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    齒輪的前世今生,這才是機械人自己的科普!

    時間 :2024-03-08 作者 : 來源: 瀏覽 : 分類 :行業動態
    在齒輪的作用中,除了將旋轉運動以平行方式進行傳達以外,還能夠將旋轉運動變換成直線運動,能夠通過將擁有不同轉動軸的齒輪進行組合,對轉動方向進行變換,通過將大小不同的齒輪進行組合,對轉動速度進行變換等

    本文轉自:中國機械工程學會:如有侵權請聯系刪除。

    從手表到汽輪機,大大小小各種各樣的齒輪,作為傳達動力時的機械部件被廣泛地應用在各種產品里。

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    齒輪以及齒輪組件的產品在全世界的市場規模據說已經達到了萬億元,伴隨著工業的發展預測今后仍將得到快速的發展。


    齒輪簡史


    要說起齒輪的歷史據說可以追溯到公元前,對于現存的世界最老的齒輪之一可以說應該是被稱為“安提基特拉機械”的古希臘時代安裝于機器里的齒輪。

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    安提基特拉機械——古代天文計算器


    同時,在齒輪的歷史上,據說為我們留下了最偉大成果的應該是列奧納多·達·芬奇,通過他的研究,在15世紀后半葉使得齒輪獲得了巨大的進步,可以說現在所使用的齒輪形狀的基礎就是在那個年代固定下來的。

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    達芬奇齒輪手稿


    在18世紀后半葉的產業革命時期里,高效率的切齒機相繼開發出來使得齒輪的批量化生產成為可能,齒輪在所有制造行業里獲得了廣泛的應用。齒輪在隨后相繼而出的日新月異的制造行業里提供支持,扮演著工業振興的象征性的角色,現在許多國家在設計貨幣或國徽時也會采用齒輪。

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    舊版10瑞士法郎紙幣


    在今天作為具有代表性的動力傳達機構,除了齒輪以外還可以列出變矩器和皮帶、鏈條方式等等,但是在傳達效率和負荷容量、壽命方面來看齒輪的優越性還是大家認可的。在日本,于2016年開發出來了可以將生產效益提高到10倍的新形狀的傘齒輪“IP (漸開線·整平機) 傘齒輪”,在世界上引起了極大的關注。還有,使用了CFRP (碳素纖維強化塑料)的齒輪的批量化生產研究也在進行,可以期待今后會有更進一步的前進。

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    IP(漸開線·整平機)傘齒輪

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    CFRP(碳素纖維強化塑料)齒輪


    齒輪的作用和種類


    在齒輪的作用中,除了將旋轉運動以平行方式進行傳達以外,還能夠將旋轉運動變換成直線運動,能夠通過將擁有不同轉動軸的齒輪進行組合,對轉動方向進行變換,通過將大小不同的齒輪進行組合,對轉動速度進行變換等。為了達到以上目的,正齒輪、齒條、渦輪、傘齒輪等各種各樣的齒輪被開發了出來。

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    將旋轉運動平行地進行傳遞

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    將旋轉運動變換為直線運動

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    通過擁有不同傳動軸的齒輪組合來改變轉動方向

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    通過齒輪的組合對轉速進行改變

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    除此之外,在各種不同的齒輪軸向形狀(齒的較長方向的形狀)里,有垂直的(直齒),有斜的(螺旋齒),有彎的(螺旋齒) 等,如果把這些也考慮在內,對齒輪進行分類的話,齒輪的種類可以達到十幾種。

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    螺旋齒的齒向形狀


    在齒輪的齒形(齒的斷面形狀)里,“漸開線齒形”和“次擺線齒形”已經成為主流。特別是漸開線齒形,可以獲得順暢的旋轉運動,另外由于切齒加工比較簡單,所以在各產業里得到了廣泛的使用。

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    漸開線齒形(咬合齒的接觸點總在某條直線上移動)


    齒輪的常規材質有碳素鋼(S45C)和不銹鋼(SUS303)等,不過除了這些以外,為了能讓齒輪輕量化,還使用了工程塑料 (MC901),為了提高齒輪咬合時的安靜性也使用了球墨鑄鐵(FCD),為了提高強度也使用淬火鋼等等。


    就這樣,從種類、形狀、材料等來看,分類豐富的齒輪在全世界的工業產品里得到了廣泛的使用。


    組合在各種各樣的工業產品里的齒輪


    說起將齒輪組裝進去后我們身邊最常用的工業產品,可以舉出手表和相機等等,幅度不到1毫米的小小的齒輪,使用在手表的轉動機構或相機的焦距調整機構里?,F在,達到微米程度的極小齒輪的開發也在進行中,將來在被稱為微型機器等的發展里也會有齒輪的貢獻。

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    另外,鐵路和船舶、工程機械、制鐵、能源等等這些被稱為重工業的領域里,大大小小的各種各樣的齒輪在進行組合后產生出來的齒輪箱也會在多種場合下得到應用。所謂齒輪箱,就是減少動力的轉速以獲得扭矩,或者反過來是增加動力的轉速的傳達機構的總稱,比如說,使用于鐵路車輛上的車輪驅動部分,和風力、火力發電等使用的渦輪發電機上。

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    還有,近年來在飛機產業里,內置齒輪箱的GTF (Geared Turbo Fan Engine) 已經實用化了,得到了大家極大的關注。GTF,可以通過齒輪箱的作用讓渦輪和風扇的轉速達到最佳化,是一種可以達到低燃料和安靜性的發動機?,F在中小型飛機上的使用已經規范化,將來隨著齒輪箱輕量化問題的解決,應該是可以推廣到大型旅客機上去的。

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    安裝于各種各樣工業產品里的齒輪,作為機械技術進步的幕后功臣,也在不斷豐富著我們的社會生活。


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