人類現在的生活雖然信息化如此發，但是還是離不開經典力學給人類生活帶來的便捷。人們的生活生產無不與機械有關，它滲透在生活中的每個領域。仍然時刻都在享受著機械帶來的恩惠。而我作為機械家族的代表之一——齒輪，今天就跟大家好好聊一聊我們家族的發展歷史。
我們齒輪傳動是現在應用最廣泛的一種機械傳動，可實現改變轉速和轉矩、改變運動方向和改變運動形式等功能，具有傳動效率高、傳動比準確、功率範圍大等優點。下面我們家族不同的樣子還有不同的組合方式相信大家都不會陌生，我們出現在很多人類生活和生產的地方。今天就給大家聊聊我們這個齒輪家族的發展史。
齒輪的古代發展和應用史
人類對齒輪的使用源遠流長，可以說齒輪伴隨著人類文明一直擔任著重要的生產生活角色。
公元前300年，古希臘哲學家亞里士多德在《機械問題》中，就闡述了用青銅或鑄鐵齒輪傳遞旋轉運動的問題。
公元前150年，希臘著名學者亞里士多德和阿基米德都研究過齒輪，希臘有名的發明家古蒂西比奧斯在圓板工作臺邊緣上均勻地插上銷子，使它與銷輪齧合，他把這種機構應用到刻漏上。
古希臘出土的齒輪裝置
在公元前100年，亞歷山人的發明家赫倫發明了里程計，在里程計中使用了齒輪。
公元1世紀時，羅馬的建築家畢多畢斯製作的水車式制粉機上也使用了齒輪傳動裝置。
到14世紀，開始在鐘錶上使用齒輪。
當然，古文明發源地的中國也同樣用齒輪解決很多生產和生活的問題。據大量的出土文物和史書記載，中國是世界上應用齒輪最早的國家之一。
1956年，在河北武安午汲古城遺址中，發現了直徑約80mm的鐵齒輪，經研究確定為戰國末期到西漢（公元前3世紀~公元24年）間的製品；
1954年，在山西永濟縣櫱家崖出土的器物中，有直徑為25mm、40齒的青銅棘齒輪，經研究確定為秦代至西漢初年（公元前221年～公元24年）間的遺物；
1957年，陝西長安縣紅慶村出土了一對直徑為24mm、齒數都為24的青銅人字齒輪，據分析系東漢初年（公元1世紀）遺物。
東漢時期杜詩發明的冶鑄鼓風用的“水排”，其原理是在激流中置一木輪，然後通過輪軸、拉桿等機械傳動裝置把圓周運動變成直線往復運動，以此達到起閉風扇鼓風的目的，其中應用了齒輪和連桿機構。
同時期小學課本上著名的科學家張衡製作的水運渾象儀用精銅鑄成，主體是一個球體模型，代表天球，球體可以繞天軸轉動。
公元220~230年三國時出現的記裡鼓車，這個設備裡面已有一套減速齒輪系統，很了不起。
馬鈞（公元235年）所製成的指南車，除有齒輪傳動外，還有離合裝置，說明齒輪系已發展到一定的程度。指南車的發明，標誌著我國古代對齒輪系統的應用在當時世界上居於遙遙領先的地位，實際上，它是現代車輛上離合器的先驅。
指南車的齒輪傳動還原圖
（公元265~420年）晉代的杜預發明水輪驅動的水轉連磨，其中應用了齒輪系的原理。
齒輪形態變化的發展史
- 蒸汽機的出現掀開了近現在工業革命的偉大篇章，機械動力的能量讓人類體會到了真正的力量。
- 動力的問題解決之後，機械機構的設計日新月異，齒輪也不例外。
- 齒輪機構實際上是一種傳遞動力機構，基本的用途在於改變運動的速度和方向。
- 相對於其他動力機構，齒輪傳輸的功率更大，安全性更高，使用壽命更長，因此齒輪在工業中得到廣泛的應用。
可是在早期齒輪並沒有齒形和齒距的規格要求，因此連續轉動的主動輪往往不能使從動輪連續轉動。早期的齒輪形態經歷了兩個過程：
- 撥掛齒輪。古代所使用的原始齒輪裝置中所見的齒輪，齒形和齒距都未考慮。
- 等齒距齒輪。17世紀以前，雖沒有理論上正確的齒形，但已能考慮齒距，憑經驗製造出能正確傳遞旋轉運動的齒輪。
為了使齒輪齧合得更精確，那時候沒有我們這麼方便的輔助軟件，沒有計算機，這裡就需要專業的數學家來進行精確的計算。數學家們也參加了齒輪的研究工作，希望通過計算的方法得到齒輪的形狀。
經過數學家的計算演練，我們齒輪家族在這幾百年間，先後出現三種常用齒輪形狀：擺線、漸開線、圓弧。
1，擺線齒輪的出現
我們齒輪在整個工業史上17世紀以前，運轉是不等速的。
- 1674年，丹麥天文學家羅默提出用外擺線齒形能使齒輪等速運動的觀點；
- 1694年，法國學者海爾在巴黎科學院作了“擺線輪”的演講，提出“外擺線齒形的齒輪與點齒輪或針齒輪齧合時是等角速度運動”的觀點；
- 1733年法國數學家卡米對鐘錶齒輪的齒形進行了研究，提出了著名的“齧合基本理論定理”即“Camus定理”；
- 1832年英國裡德認為“某一給定齒數的齒輪，當它與不同齒數的齒輪齧合時，其齒形應是各不相同的”，首次提出了互換性問題。
9世紀中葉，英國威利斯提出節圓外側和內側分別採用外擺線和內擺線的複合擺線齒形，擺線滾動圓與齒數無關，這種齒形不管齒數多少都能正確齧合，是具有互換性的。不久，市面上出售根據擺線齒形設計的成形銑刀，從而使擺線齒輪普及全世界。
時至今日，雖然漸開線齒輪佔大多數，但擺線仍用作擺線針輪行星減速器中齒輪和羅茨輪等的齒形曲線，而鐘錶中的齒輪仍然是複合擺線齒形。
擺線齒輪是齒廓為各種擺線或其等距曲線的圓柱齒輪的統稱。擺線齒輪的齒數很少，常用在儀器儀表中，較少用作動力傳動，其派生型—擺線齒輪傳動則應用較多。
2，漸開線齒輪的廣泛應用
- 用漸開線作為齒輪齒廓曲線，最早是法國學者海爾於1694年在一次以“擺線論”為題的演講中提出來的。首先提出漸開線可作為齒形曲線。
- 1733年，法國人M.CAMUS提出輪齒接觸點的公法線必須通過中心連線上的節點。一條輔助瞬心線分別沿大輪和小輪的瞬心線(節圓)純滾動時，與輔助瞬心線固聯的輔助齒形在大輪和小輪上所包絡形成的兩齒廓曲線是彼此共軛的，這就是CAMUS定理。它考慮了兩齒面的齧合狀態；明確建立了現代關於接觸點軌跡的概念。
- 1765年，瑞士的L．EULER提出漸開線齒形解析研究的數學基礎，闡明瞭相齧合的一對齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關係。後來，SAVARY進一步完成這一方法，成為EU-LET-SAVARY方程。對漸開線齒形應用作出貢獻的是ROTEFT WULLS，他提出中心距變化時，漸開線齒輪具有角速比不變的優點。
- 1767年，瑞士數學家歐拉在不知道海爾的研究成果的情況下，獨自對齒廓進行了解析研究，他認為把漸開線作為齒輪的齒廓曲線是合適的，故歐拉是漸開線齒廓的真正開拓者。後來薩瓦里進一步完善了這一理論解析方法，成為現在研究齒廓時廣泛採用的Euler-Savary方程式。
- 1837年，英國的威列斯創造了製造漸開線齒輪的簡單方法。這樣，在生產中漸開線齒輪取代了擺線齒輪，應用日趨廣泛。
- 1873年，德國工程師HOPPE提出，對不同齒數的齒輪在壓力角改變時的漸開線齒形，從而奠定了現代變位齒輪的思想基礎。
那好，漸開線齒輪作為最優選的理論有了，加工方式呢？
1900年，普福特首創了萬能滾齒機，用範成法切制齒輪佔據壓倒性優勢，漸開線齒輪在全世界逐漸佔統治地位。在齒輪的工作過程中，兩齒輪的齧合點隨時間變化也在變化，在這個變化中轉動距離發生了變化，如果採用圓的曲線（不是漸開線，圓弧的），就會出現瞬時轉動速度的變化，產生速度的脈動性（瞬時速度不等）。而在任何時候採用漸開線齒輪，齒輪速度是勻速的，沒有脈動性。
現代使用的齒輪中，漸開線齒輪佔絕大多數，而擺線齒輪和圓弧齒輪應用較少。
漸開線是一個數學概念，其定義為：將一個圓軸固定在一個平面上，軸上纏線，拉緊一個線頭，讓該線繞圓軸運動且始終與圓軸相切，那麼線上的一個定點在該平面上的軌跡就是漸開線。
漸開線數學幾何模型
齒輪的齒形由漸開線和過渡線組成時，該齒輪就是漸開線齒輪。
漸開線齒輪的特點：方向不變，若齒輪傳遞的力矩恆定，則輪齒之間、軸與軸承之間壓力的大小和方向均不變。
3，圓弧齒輪的後續研究
為了提高動力傳動齒輪的使用壽命並減小其尺寸，除從材料，熱處理及結構等方面改進外，圓弧齒形的齒輪獲得了發展。圓弧齒輪是一種以圓弧作為齒形的斜齒（或人字齒）輪，對單圓弧齒輪，通常小齒輪作成凸齒，大齒輪作成凹齒。為加工方便，一般法面齒形作成圓弧，兩端面齒形只是近似的圓弧。
- 1907年，英國人FRANK HUMPHRIS最早發表了圓弧齒形。
- 1923年美國懷爾德哈伯也提出圓弧齒廓的齒輪
- 1926年，瑞土人ERUEST WILDHABER取得法面圓弧齒形斜齒輪的專利權。
- 1955年，蘇聯的M．L．NOVIKOV完成了圓弧齒形齒輪的實用研究並獲得列寧勳章。
- 1970年，英國ROLH—ROYCE公司工程師R．M．STUDER取得了雙圓弧齒輪的美國專利。這種齒輪現已日益為人們所重視，在生產中發揮了顯著效益。
- 1899年，拉舍最先實施了變位齒輪的方案。變位齒輪不僅能避免輪齒根切，還可以湊配中心距和提高齒輪的承載能力。
- 1955年，蘇諾維科夫對圓弧齒輪進行了深入的研究，圓弧齒輪遂得以應用於生產。
這種齒輪的承載能力和效率都較高，但尚不及漸開線齒輪那樣易於製造，還有待進一步改進。
齒廓為圓弧形的點齧合齒輪傳動，通常有兩種齧合形式：
一是小齒輪為凸圓弧齒廓，大齒輪為凹圓弧齒廓，稱單圓弧齒輪傳動。
二是大、小齒輪在各自的節圓以外部分都做成凸圓弧齒廓，在節圓以內的部分都做成凹圓弧齒廓，稱為雙圓弧齒輪傳動。
一般單圓弧齒輪傳動用於高速重載的汽輪機、壓縮機和低速重載的軋鋼機等設備上，而雙圓弧齒輪傳動用於大型軋鋼機的主傳動上。
簡單總結一下，目前是多種齒形並存的發展。
- 20世紀，漸開線齒輪佔統治地位。
- 圓弧齒輪，主要適用於高速重載場合。
- 擺線齒輪除在鐘錶方面繼續採用外，在擺線針輪行星減速器方面取得了新的進展。
根據多樣化工業發展的要求，我們家族在近代目前又出現了阿基米德螺旋線齒輪、拋物線齒輪、準雙曲面齒輪、橢圓齒輪、綜合曲線齒輪、無名曲線齒輪等。我們齒輪家族也會越來越壯大。
好了幾天就介紹到這裡，下期我們機械家族裡面還有哪一個小夥伴要介紹呢，敬請期待哦！
