齿轮的发展

摘要

本文通过查阅多种文献资料对齿轮从古代到现在的发展历程进行了综述,

并对各过程的齿轮(从材料和齿形两方面)特点、应用情况进行了详细介绍, 指出现有齿轮存在的问题, 最后综述这些缺点, 提出了错联齿轮, 以解决各种齿轮

的不足。中华民族有着古老的文化，齿轮的发明是其中之一。在中国古代齿轮的应用就应经十分广泛。主要用于指南针，水磨，水车，农用机械等设备上，就连古代坟墓中的各种机关都离不开齿轮。新中国成立以来齿轮的制造有了很大的发展，逐渐形成了比较齐全的齿轮制造行业。国际上的各种齿轮制造技术我们也已经经本掌握了。但与国际先进的技术有一定的差距，有待于进一步提高。本文将对以上几个方面作以下阐述：

齿轮发展历程

齿轮的发展要追溯到公元前, 迄今已有3000 年的历史。1954年，在山西省永济县薛家崖出土的齿轮和秦代秦代铜器古物一样，时间为公元前221年，该齿轮现存陕西省博物馆①。

1959年，在我国保定城南壁养成村址地下掘出西汉（公元前207年）时代的铸造齿轮②，现在在沈阳博物馆内保存。

1953年在陕西省长安县红庆村汉墓出土了东汉年初的一人字齿轮，现存陕西省博物馆内①。这种人字齿轮，后来在长沙也出土了，为西汉年初（公元前200年）制造。

上述材料证明，中国在秦汉年代（公元前221—220年）就发明了齿轮。齿轮为铸铜，有直齿、斜齿、和人字齿齿轮。

远古时代人们为了传递动力, 发明了齿轮,这一发明实现了转动的传递。在我国汉代发明的指南车上有齿轮的传动装置, 当时的齿轮是用木料制造或用金

属铸成的, 只能传递轴间的回转运动, 不能保证传动平衡性, 同时齿轮的承载

能力也很小。在国外, 机械动的记载始于古罗马时代, 人们在水力碾磨中也用到了木制齿轮传动, 但齿轮的齿形是直线形, 同样不能保证运动的平稳性, 并且

木制齿轮的承载能力也受制。在瑞典, 人们在谷物碾磨中使用石头做成斜齿轮传递动力, 虽然比木制齿轮承载能力高, 但加工困难。到了14世纪, 钟的发明使人们开始研究金属齿轮传动以减小尺寸, 以便在钟中得到应用。18世纪初, 蒸汽机问世, 并被很快运用, 这进一步促进了齿轮传动的发展。此外, 这一时期水力纺织机械、冶金机械的发明与运用, 又促使大功率、高质量的木制、金属的齿轮传动问世。在齿轮材料没有改进的情况下, 19世纪末期, 人们开始研究齿轮的齿形,并向小型化、长寿命、更可靠的齿轮传动装置发展, 促进了对齿轮传动的研究, 20世纪初摆线齿轮和渐开线齿轮相继出现③。但由于摆线齿轮制造和安装较困难, 限制了发展, 目前只在钟表领域应用。渐开线齿轮传动的类型有直齿轮、斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动.

20世纪60-70年代渐开线齿轮主要采用滚齿加工工艺, 用这种方法生产的齿轮硬度不高, 接触强度低、寿命短, 而用在船舶、电厂涡轮机的大型高速齿轮传动由于其节线速度高, 要求这些齿轮有高精度,于是加速了磨齿加工工艺的发展。斜齿轮是在直齿轮的基础上发展起来的, 由于直齿轮寿命短, 承载能力有限等缺点, 从而在后来的机械传动装置中, 人们开始尝试在同样厚度的齿轮上,

增加接触线长度的斜齿, 即斜齿轮, 它无论在性能上还是加工上, 都较直齿轮

复杂, 但在斜齿轮的传动过程中, 存在着对传动系统不利的啮合力的轴向分力, 为此又发明了人字齿轮, 但人字齿轮的加工更复杂。21世纪随着材料科学的发展, 齿轮由金属材料逐渐向高分子材料转变, 如塑料齿轮已被广泛应用, 以减轻齿轮的重量。随着生活质量的提高, 对使用工具也越来越追求完善, 为了实现传动性能的优化, 人们对齿轮的认识逐渐深入。20世纪40年代, 渐开线理论开始出现,我国的齿轮传动也是从这开始的，渐开线齿轮在技术上最成熟，应用最具备条件，而使用也最普遍，并在机械传动设计中，占有主导地位。渐开线齿廓具有中心距敏感性小，可进行各种变位和修形设计，易于进行精密加工、互换性好等一系列优点。但是由于渐开线软齿面齿轮表面接触强度薄弱，加之一般质量水平不高，在使用中往往出现早期失效，尤其在一些承载较重的场合，使用寿命较低。到50年代为了提高承载能力, 提出了齿轮齿廓和齿向修形的设计方法。五十年代后期，我国开始研究与应用单圆弧齿轮。这种齿轮主要靠轴向传递运动，其端面齿廓理论上呈点啮合，因而降低了对齿廓的技术要求；在垂直于齿面瞬时接触线方向，诱导曲率半径较大；再有，齿面润滑性能较好，因此，在软齿面条件下其齿面接触强度与渐开线齿轮相比有显著提高④。60年代, 人们开始研究直齿、斜齿和锥齿轮等的表面疲劳强度和可靠性, 研究表明渐开线齿轮传动在啮合点是纯滚动, 因此其传动平稳性、效率、使用寿命受到限制。在国际齿轮会议上Essen提出圆弧齿轮具有润滑性能好的特点, 啮合摩檫损失减小, 提高了齿轮的寿命。文献⑤中对它的刚度, 以及错位前后的刚度变化作了分析。70年代, 出现了曲线锥齿轮、环面蜗杆、点接触蜗杆以及圆弧齿轮等新型传动装置。七十年代中后期，我国由单圆弧齿轮发展为双圆弧齿轮，即由单凸圆弧或单凹圆弧组成齿廓改变为由凸凹圆弧上下分段组成的单一齿廓形式，也就是说大、小齿轮的基本齿廓是一致的。它简化了切齿工艺，大大提高了轮齿的弯曲强度，使圆弧齿轮的技术达到了更完善的程度。这对于同样参数与尺寸的软齿面圆柱齿轮，圆弧齿轮的工作寿命高于渐开线齿轮，特别是应用在一些重负荷、大功率的齿轮传动中，取得了良好的效果。七十年代末，随着国外机械产品的引进与齿轮制造水平的提高，齿面经渗碳淬火、氮化或感应淬火处理的所谓硬齿面渐开线齿轮开始为人们所重视。这种齿轮由于齿面硬度高与轮齿精度好而大大提高承载能力和使用寿命，并因结构尺寸小使齿轮装置的成本大为降低。80年代, 齿轮传动系统中又增加了少齿差行星传动、新型伺服传动、新型蜗杆传动等新类型。行星传动：各类齿轮的行星传动是近20 年来发展较快的一种传动形式，它是一种至少有一个齿轮的几何轴线绕中心轮轴线回转的齿轮传动。因此种传动采用数个行星轮或一个行星轮的多个轮齿同时传递负荷，并利用了向啮合的组合形式，因而具有体积小、重量轻、速比范围大、传动效率高、噪声小等优点，广泛用于冶金、矿山、起重运输、通用、化工、航天等设备上，作为增速、减速与变速的传动装置④。在有些要求结构紧凑的场合或是同轴线传动的情况下，它已替代了一批平行轴结构的定轴传动。在要求单级大减速比并传递大转矩的齿轮传动中，多数应用蜗杆传动。各种少齿差式的行星传动主要使用在中、小功率的大减速比传动。所谓少齿差即是在齿轮啮合副中，其内齿轮与外齿轮的齿数差很少而得名。对于渐开线齿轮少齿差行星传动与摆线针轮少齿差行星运动来说，其基本原理与计算方法相同，其行星运动的产生，并无单独的行星轮而是由其中的外齿轮通过一转臂轴承的偏心作用所致。渐开线少齿差中的外齿轮一般是不磨齿的，因而加工简便，成本低。摆线少齿差中的外齿轮（摆线轮）是齿面渗碳淬火磨齿的。传动效率较高，但需专用加工设备，因为是成批生产，成本不会太高，应用面越来越广，它是目