齿轮传动技术的发展.doc

齿齿 轮轮 传传 动动 技技 术术 的的 发发 展展作 者 ： 邱 垂 元 － 1/35－ 89.9.30齿齿 轮轮 传传 动动 技技 术术 的的 发发 展展1. 齿 轮 的 历 史 与 发 展齿 轮 的 历 史 发 展 几 乎 与 人 类 的 文 明 同 步 ， 早 在 公 元 前 2000年 左 右 ， 中 、 外 历 史 上 就 已 有 使 用 齿 轮 的 记 载 ， 齿 轮 机 构 可 以 说 是人 类 最 古 老 的 机 械 组 件 之 一 但 是 一 直 要 到 十 七 世 纪 后 半 叶 ， 才 有齿 轮 齿 形 的 理 论 研 究 ， 加 工 方 法 是 利 用 成 形 铣 刀 铣 削 轮 齿 ， 加 工 效率 很 低 近 代 的 齿 轮 工 业 技 术 要 等 到 19世 纪 末 ， 齿 轮 加 工 技 术 有所 突 破 之 后 才 突 飞 猛 进 换 言 之 ， 近 100年 的 齿 轮 技 术 发 展 史 ，可 以 说 就 是 齿 轮 加 工 技 术 的 发 展 史 谈 到 齿 轮 的 历 史 ， 身 为 中 国 人 不 免 要 提 到 黄 帝 时 代 (约 4500年 前 )的 指 南 车 ， 如 图 1所 示 ， 这 是 古 代 中 国 人 智 慧 的 代 表 ， 指 南 车上 人 偶 与 车 轮 之 间 藉 由 一 串 复 杂 的 差 速 齿 轮 传 动 机 构 传 动 ， 当 我 们把 车 上 的 人 手 指 向 南 方 之 后 ， 不 论 车 轮 往 那 一 个 方 向 走 ， 车 上 的 人手 永 远 指 向 南 方 。

图 2为 北 宋 时 期 (公 元 1090年 )建 于 河 南 开 封 的 天 文 台 ， 天 文 台分 三 层 ， 最 上 层 放 置 观 测 天 象 的 仪 器 ， 第 二 层 是 星 座 仪 ， 最 下 层 为类 似 今 日 的 报 时 钟 ， 钟 塔 下 有 水 流 过 ， 水 推 动 水 轮 ， 并 藉 由 一 串 齿轮 传 动 机 构 转 动 钟 台 ， 钟 台 上 有 五 层 ， 每 层 放 置 各 式 的 人 偶 ， 当 出现 不 同 人 偶 时 ， 即 表 示 不 同 时 间 齿 轮 的 历 史 发 展 过 程 ， 可 以 概 分 如 下 五 个 阶 段 ：第 一 阶 段 ( ~ 400B.C.)： 原 始 齿 轮 装 置 阶 段 史 书 中 尚 无 可 靠 的 使 用 齿 轮 记 载 ， 但 由 传 说 或 考 古 中 推 测 得 知齿 轮 的 使 用 ， 此 阶 段 的 齿 轮 尚 无 技 术 意 义 可 言 第 二 阶 段 (400B.C.~1700A.C.)： 节 圆 齿 轮 使 用 阶 段 目 前 有 关 齿 轮 的 最 早 文 献 纪 录 ， 是 希 腊 大 哲 学 家 亚 里 士 多 德(Aristotle)于 其 著 作 中 提 到 齿 轮 的 机 械 组 件 ， 当 时 约 为 公 元 前 齿齿 轮轮 传传 动动 技技 术术 的的 发发 展展作 者 ： 邱 垂 元 － 2/35－ 89.9.30330 年 。

但 是 一 直 到 公 元 1700 年 以 前 ， 齿 轮 主 要 都 还 是 由 手 工 切削 (锉 刀 加 工 )制 造 而 成 ， 齿 轮 为 非 正 确 的 理 论 齿 形 ， 但 可 正 确 地 传递 旋 转 运 动 第 三 阶 段 (1700A.C.~ 1900A.C.)： 齿 轮 的 理 论 研 究 阶 段 主 要 是 摆 线 和 渐 开 线 两 种 理 论 齿 形 的 研 究 ， 但 使 用 上 以 摆 线 齿轮 为 主 ， 代 表 技 术 为 钟 表 齿 轮 此 时 的 齿 轮 还 是 用 手 工 加 工 ， 只 是由 技 术 纯 熟 的 工 匠 制 作 公 元 1800 年 以 后 ， 金 属 齿 轮 使 用 越 来越 多 ， 齿 轮 强 度 与 精 度 的 提 高 ， 直 接 影 响 到 当 时 如 火 如 荼 的 工 业 革命 图 1 传 说 中 黄 帝 (约 4500 年 前 )的 指 南 车 齿齿 轮轮 传传 动动 技技 术术 的的 发发 展展作 者 ： 邱 垂 元 － 3/35－ 89.9.30图 2 北 宋 (公 元 1090 年 )时 期 位 于 河 南 开 封 的 天 文 钟 塔第 四 阶 段 (AC1900~AC1975)： 创 成 加 工 法 的 产 生 与 渐 开 线 齿 轮 普及 的 阶 段 。

公 元 1800 世 纪 末 叶 ， 齿 轮 的 切 齿 加 工 技 术 开 始 快 速 发 展 ， 并奠 定 了 现 代 齿 轮 工 业 的 基 础 齿 轮 历 史 中 的 名 人 ， Brown and Sharpe, Fellows, Gleason, Pfauter, Klingelngerg, Lorenz, Liebherr 等 ， 都 是 此 时 发 迹 ， 也 都 是 在 齿 轮 切 削 技 术 与 设 备 上 有 所贡 献 齿齿 轮轮 传传 动动 技技 术术 的的 发发 展展作 者 ： 邱 垂 元 － 4/35－ 89.9.30齿 轮 的 创 成 加 工 法 (Generating)， 最 早 的 记 录 是 公 元 1835年 英 国 人 J. Whitworth的 滚 齿 机 专 利 经 过 后 人 不 断 地 改 良 ， 至 公元 1900年 ， 德 国 Hermann Pfauter改 良 滚 刀 轴 使 能 旋 转 ， 并 增 加差 速 齿 轮 装 置 ， 发 展 成 容 易 加 工 螺 旋 齿 轮 的 万 能 滚 齿 机 。

从 此 以 后 ，使 用 滚 齿 机 加 工 圆 柱 型 齿 轮 的 方 法 开 始 普 及 并 上 轨 道 ， 创 成 切 齿 加工 法 成 为 主 流 齿 轮 加 工 设 备 的 重 要 发 展 里 程 简 列 如 下 ：˙ 1835 年 Joseph Whitworth (英 )发 明 能 切 削 螺 旋 齿 轮 的 滚 齿 机 ， 并 得 到 专 利 许 可 ˙ 1874 年 William Gleason (美 )制 造 出 第 一 台 实 用 的 伞 齿 轮 切 齿 机 ˙ 1884 年 William Gleason (美 )发 明 创 成 法 切 削 伞 齿 轮 ˙ 1985 年 E. R. Fellows (美 Fellows Gear Shaper 公 司 )发 明 以 小 齿 轮 (pinion)型 切 齿 刀 切 削 齿 轮 的 技 术 ˙ 1898 年 James E. Gleason (美 Gleason Works 公 司 )使 用 旋 转 式 切 齿 刀 创 成 切 削 伞 齿 轮 ˙ 1900 年 Herman Pfauter (德 )发 明 滚 刀 轴 能 旋 转 的 滚 齿 机 ， 并 使 用 差 速 齿 轮 。

˙ 1908 年 Ward and Taylor (美 Gear Grinding Machine 公 司 )发 明 自 动 的 砂 轮 用 钻 石 修 整 器 ， 轮 磨 正 齿 轮 现 今 使 用 的 齿 轮 几 乎 都 是 渐 开 线 曲 线 的 齿 形 ， 这 对 1900 年以 前 的 齿 轮 工 作 者 而 言 是 难 以 想 象 的 ， 因 为 理 论 上 ， 渐 开 线 齿 形 并不 是 理 想 的 齿 形 拜 齿 轮 加 工 技 术 发 展 之 赐 ， 公 元 1850 年 以 后渐 开 线 齿 形 渐 渐 为 人 们 使 用 ， 且 最 后 取 代 了 摆 线 齿 轮 关 于 齿 轮 理论 发 展 的 重 要 人 物 与 事 项 简 列 如 下 ： 　˙ 1694 年 Philip de la Hire (法 )发 展 完 整 的 摆 线 齿 形 数 学 分 析 ， 并 提 出 渐 开 线 曲 线 可 以 作 为 齿 形曲 线 齿齿 轮轮 传传 动动 技技 术术 的的 发发 展展作 者 ： 邱 垂 元 － 5/35－ 89.9.30˙ 1733 年 Charles Camus (法 )提 出 一 对 齿 轮 轮 齿 接 触 点 的 公 法 线 ， 必 须 通 过 中 心 联 机 上 的 节 点 ，即 Camus 定 理 。

他 考 虑 两 齿 面 的 啮 合 状 态 ， 建 立 了 现 代 关 于 接触 点 轨 迹 的 概 念 ˙ 1754 年 Leonard Euler (瑞 士 )提 出 渐 开 线 齿 形 共 轭 啮 合 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 的 关 系 有 人 称 他为 ”渐 开 线 齿 轮 之 父 ”˙ 1832 年 Robert Willis (英 )提 出 中 心 距 变 化 时 ， 渐 开 线 齿 轮 具 有 角 速 度 不 变 的 优 点 他 对 渐开 线 齿 轮 的 应 用 与 推 广 不 遗 余 力 ， 是 齿 轮 工 程 方 面 的 先 驱 者 ˙ 1852 年 Edward Sang (苏 格 兰 )发 展 齿 轮 轮 齿 的 创 成 理 论 ， 提 出 后 来 创 成 加 工 机 的 理 论 基 础 ˙ 1907 年 Frank Humphris (英 )最 早 发 表 圆 弧 齿 形 ˙ 1908 年 Max Maag (瑞 士 )研 究 齿 轮 的 移 位 方 法 ， 并 制 造 出 创 成 加 工 用 插 齿 机 。

˙ 1926 年 Eruest Wildhaber (瑞 士 )取 得 法 面 圆 弧 齿 形 螺 旋 齿 轮 的 专 利 ˙ 1955 年 M. L. Novikov (苏 联 )完 成 圆 弧 齿 形 齿 轮 的 实 用 研 究 ， 因 此 圆 弧 齿 轮 又 称 为 ”W-N 齿轮 ”˙ 1970 年 R. M. Studer (英 Rolls-Royce 公 司 )取 得 双 圆 弧 齿 形 齿 轮 的 美 国 专 利 齿齿 轮轮 传传 动动 技技 术术 的的 发发 展展作 者 ： 邱 垂 元 － 6/35－ 89.9.30第 五 阶 段 (AC1975~迄 今 )： CNC 齿 轮 加 工 与 量 测 设 备 的 使 用 美 国 麻 省 理 工 学 院 伺 服 机 构 实 验 室 于 公 元 1952年 首 次 展 示数 值 控 制 (Numerical Control， 简 称 NC)铣 床 ， 用 以 加 工 三 度 空 间的 曲 面 后 ， 机 械 加 工 制 造 技 术 即 迈 入 一 新 的 纪 元 。

历 经 四 十 多 年 不断 地 修 正 及 改 良 ， 已 发 展 成 今 日 广 泛 使 用 的 计 算 机 化 数 值 控 制(CNC)， 不 但 用 于 各 式 工 作 母 机 ， 小 单 元 中 的 直 接 数 值 控 制(DNC)， 至 大 系 统 中 的 弹 性 制 造 系 统 (FMC)与 无 人 。