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齒輪的調研報告

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齒輪的調研報告齒輪是指輪緣上有齒輪連續嚙合傳遞運動和動力的機械元件。齒輪在傳動中的應用很早就出現了。19世紀末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機床與刀具的相繼出現，隨著生產的發展，齒輪運轉的平穩性受到重視。
在西方，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。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，使它與銷輪嚙合，他把這種機構應用到刻漏上。這約是公元前150年的事。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，羅馬的建筑家畢多畢斯制作的水車式制粉機上也使用了齒輪傳動裝置。到14世紀，開始在鐘表上使用齒輪。
東漢初年（公元 1世紀）已有人字齒輪。三國時期出現的指南車和記里鼓車已采用齒輪傳動系統。晉代杜預發明的水轉連磨就是通過齒輪將水輪的動力傳遞給石磨的。史書中關于齒輪傳動系統的最早記載，是對唐代一行、梁令瓚于 725年制造的水運渾儀的描述。北宋時制造的水運儀象臺（見中國古代計時器）運用了復雜的齒輪系統。明代茅元儀著《武備志》（成書于1621年）記載了一種齒輪齒條傳動裝置。1956年發掘的河北安午汲古城遺址中，發現了鐵制棘齒輪，輪直徑約80毫米，雖已殘缺，但鐵質較好，經研究，確認為是戰國末期（公元前3世紀）到西漢(公元前206～公元24年)期間的制品。1954年在山西省永濟縣蘗家崖出土了青銅棘齒輪。參考同坑出土器物，可斷定為秦代(公元前221～前206)或西漢初年遺物，輪40齒，直徑約25毫米。關于棘齒輪的用途，迄今未發現文字記載，推測可能用于制動，以防止輪軸倒轉。1953年陜西省長安縣紅慶村出土了一對青銅人字齒輪。根據墓結構和墓葬物品情況分析，可認定這對齒輪出于東漢初年。兩輪都為24齒，直徑約15毫米。衡陽等地也發現過同樣的人字齒輪。
早在1694年，法國學者PHILIPPE DE LA HIRE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。它考慮了兩齒面的嚙合狀態；明確建立了現代關于接觸點軌跡的概念。1765年，瑞士的L．EULER提出漸開線齒形解析研究的數學基礎，闡明了相嚙合的一對齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關系。后來，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。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。
19世紀末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機床與刀具的相繼出現，使齒輪加工具備較完備的手段后，漸開線齒形更顯示出巨大的優越性。切齒時只要將切齒工具從正常的嚙合位置稍加移動，就能用標準刀具在機床上切出相應的變位齒輪。1908年，瑞士MAAG研究了變位方法并制造出展成加工插齒機，后來，英國BSS、美國AGMA、德國DIN相繼對齒輪變位提出了多種計算方法
為了提高動力傳動齒輪的使用壽命并減小其尺寸，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。1907年，英國人FRANK HUMPHRIS最早發表了圓弧齒形。1926年，瑞士人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并獲得列寧勛章。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。
齒輪是能互相嚙合的有齒的機械零件，它在機械傳動及整個機械領域中的應用極其廣泛。現代齒輪技術已達到：齒輪模數0.004～100毫米；齒輪直徑由1毫米～150米；傳遞功率可達上十萬千瓦；轉速可達幾十萬轉/分；最高的圓周速度達300米/秒。
隨著生產的發展，齒輪運轉的平穩性受到重視。1674年丹麥天文學家羅默首次提出用外擺線作齒廓曲線，以得到運轉平穩的齒輪。
18世紀工業革命時期，齒輪技術得到高速發展，人們對齒輪進行了大量的研究。1733年法國數學家卡米發表了齒廓嚙合基本定律；1765年瑞士數學家歐拉建議采用漸開線作齒廓曲線。
19世紀出現的滾齒機和插齒機，解決了大量生產高精度齒輪的問題。1900年，普福特為滾齒機裝上差動裝置，能在滾齒機上加工出斜齒輪，從此滾齒機滾切齒輪得到普及，展成法加工齒輪占了壓倒優勢，漸開線齒輪成為應用最廣的齒輪。
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。1923年美國懷爾德哈伯最先提出圓弧齒廓的齒輪，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于生產。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于制造，還有待進一步改進。
齒輪可按齒形、齒輪外形、齒線形狀、輪齒所在的表面和制造方法等分類。
齒輪的齒形包括齒廓曲線、壓力角、齒高和變位。漸開線齒輪比較容易制造，因此現代使用的齒輪中，漸開線齒輪占絕對多數，而擺線齒輪和圓弧齒輪應用較少。
在壓力角方面，小壓力角齒輪的承載能力較小；而大壓力角齒輪，雖然承載能力較高，但在傳遞轉矩相同的情況下軸承的負荷增大，因此僅用于特殊情況。而齒輪的齒高已標準化，一般均采用標準齒高。變位齒輪的優點較多，已遍及各類機械設備中。
另外，齒輪還可按其外形分為圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸桿蝸輪；按齒線形狀分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪；按輪齒所在的表面分為外齒輪、內齒輪；按制造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結齒輪等。
齒輪的制造材料和熱處理過程對齒輪的承載能力和尺寸重量有很大的影響。20世紀50年代前，齒輪多用碳鋼，60年代改用合金鋼，而70年代多用表面硬化鋼。按硬度，齒面可區分為軟齒面和硬齒面兩種。
軟齒面的齒輪承載能力較低，但制造比較容易，跑合性好，多用于傳動尺寸和重量無嚴格限制，以及小量生產的一般機械中。因為配對的齒輪中，小輪負擔較重，因此為使大小齒輪工作壽命大致相等，小輪齒面硬度一般要比大輪的高。
硬齒面齒輪的承載能力高，它是在齒輪精切之后，再進行淬火、表面淬火或滲碳淬火處理，以提高硬度。但在熱處理中，齒輪不可避免地會產生變形，因此在熱處理之后須進行磨削、研磨或精切，以消除因變形產生的誤差，提高齒輪的精度。
制造齒輪常用的鋼有調質鋼、淬火鋼、滲碳淬火鋼和滲氮鋼。鑄鋼的強度比鍛鋼稍低，常用于尺寸較大的齒輪；灰鑄鐵的機械性能較差，可用于輕載的開式齒輪傳動中；球墨鑄鐵可部分地代替鋼制造齒輪；塑料齒輪多用于輕載和要求噪聲低的地方，與其配對的齒輪一般用導熱性好的鋼齒輪。...

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