齿轮的前世今生,这才是机械人自己的科普!
时间:2019年01月11日

 

   从手表到汽轮机,大大小小各种各样的齿轮,作为传达动力时的机械部件被广泛地应用在各种产品里。齿轮以及齿轮组件的产品在全世界的市场规模据说已经达到了万亿元,伴随着工业的发展预测今后仍将得到快速的发展。

 

 


齿轮简史

 

  要说起齿轮的历史据说可以追溯到公元前,对于现存的世界最老的齿轮之一可以说应该是被称为“安提基特拉机械”的古希腊时代安装于机器里的齿轮。

 


安提基特拉机械——古代天文计算器

 

  同时,在齿轮的历史上,据说为我们留下了最伟大成果的应该是列奥纳多·达·芬奇,通过他的研究,在15世纪后半叶使得齿轮获得了巨大的进步,可以说现在所使用的齿轮形状的基础就是在那个年代固定下来的。

 

 


 

达芬奇齿轮手稿

 

  在18世纪后半叶的产业革命时期里,高效率的切齿机相继开发出来使得齿轮的批量化生产成为可能,齿轮在所有制造行业里获得了广泛的应用。齿轮在随后相继而出的日新月异的制造行业里提供支持,扮演着工业振兴的象征性的角色,现在许多国家在设计货币或国徽时也会采用齿轮。

 


旧版10瑞士法郎纸币

 

  在今天作为具有代表性的动力传达机构,除了齿轮以外还可以列出变矩器和皮带、链条方式等等,但是在传达效率和负荷容量、寿命方面来看齿轮的优越性还是大家认可的。在日本,于2016年开发出来了可以将生产效益提高到10倍的新形状的伞齿轮“IP (渐开线·整平机) 伞齿轮”,在世界上引起了极大的关注。还有,使用了CFRP (碳素纤维强化塑料)的齿轮的批量化生产研究也在进行,可以期待今后会有更进一步的前进。

 


IP(渐开线·整平机)伞齿轮

 


CFRP(碳素纤维强化塑料)齿轮

 

 

齿轮的作用和种类

 

在齿轮的作用中,除了将旋转运动以平行方式进行传达以外,还能够将旋转运动变换成直线运动,能够通过将拥有不同转动轴的齿轮进行组合,对转动方向进行变换,通过将大小不同的齿轮进行组合,对转动速度进行变换等。为了达到以上目的,正齿轮、齿条、涡轮、伞齿轮等各种各样的齿轮被开发了出来。

 


将旋转运动平行地进行传递

 


将旋转运动变换为直线运动

 


通过拥有不同传动轴的齿轮组合来改变转动方向

 


通过齿轮的组合对转速进行改变

 

 

  除此之外,在各种不同的齿轮轴向形状(齿的较长方向的形状)里,有垂直的(直齿),有斜的(螺旋齿),有弯的(螺旋齿) 等,如果把这些也考虑在内,对齿轮进行分类的话,齿轮的种类可以达到十几种。

 

 


螺旋齿的齿向形状

 

 

  在齿轮的齿形(齿的断面形状)里,“渐开线齿形”和“次摆线齿形”已经成为主流。特别是渐开线齿形,可以获得顺畅的旋转运动,另外由于切齿加工比较简单,所以在各产业里得到了广泛的使用。

 


渐开线齿形

 

(咬合齿的接触点总在某条直线上移动)

 

 

  齿轮的常规材质有碳素钢(S45C)和不锈钢(SUS303)等,不过除了这些以外,为了能让齿轮轻量化,还使用了工程塑料 (MC901),为了提高齿轮咬合时的安静性也使用了球墨铸铁(FCD),为了提高强度也使用淬火钢等等。就这样,从种类、形状、材料等来看,分类丰富的齿轮在全世界的工业产品里得到了广泛的使用。

 

 

组合在各种各样的工业产品里的齿轮

 

  说起将齿轮组装进去后我们身边最常用的工业产品,可以举出手表和相机等等,幅度不到1毫米的小小的齿轮,使用在手表的转动机构或相机的焦距调整机构里。现在,达到微米程度的极小齿轮的开发也在进行中,将来在被称为微型机器等的发展里也会有齿轮的贡献。

 


  另外,铁路和船舶、工程机械、制铁、能源等等这些被称为重工业的领域里,大大小小的各种各样的齿轮在进行组合后产生出来的齿轮箱也会在多种场合下得到应用。所谓齿轮箱,就是减少动力的转速以获得扭矩,或者反过来是增加动力的转速的传达机构的总称,比如说,使用于铁路车辆上的车轮驱动部分,和风力、火力发电等使用的涡轮发电机上。

 


  还有,近年来在飞机产业里,内置齿轮箱的GTF (Geared Turbo Fan Engine) 已经实用化了,得到了大家极大的关注。GTF,可以通过齿轮箱的作用让涡轮和风扇的转速达到最佳化,是一种可以达到低燃料和安静性的发动机。现在中小型飞机上的使用已经规范化,将来随着齿轮箱轻量化问题的解决,应该是可以推广到大型旅客机上去的。

 


  安装于各种各样工业产品里的齿轮,作为机械技术进步的幕后功臣,也在不断丰富着我们的社会生活。

 

 

 

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