凸起部分。齿槽：齿轮上两个相邻轮齿之间的空间。齿面：轮齿上位于齿顶圆柱面和齿顶圆柱面之间的侧表面。基圆：形成渐开线的发生线在其上作纯滚动的圆。齿顶圆：齿顶端所在的圆。齿根圆：槽底所在的圆。齿轮简史•据史料记载，远在公元前400～200年的中国古代就已开始使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。17世纪末，人们才开始研究能正确传递运动的轮齿形状。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛，先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮。一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势。中国古代齿轮•据大量的出土文物和史书记载，证明我国是应用齿轮最早的国家之一。1956年在河北武安午汲古城遗址中，发现了直径约80mm的铁齿轮，经研究确为战国末期到西汉（公元前3世纪至公元24年）间的制品。1954年在山西永济县蘖家崖出土的器物中，有直径为25mm、40齿的青铜棘齿轮，经研究确定为秦代至西汉初年（公元前221年～公元24年）遗物。1957年陕西长安县红庆村出土了一对直径为24mm、齿数都为24的青铜人字齿轮，据分析系东汉初年（公元1世纪）遗物。东汉张衡（公元78～139年）制作的水运浑象,以漏水为动力，通过齿轮系统，使浑象每日等速地绕轴旋转一周。三国时出现的记里鼓车，已有—套减速齿轮系统。马钧所制成的指南车（公元235年），除有齿轮传动外，还有离合装置，说明齿轮系已发展到相当程度。史书中关于齿轮传动的最早记载，是《新唐书·天文志》僧一行，梁令瓒在唐开元13年（公元725年）制造的水运浑仪的描述。《新仪象法要》详细记载了苏颂、韩公廉等人于北宋元祐3年（公元1088年）制造的水运仪象台，该台规模巨大，已有了一套比较复杂的齿轮传动系统。明代茅元仪著《武备志》（公元1621年）已记载了齿轮齿条的传动装置。水运浑象仪水运浑象仪巧妙地把计量时间用的漏壶与浑象仪联系起来，即以漏水为原动力，并利用漏壶的等时性，通过齿轮系的传动，使浑象仪每日均匀地绕轴旋转一周。浑象仪能自动地、近似正确地把天象演示出来，并使浑象仪上的天象出没与实际天象相吻合，几可达到逼真的程度。国外古代齿轮•据历史记载和流传至今的实物证实，埃及、巴比伦，早在公元前400～200年代，就开始使用齿轮。希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，公元前384～322年）在他所著《机械问题》中，提到了齿轮，这是国外关于齿轮的最早文献记载。希腊学者阿基米德（Archimedes，公元前287～212年），特别记载了蜗杆传动卷扬机。公元前1世纪罗马建筑师维特鲁维亚斯（Vitruvius）叙述了装有齿轮传动的水力磨粉机，这是具体记载了最早的动力传递用齿轮。公元前150年左右，亚历山大港的克特西比乌斯（Ctesibius），将齿轮机构用于水力计时器，埃龙（Heron）制成计程车和瞄准器，这是关于将齿轮机构用于传递运动的最早记载。当然，所有上述齿轮，都是木工用手工制造的。到了中世纪，齿轮和机械式钟表相结合。1484年德国的沃索鲁斯（Waltherns）将机械式钟表用于天文观测。在此期间，随着水力、风力、畜力的利用，出现了传递动力的相当大的齿轮。15世纪后叶，达·芬奇（da．Vinci）在手稿中，记载了各种齿轮装置。到17世纪后叶就已开始进行齿形理论研究。到18世纪，随着以蒸汽机的发明为先驱的工业革命的到来，齿轮技术才得到高速发展。机械式钟表•机械钟是机械式振动系统的计时仪器，如摆钟、摆轮钟等。其工作原理是利用了一个周期恒定的，持续振动的振动系统；把振动时的振动周期来以振动次数，就等于所经过的时间，时间=振动周期×振动次数。一般由能源、轮系、擒纵机构、振动系统、指针机构和附加机构等几部分组成。•能源可采用重锤或发条•机械钟可分为日常生活用和技术用两类。日常生活用的有各种台钟、闹钟、挂钟、座钟、落地钟等。技术用的类型有精密天文钟、舰船钟、建筑塔钟、汽车钟、坦克钟、航空航天钟等。虽然结构类型多种多样，但其基本原理和主要组成部分是很相近的，大部分采用以摆轮游丝系统或物理摆为振动系统的擒纵调速器。用渐开线作为齿轮齿廓曲线，最早是法国学者海尔（Hire．P．D．L）于1694年在一次“摆线论”为题的演讲中提出来的。1733年，法国人M.Clause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，阐明了相哈合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径担和曲率中心位置的关系．后来Savary进一步完成这-方法，成为现在的Euler－Savary方程．对渐开线齿形应用作出贡献的是RobertWillis.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．齿形发展史•到目前为止，齿轮齿形发展大体经历了五个阶段：第一阶段是拨挂齿轮阶段。古代所使用的原始齿轮装置中所见的齿轮，齿形和齿距都未考虑。第二阶段是等齿距齿轮阶段。18世纪以前，虽没有理论上正确的齿形，但已能考虑齿距，凭经验制造出能正确传递旋转运动的齿轮。第三阶段是使用摆线齿轮阶段。为使齿轮进行等速运动，从17世纪开始进行齿形理论研究。1674年丹麦罗默提出使用外摆线齿形。1733年法国卡米提出齿轮啮合的基本定律。19世纪中叶英国威利斯提出复合摆线齿形。不久，市面上出售根据这种齿形设计的成形铣刀，从而使摆线齿轮普及全世界。第四阶段是渐开线齿形阶段。用渐开线作为齿形，虽然早在16世纪末便由法国的海尔提出，后欧拉—萨凡里（Eular-Savary）对渐开线齿形进行了解析研究。英国威利斯指出，当中心距变化时，渐开线齿轮角速比不变，渐开线齿轮的优越性才逐渐为人们所认识。但是直到1900年普福特首创了万能滚齿机，用范成法切制齿轮占了压倒优势，渐开线齿轮在全世界才逐渐占统治地位。第五阶段是多种齿形并存的发展阶段。整个20世纪，渐开线齿轮占统治地位。50年代，出现了点啮合的圆弧齿轮（W—N齿轮），主要适用于高速重载场合。摆线齿轮除在钟表方面继续采用外，在摆线针轮行星减速器方面取得了新的进展。根据工业发展的要求，目前又出现了阿基米德螺旋线齿轮、抛物线齿轮、准双曲面齿轮、椭圆齿轮、综合曲线齿轮、无名曲线齿轮等等，而渐开线齿轮本身亦在不断地改进（如变位、修缘、修形等）。所有这些齿形为了适应各种不同的要求，亦在不断地改进，而新的齿形亦在不断地产生。各种齿形并存，并互相渗透，有朝一日，有可能出现一种能适应各种不同要求，吸取各种齿形优点的新型齿形。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，使齿轮加工具有较完备的手段后，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作移动，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FrankHumphris最早发表了圆弧齿形．1926年．瑞士人EruestWildhaber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Rolls－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。齿轮技术发展树用类似树枝的形式表示齿轮技术发展概况的图。它形象的显示出齿轮技术分枝及主干的发展过程、各领域之间的关系和齿轮技术的发展趋势。齿轮机构•齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，它可以用来传递空间任意两轴间的运动和动力。齿与其它传动机构相比，齿轮机构的优点是：结构紧凑、工作可靠、传动平稳、效率高、寿命长、能保证恒定的传动比，而且其传递的功率和适用的速度范围大。故齿轮机构广泛用于机械传动中。但是齿轮机构的制造安装费用高、低精度齿轮传动的噪声大。•按照一对齿轮传动的传动比是否恒定，齿轮机构可以分为两大类：其一是定传动比齿轮机构，齿轮是圆形的，又称为圆形齿轮机构，是目前应用最广泛的一种；其二是变传动比齿轮机构，齿轮一般是非圆形的，又称为非圆形齿轮机构，仅在某些特殊机械中适用。•按照一对齿轮在传动时的相对运动是平面运动还是空间运动，圆形齿轮机构又可以分为平面齿轮机构和空间齿轮机构两类。齿轮机构的类型•以传动比分类•定传动比——圆形齿轮机构（圆柱、圆锥）•变传动比——非圆齿轮机构（椭圆齿轮）•以轮轴相对位置分类•平面齿轮机构•直齿圆柱齿轮传动•外啮合齿轮传动•内啮合齿轮传动•齿轮齿条传动•斜齿圆柱齿轮传动•人字齿轮传动•空间齿轮机构•圆锥齿轮传动•交错轴斜齿轮传动直齿轮直齿轮是一种普遍的齿轮。当一对直齿轮正确地啮合在一起时，它们的安装轴线是相互平行的。斜齿轮两轴相交者，由圆锥形磨擦轮演变而成，两轴相交之齿轮。人字斜齿轮斜齿轮有对轴上的横向力，为消除这种力，把一个齿轮作成对称方向相反的斜齿轮，来消除这种力，看上去像个人字，简称为人字形齿轮。锥齿轮轴承齿轮用于连接齿轮和轴承，是在机械个体中被广泛应用的零件部分。蜗杆齿轮的常用材料•制造齿轮的常用材料主要有：调质钢、渗碳钢、铸钢、合金铸钢、灰铸铁和球墨铸铁。•用于制造齿轮的调质钢的材料牌号有：45#钢、35SiMn、42SiMn、50SiMn、40Cr、35CrMo、42CrMo、37SiMn2MoV、40CrMnMo、40CrNi、38SiMnMo、42CrMo4V。•用于制造齿轮的渗碳钢的材料牌号是：20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、38CrMoAl、17CrNiMo6、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、20CrNi3。•用于制造齿轮的铸钢和合金铸钢的材料牌号有：ZG310-570、ZG340-640、ZG40Mn2、ZG35SiMn、ZG42SiMn、ZG50SiMn、ZG40Cr、ZG35CrMo、ZG35CrMnSi。•用于制造齿轮的灰铸铁和球墨铸铁的材料牌号有：HT250、HT300、HT350、QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT1200-1。齿轮振动的简易诊断方法进行简易诊断的目的是迅速判断齿轮是否处于正常工作状态，对处于异常工作状态的齿轮进一步进行精密诊断分析或采取其他措施。当然，在许多情况下，根据对振动的简单分析，也可诊断出一些明显的故障。齿轮的简易诊断包括噪声诊断法、振平诊断法以及冲击脉冲（SPM）诊断法等，最常用的是振平诊断法。振平诊断法是利用齿轮的振动强度来判别齿轮是否处于正常工作状态的诊断方法。根据判定指标和标准不同，又可以分为绝对值判定法和相对值判定法。1．绝对值判定法•绝对值判定法是利用在齿