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齿轮发展演化历史及发展趋势

发布日期:2015-01-28 22:01:27  点击量:13796   信息来源:原创


齿轮制造法的演化

在还未知晓利用动力之前,齿轮都是透过手工制造而成的。15、16世纪时,有专门的工匠负责制造齿轮。说到制造,不能不提到齿轮形状、材料和尺寸。1718年德国的L. C. Strum在他的《完全的制粉机械制作技术》一书中写道:木制齿轮应以3.5~5英寸为间隔(节距),而小齿轮(梢形齿轮)的梢,其直径要比节距的4/7小,而且要采用比大齿轮较硬的材质,大齿轮的齿厚则要比节距的3/7来得小,且齿形的曲率半径等于齿厚等等。 后来,Jacob Leupold在1724年的《机械总观》一书中,更精细的修正L. C. Strum的数值。他说:以节距为t,则小齿轮的梢直径为4/7t,大齿轮齿厚为3/7t,齿冠高为2/7t,齿根高为3/7t,齿冠曲率半径为3/7~9/7之间,最好为6/7。 虽然亚里斯多德时代就提到铁制、黄铜或青铜制的齿轮,甚至于罗马时代也有铁制梢(灯笼形)齿轮的考古物出现,但直到中世纪的时候,即使有铁工坊的设置,齿轮材质仍旧多以木头为主。对此,1842年W. Salzenberg则提出对于易磨耗的齿,要设计成容易替换的构造。近代的铸铁齿轮最早是在1769年的英国出现,这是因为手工制造的齿轮无法应付大量的需求,而且铸铁技术又已经成熟所致。
金属齿轮的加工最早是制造时钟所需,时钟齿轮多是青铜齿轮,这是因为青铜材质容易通过锉刀进行加工的缘故。后来,因为时钟齿轮需求量大增,所以切齿机械在时钟大城的纽伦堡出现,也理所当然。瑞典人Christopher Polhem在18世纪设立时钟工厂,装备许多切齿机。目前的斯德哥尔摩技术博物馆,还陈列着许多过去的时钟切齿机械。他还以大量生产的先驱著称,大量生产各种餐具,以及木工、锻冶、雕刻工具等。

1732年法国人Jaques de Vaucanson(1709~1782)首度以切齿用回转刀制作齿轮,其图标可在1802年出版由Berthoud所着之《时钟观测之历史》得知。到了1829年,已经相当普遍了。之前,手工制造3,000~4,000齿需要20天,采用机器切齿之后,只需1天。 其后,陆续出现各种采用飞轮机构的齿轮切齿机,不过因为设计的关系无法做二度加工,因而不能进行研磨作业。到了1874年,Brown & Sharp公司推出真正的切齿机,而1877年则出现自动齿轮切齿机,可以说到了20世纪初期,自动切齿机已经相当普及甚至百家争鸣了。 另一方面,正如前述,因为动力不足的关系,所以先前的齿轮都先以铸造的方式做成有正确齿形的粗胚,再通过切齿形做最后修整。1839年J. G. Hoffmann申请新切齿机的专利,这项专利被认为是真正齿轮切齿机的开拓者,这是用成形切齿法所制造的,一次切出许多齿来。另一方面,在1829年则有通过型板的方式,以刀具一个齿面一个齿面的循序刮出齿形的专利机械出现。也有遵循Odontograph原则的机械被开发出来。后来,William Gleason发明新的方式,以至于型板的切齿法,遭到废弃。 在伞型齿轮方面,一齿一齿制造的型板切齿法,在进入20世纪后许久仍旧被采用着,虽然现在已经不再使用了。 有关滚齿机的展成法始自制造蜗轮齿轮,后来及于正齿轮。之所以会这样,就是古人见到蜗轮可以和蜗轮齿轮啮合,所以若将蜗轮代以刀具,至少就可以制造蜗轮齿轮。由蜗轮连想到展成,无疑是相当自然的想法。 至于实际的滚齿切齿机械,首先是在1835年由H. S. Coombs首先发表的,1839年的Ritterhaus 、1853年英国的Whitehead 、1856年德国的Christian Schiele,以及1894年美国的J.E. Reinecker等人也都发表了不同的滚齿机与技术。

1849年Bashworth发明梢齿轮的展成切齿法,不过,这个齿形是外摆线齿形并非现代人所熟知的渐开线齿形。1850年Edward Sang发表以啮合齿轮创造共轭齿轮的概念。直至1872年John Comly在美国申请Moulding process的制造法,就是以齿轮啮合一个可塑性材料的方法。1896年Hartness的工厂以Fellows为名发明专利的切齿机,而成立Fellows齿轮切齿机公司。之后还有陆陆续续的改进发明,成为今日的形式。 对于非正齿轮者如交叉轴系的伞形齿轮,自古以来都以梢齿轮的方式处理,而梢齿轮的构想以达文西最早。


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