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这是金属加工（mw1950pub）发布的第8625篇文章 导读 编者按： 我们的生活无不与机械有关，它渗透在生活中的每个范畴，我们随时随地都在享用着机械带来的恩德。人类最初的机械，当然不像往常的机械这么复杂，但正是这样简单的机械替代了人的手脚，被人们所用，并逐步展开起来，最后才成为今天这个样子。而且，今后机械展开的趋向会越来越复杂。固然随着时光流逝，过去的一些机械曾经十分陈旧了，以至在当代人看来，这些机械曾经变得很掉队，但是，它们在那个时期所作出的贡献却是不可磨灭的。我们要永远记住那些机械制造发明的先驱们，是他们带给了我们人类展开的动力和生机，在人类历史的长河中，巨大的发明和发明带给了人类一次又一次的震惊！ 小编为了留念这些巨大的机械发明，决议在本公众号定期发送关于“机械发明”的故事： 本次讲述：齿轮的前生今世！|机械发明 齿轮是轮缘上有齿，并能连续啮合传送运动和动力的机械零件。齿轮的种类很多，如图3一1所示，为齿轮及常见的几种类型。
图3-1 齿轮 齿轮传动 齿轮经过与其他齿状机械零件（如另一个齿轮、齿条、蜗杆）传动，也就是齿轮轮齿相互扣住，齿轮会带动另一个齿轮转动，来传送动力。将两个齿轮分开，也能够应用链条（图3一2）、履带、皮带来带动两边的齿轮，而传送动力。两个齿轮相互啮合时，其转动的方向相反，如图3一3所示。
图3-2 链传动图
图3-3 齿轮传动 齿轮传动是应用最普遍的一种机械传动，可完成改动转速和转矩、改动运动方向和改动运动方式等功用，具有传动效率高、传动比精确、功率范围大等优点。 齿轮传动的用处很广，是各种机械设备中的重要零部件，如汽车、机床、航空、轮船、农业机械、建筑机械等，日常生活中都要运用各种齿轮传动。图3-4为常用的3种齿轮传动，图3-5为齿轮齿条传动，图3-6为蜗轮蜗杆传动。
图3-4 齿轮传动
图3-5 齿轮齿条传动
图3-6 蜗轮蜗杆传动 齿轮传动在我们生活中的应用举例 在我们的日常生活中，齿轮传动的例子很多，好比机械手表、闹钟走机遇构、电风扇的摇头机构、空调的摆风机构、自行车的链传动和变速机构、洗衣机的变速机构、汽车的变速机构、机床的变速机构、减速器等，都用到了齿轮传动。 机械表中的齿轮传动 当你翻开机械表的后盖时，你就能看到齿轮是怎样中止啮合传动的。图3-7是机械表走针的传动系统，分针与时针、秒针与分针的传动比均为60，都是经过二级齿轮传动完成的。从秒针到时针，传动比抵达3600，只用四级齿轮传动就完成了，结构很紧凑。钟表走时传动道路图为：秒轮2轴→过轮1→分轮3→分轮3轴→过轮5→过轮5轴→时轮4，经过这样四级齿轮传动，传动比高达3600。这个例子阐明机械表的多级齿轮传动可取得大的传动比。
图3-7 机械表中的多级齿轮传动 电风扇的摇头机构 图3-8为风扇摇头机构的原理模型。它把电动机的转动转变成扇叶的摆动。红色的曲柄与蜗轮固接，蓝色杆为机架，绿色的连架杆与蜗杆（电机轴）固接。电动机带动扇叶转动，蜗杆驱动蜗轮旋转，蜗轮带动曲柄作平面运动，从而完成风扇的摇头（摆动）运动。它运用蜗轮蜗杆传动，目的是降低扇叶的摆动速度、模仿自然风。
图3-8 电风扇摇头机构 搅拌机的传动机构 图3-9为行星搅拌机传动机构。行星搅拌机的传动机构由减速电动机、主动中心轮（内齿轮）、行星齿轮、固定中心轮、内外啮合行星轮系、衔接器、刀片等零部件组成。
图3-9 行星搅拌机传动机构 行星齿轮搅拌机工作原理：多功用搅拌机集打蛋、碎肉、蔬菜切片等功用为一体，其传动装置用来传送原动力机的动力，变换其运动方式，以完成搅拌机预定的工作请求，是搅拌机的主要组成部分。传动装置采用了行星齿轮传动，由电动机直接带动中心轮输出第一转速，用于搅拌。经过行星齿轮系传动，转臂经过衔接器输出第二转速，用于碎肉，完成碎肉功用。这种传动机构，结构简单紧凑、传动牢靠、工艺合理。 螺旋千斤顶 图3-10中自降螺旋千斤顶的螺纹无自锁作用，装有制动器棘轮组。放松制动器，重物即可自行快速降落，缩短返程时间，但这种千斤顶结构较为复杂。螺旋千斤顶能长期支持重物，最大起重量可达100吨，应用较普遍。这种机械千斤顶是手动起重工具之一，其结构紧凑，合理天时用摇杆的摆动，使小齿轮转动，经一对圆锥齿轮运转，带动螺杆旋转，推进升降套筒，从而使重物上升或降落（圆锥齿轮能够改动力矩的方向，即能够把横向运动转为竖直运动）。
图3-10 螺旋千斤顶 完成变速传动 当主动轴的转速不变时，应用轮系能够使从动轴取得多种工作转速，这种传动称为变速传动。汽车、机床、起重机等许多机械都需求变速机构，如图3-11所示为变速传动。
图3-11 变速传动 汽车中的齿轮变速器机构 齿轮变速器也叫定轴式变速器，它由一个外壳、轴线固定的几根轴和若干个齿轮组成，可完成变速、变矩和改动旋转方向。 换挡原理：①传动比变更，即挡位改动；②当动力不能传到输出轴，这就是空挡。 变向原理：①相啮合的一对齿轮旋向相反，每经一转动副，其轴转向改动一次；②经两对齿轮传动，其输入轴与输出轴转向分歧；③假如再加一个倒挡轴，变成三对轴传送动力，则输入轴与输出轴的转向相反，如图3-12所示。
图3-12 齿轮变速器
图3-13 CA6140型普通车床主轴传动系统图 齿轮传动在车床中的应用 图3-13为CA6140型普通车床主轴传动系统图，主运动传动链的功用是把动力源（电动机）的运动经V带传给主轴，使主轴带开工件完成回转，并使主轴取得变速和换向。主轴的运动是经过齿轮副传给轴的，改动齿轮的传动，从而改动主轴的转速。要想计算出主轴的转速，那么必须得知道齿轮的齿数。 完成换向机构 车床走刀丝杠的三星轮换向机构，在主动轴转向不变的条件下，可改动从动轴的转向，图3-14为三星轮换向机构。
图3-14 三星轮换向机构
图3-15 齿轮分路传动 完成分路传动 某航空发起机附件传动系统，它可把发起机主动轴运动合成成六路传出，带动附件同时工作。应用轮系能够使一根主动轴带动若干根从动轴同时转动，取得所需的各种转速。图3-15为齿轮分路传动。 完成合成运动或合成运动 合成运动是将两个输入运动合成为一个输出运动；合成运动是将一个输入运动合成为两个输出运动。合成运动和合成运动可用传动轮系完成。图3-16为圆锥齿轮的差动轮系，图3-17为汽车后桥上的差速器。 汽车后桥上的差速器完成运动的合成运动 差速器能使左右车轮以不同或相同的转速中止纯滚动，进而完成转向或直线行驶，把这种特性称为差速特性。主减速器传来的转矩平分给两半轴，使两侧车轮驱动力尽量相等，其称为转矩特性。 图3-18（a）中，汽车直线行驶时，红色（小齿轮）和褐色（侧齿轮）的齿轮之间坚持相对静止。差速器外壳、左右轮轴同步转动，差速器内部行星齿轮只随差速器旋转，没有自转。 图3-18（b）中，汽车转弯行驶时，红色和褐色齿轮坚持相对转动，使左右轮能够完成不同转速行驶。由于汽车左右驱动轮受力状况发作变更，反响在左右半轴上，进而破坏行星齿轮原来的力均衡，这时行星齿轮开端旋转，使弯内侧轮转速减小，弯外侧轮转速增大，行星齿轮重新抵达均衡状态。 减速器中的齿轮传动机构 减速器是一种动力传送机构，其原理是应用齿轮的速度转换器，将电动机的回转数减速到所需求的回转数，并得到较大转矩。减速器传动轴上的齿数少的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮以抵达减速的目的。普通的减速器也会有几对相同原理的齿轮啮合来抵达理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。一级圆柱齿轮减速器如图3-19所示。 行星齿轮减速器望文生义就是行星盘绕恒星转动，因而行星齿轮减速器就是行星轮盘绕一个太阳轮旋转的减速器，其中一种方式的行星齿轮减速器，如图3-20所示。 以上举的例子是我们十分熟习的，齿轮传动应用如此之广，例子不胜枚举，无论是在天上飞翔的飞机，在宽广的大地上行驶的各种汽车，在浩瀚的大海中行驶的轮船，还是在我们的生活中运用的机器都离不开齿轮，齿轮的用处真是太大了，那么齿轮是谁发明的呢？
图3-16 圆锥齿轮的差动轮系
图3-17 汽车后桥上的差速器直线行驶 齿轮的发明者 齿轮的发明者现已无确切信息，听说在古希腊时期就有了很多想象，古希腊著名学者亚里士多德和阿基米德都研讨过齿轮。古希腊有名的发明家古蒂西比奥斯在圆板工作台边沿上平均地插上销子，使它与销轮啮合，他把这种机构应用到刻漏上，这大约是公元前150年的事。在公元前100年，亚历山大的发明家赫伦发明了里程计，在里程计中也运用了齿轮。公元前1世纪，罗马的建筑家维特鲁维亚斯制造的水车式制粉机也运用了齿轮传动装置，这是细致记载的最早的动力传送用齿轮。到14世纪，开端在钟表上运用齿轮。15世纪的大艺术家达·芬奇发明的许多机械，也运用了齿轮。但那个时期的齿轮与销轮一样，齿与齿之间不能很好地啮合。最后，只能加大齿与齿之间的空隙，而过大的间隙必定会产生松弛。
图3-18 差速器的工作原理
图3-19 齿轮减速器
图3-20 行星齿轮减速器 人类对齿轮的运用源远流长，据大量的出土文物和史书记载，我国是世界上应用齿轮最早的国度之一。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，经研讨肯定为战国末期到西汉（公元前3世纪~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，经研讨肯定为秦代至西汉初年（公元前221年～公元24年）间的遗物；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，据剖析系东汉初年（公元1世纪）遗物。东汉南阳太守杜诗发明冶铸鼓风用的“水排”，如图3-21所示，其原理是在激流中置一木轮，然后经过轮轴、拉杆等机械传动装置把圆周运动变成直线往复运动，以此抵达起闭风扇鼓风的目的，其中应用了齿轮和连杆机构。东汉时， 张衡（公元78～139年）制造的水运浑象仪用精铜铸成，主体是一个球体模型，代表天球，球体能够绕天轴转动，水运浑象仪原理如图3-22所示。公元220~230年三国时呈现的记里鼓车，如图3-23所示，已有一套减速齿轮系统。马钧（公元235年）所制成的指南车，如图3-24、图3-25所示，除有齿轮传动外，还有离合装置，阐明齿轮系已展开到一定的水平。指南车的发明，标记着我国古代对齿轮系统的应用在当时世界上居于遥遥抢先的位置，实践上，它是现代车辆上离合器的先驱。（公元265~420年）晋代的杜预发明水轮驱动的水转连磨，其中应用了齿轮系的原理，如图3-26所示。
图3-21 东汉的水排
图3-22 水运浑象仪原理
图3-23 记里鼓车
图3-24 指南车 史书中关于齿轮传动的最早记载，是《新唐书·天文志》中僧一行、梁令瓒在唐开元13年（公元725年）制造的水运浑仪的描画。《新仪象法要》细致记载了苏颂、韩公廉等人于北宋元祐3年（公元1088年）制造的水运仪象台，该台范围庞大，已有了一套比较复杂的齿轮传动系统，如图3-27所示。 北宋元祐元年（公元1086年），朝廷批准了苏颂制造水运仪象台的讲演，他向朝廷引荐知晓数学运算和天文学的韩公廉等人共同研制。北宋元祐三年（公元1088年）5月，苏颂制成了全部仪器的小木样。 科学引领齿轮技术高速展开 蒸汽机的呈现掀开了工业反动的巨大篇章，人类从未如此深化地觉得到人力的渺小。机械动力的宏鼎力气让我们感到震惊。动力的问题处置之后，机械机构的设计一日千里，齿轮也不例外。齿轮机构实践上是一种传送动力机构，基本的用处在于改动运动的速度和方向。相关于其他动力机构，齿轮传输的功率更大，保险性更高，运用寿命更长，因而齿轮在工业中得到普遍的应用。 早期齿轮并没有齿形和齿距的规格请求，因而连续转动的主动轮常常不能使从动轮连续转动。为了使齿轮啮合得更精确，数学家们也参与了齿轮的研讨工作，希望经过计算的措施得到齿轮的外形。
图3-25 指南车齿轮传动系统
图3-26 水转连磨
图3-27 水运仪象台结构 摆线齿轮的呈现 17世纪以前的齿轮，运转是不等速的。1674年，丹麦天文学家罗默提出用外摆线齿形能使齿轮等速运动的观念；1694年，法国学者海尔在巴黎科学院作了“摆线轮”的演讲，提出“外摆线齿形的齿轮与点齿轮或针齿轮啮合时是等角速度运动”的观念；1733年法国数学家卡米对钟表齿轮的齿形中止了研讨，提出了著名的“啮合基本理论定理”即“Camus定理”；1832年英国里德以为“某一给定齿数的齿轮，当它与不同齿数的齿轮啮合时，其齿形应是各不相同的”，初次提出了互换性问题。19世纪中叶，英国威利斯提出节圆外侧和内侧分别采用外摆线和内摆线的复合摆线齿形，摆线滚动圆与齿数无关，这种齿形不论齿数多少都能正确啮合，是具有互换性的。不久，市面上出卖依据摆线齿形设计的成形铣刀，从而使摆线齿轮提高全世界。时至今日，固然渐开线齿轮占大多数，但摆线仍用作摆线针轮行星减速器中齿轮和罗茨轮等的齿形曲线，而钟表中的齿轮依旧是复合摆线齿形。摆线齿轮（图3-28）是齿廓为各种摆线或其等距曲线的圆柱齿轮的统称。摆线齿轮的齿数很少，常用在仪器仪表中，较少用作动力传动，其派生型—摆线针轮传动（图3-29）则应用较多。
图3-28 摆线齿轮传动
图3-29 摆线针轮行星减速器元件 渐开线齿轮的呈现 用渐开线作为齿轮齿廓曲线，最早是法国学者海尔于1694年在一次以“摆线论”为题的演讲中提出来的。1767年，瑞士数学家欧拉在不知道海尔和卡米的研讨成果的状况下，单独对齿廓中止了解析研讨，他以为把渐开线作为齿轮的齿廓曲线是适合的，故欧拉是渐开线齿廓的真正开辟者。后来萨瓦里进一步完善了这一理论解析措施，成为往常研讨齿廓时普遍采用的Euler-Savary方程式。1837年，英国威利斯指出，当中心距变更时，渐开线齿轮具有角速比不变的优点，威利斯发明了制造渐开线齿轮的简双措施。后来渐开线齿轮的优越性逐步为人们所认识，最后，在消费中，渐开线齿轮逐步取代了摆线齿轮，应用日趋普遍。 1900年，普福特首创了万能滚齿机，用范成法切制齿轮占领压倒性优势，渐开线齿轮在全世界逐步占统治位置。在齿轮的工作过程中，两齿轮的啮合点随时间变更也在变更，在这个变更中转动距离发作了变更，假如采用圆的曲线（不是渐开线，圆弧的），就会呈现瞬时转动速度的变更，产生速度的脉动性（瞬时速度不等）。而在任何时分采用渐开线齿轮，齿轮速度是匀速的，没有脉动性。 现代运用的齿轮中，渐开线齿轮占绝大多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。渐开线齿轮种类很多，图3-30为圆柱齿轮传动和锥齿轮传动。渐开线是一个数学概念，其定义为：将一个圆轴固定在一个平面上，轴上缠线，拉紧一个线头，让该线绕圆轴运动且一直与圆轴相切，那么线上的一个定点在该平面上的轨迹就是渐开线。齿轮的齿形由渐开线和过渡线组成时，该齿轮就是渐开线齿轮。 渐开线齿轮的特性：方向不变，若齿轮传送的力矩恒定，则轮齿之间、轴与轴承之间压力的大小和方向均不变。
图3-30 渐开线齿轮传动
图3-31 斜齿圆弧齿轮传动 圆弧齿轮是一种以圆弧作为齿形的斜齿（或人字齿）轮，如图3-31、图3-32所示。对单圆弧齿轮，通常小齿轮作成凸齿，大齿轮作成凹齿。为加工方便，普通法面齿形作成圆弧，两端面齿形只是近似的圆弧。 齿廓为圆弧形的点啮合齿轮传动，通常有两种啮合方式：一是小齿轮为凸圆弧齿廓，大齿轮为凹圆弧齿廓，称单圆弧齿轮传动。二是大、小齿轮在各自的节圆以外部分都做成凸圆弧齿廓，在节圆以内的部分都做成凹圆弧齿廓，称为双圆弧齿轮传动。 在中国，单圆弧齿轮传动用于高速重载的汽轮机、紧缩机和低速重载的轧钢机等设备上；双圆弧齿轮传动用于大型轧钢机的主传动上。
图3-32 人字形圆弧齿轮传动 多种齿形并存 整个20世纪，渐开线齿轮在机械传动装置中占领统治位置。1907年，英国人弗兰克·哈姆·菲利斯最早发表了圆弧齿形。20世纪50年代，呈现了点啮合的圆弧齿轮，主要适用于高速重载场所。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也取得了新的停顿。为了满足工业展开的请求，目前又呈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，而渐开线齿轮自身亦在不时地改进（如变位、修缘、修形等）。一切这些齿形，为了顺应各种不同的请求，亦在不时地改进，而新的齿形亦在不时地产生。各种齿形并存，并相互渗透，有朝一日，有可能会呈现一种能顺应各种不同请求、吸取各种齿形优点的新型齿形。人类在几千年的消费劳作过程中积聚了丰厚的阅历，发明了齿轮，大大提升了消费力。古代所运用的原始齿轮装置中所见的齿轮，都是木工手工制造的，齿形和齿距都未思索。到了中世纪，随着水利、风力、畜力的应用，呈现了传送力相当大的齿轮。18世纪以前，虽没有理论上的正确齿形，但已能思索齿距，凭阅历制造出能正确传送旋转运动的齿轮。到了18世纪，随着以蒸汽机的发明为标记的工业反动的到来，科学引领使齿轮技术得到了高速展开。 本文内容摘自化学工业出版社图书（图书详情），由金属加工整理，如需转载请联络金属加工微信公众号（ID：mw1950pub）。 -End- 金属加工整理 本文编辑：sophia 媒体协作: 010-88379864
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