齿轮传动技术的发展

作者：邱垂元－1/35－89.9.301.齿轮的历史发展几乎与人类的文明同步，早在公元前2000年左右，中、外历史上就已有使用齿轮的记载，齿轮机构可以说是人类最古老的机械组件之一。但是一直要到十七世纪后半叶，才有齿轮齿形的理论研究，加工方法是利用成形铣刀铣削轮齿，加工效率很低。近代的齿轮工业技术要等到19世纪末，齿轮加工技术有所突破之后才突飞猛进。换言之，近100年的齿轮技术发展史，可以说就是齿轮加工技术的发展史。谈到齿轮的历史，身为中国人不免要提到黄帝时代(约4500年前)的指南车，如图1所示，这是古代中国人智能的代表，指南车上人偶与车轮之间藉由一串复杂的差速齿轮传动机构传动，当我们把车上的人手指向南方之后，不论车轮往那一个方向走，车上的人手永远指向南方。图2为北宋时期(公元1090年)建于河南开封的天文台，天文台分三层，最上层放置观测天象的仪器，第二层是星座仪，最下层为类似今日的报时钟，钟塔下有水流过，水推动水轮，并藉由一串齿轮传动机构转动钟台，钟台上有五层，每层放置各式的人偶，当出现不同人偶时，即表示不同时间。齿轮的历史发展过程，可以概分如下五个阶段：(~400B.C.)史书中尚无可靠的使用齿轮记载，但由传说或考古中推测得知齿轮的使用，此阶段的齿轮尚无技术意义可言。(400B.C.~1700A.C.)目前有关齿轮的最早文献纪录，是希腊大哲学家亚里士多德(Aristotle)于其著作中提到齿轮的机械组件，当时约为公元前作者：邱垂元－2/35－89.9.30330年。但是一直到公元1700年以前，齿轮主要都还是由手工切削(锉刀加工)制造而成，齿轮为非正确的理论齿形，但可正确地传递旋转运动。(1700A.C.~1900A.C.)主要是摆线和渐开线两种理论齿形的研究，但使用上以摆线齿轮为主，代表技术为钟表齿轮。此时的齿轮还是用手工加工，只是由技术纯熟的工匠制作。公元1800年以后，金属齿轮使用越来越多，齿轮强度与精度的提高，直接影响到当时如火如荼的工业革命。1(4500)作者：邱垂元－3/35－89.9.302(1090)(AC1900~AC1975)公元1800世纪末叶，齿轮的切齿加工技术开始快速发展，并奠定了现代齿轮工业的基础。齿轮历史中的名人，BrownandSharpe,Fellows,Gleason,Pfauter,Klingelngerg,Lorenz,Liebherr等，都是此时发迹，也都是在齿轮切削技术与设备上有所贡献。作者：邱垂元－4/35－89.9.30齿轮的创成加工法(Generating)，最早的记录是公元1835年英国人J.Whitworth的滚齿机专利。经过后人不断地改良，至公元1900年，德国HermannPfauter改良滚刀轴使能旋转，并增加差速齿轮装置，发展成容易加工螺旋齿轮的万能滚齿机。从此以后，使用滚齿机加工圆柱型齿轮的方法开始普及并上轨道，创成切齿加工法成为主流。齿轮加工设备的重要发展里程简列如下：˙1835年JosephWhitworth(英)发明能切削螺旋齿轮的滚齿机，并得到专利许可。˙1874年WilliamGleason(美)制造出第一台实用的伞齿轮切齿机。˙1884年WilliamGleason(美)发明创成法切削伞齿轮。˙1985年E.R.Fellows(美FellowsGearShaper公司)发明以小齿轮(pinion)型切齿刀切削齿轮的技术。˙1898年JamesE.Gleason(美GleasonWorks公司)使用旋转式切齿刀创成切削伞齿轮。˙1900年HermanPfauter(德)发明滚刀轴能旋转的滚齿机，并使用差速齿轮。˙1908年WardandTaylor(美GearGrindingMachine公司)发明自动的砂轮用钻石修整器，轮磨正齿轮。现今使用的齿轮几乎都是渐开线曲线的齿形，这对1900年以前的齿轮工作者而言是难以想象的，因为理论上，渐开线齿形并不是理想的齿形。拜齿轮加工技术发展之赐，公元1850年以后渐开线齿形渐渐为人们使用，且最后取代了摆线齿轮。关于齿轮理论发展的重要人物与事项简列如下：˙1694年PhilipdelaHire(法)发展完整的摆线齿形数学分析，并提出渐开线曲线可以作为齿形曲线。作者：邱垂元－5/35－89.9.30˙1733年CharlesCamus(法)提出一对齿轮轮齿接触点的公法线，必须通过中心联机上的节点，即Camus定理。他考虑两齿面的啮合状态，建立了现代关于接触点轨迹的概念。˙1754年LeonardEuler(瑞士)提出渐开线齿形共轭啮合解析研究的数学基础，阐明了相啮合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径和曲率中心的关系。有人称他为”渐开线齿轮之父”。˙1832年RobertWillis(英)提出中心距变化时，渐开线齿轮具有角速度不变的优点。他对渐开线齿轮的应用与推广不遗余力，是齿轮工程方面的先驱者。˙1852年EdwardSang(苏格兰)发展齿轮轮齿的创成理论，提出后来创成加工机的理论基础。˙1907年FrankHumphris(英)最早发表圆弧齿形。˙1908年MaxMaag(瑞士)研究齿轮的移位方法，并制造出创成加工用插齿机。˙1926年EruestWildhaber(瑞士)取得法面圆弧齿形螺旋齿轮的专利。˙1955年M.L.Novikov(苏联)完成圆弧齿形齿轮的实用研究，因此圆弧齿轮又称为”W-N齿轮”。˙1970年R.M.Studer(英Rolls-Royce公司)取得双圆弧齿形齿轮的美国专利。作者：邱垂元－6/35－89.9.30(AC1975~)CNC美国麻省理工学院伺服机构实验室于公元1952年首次展示数值控制(NumericalControl，简称NC)铣床，用以加工三度空间的曲面后，机械加工制造技术即迈入一新的纪元。历经四十多年不断地修正及改良，已发展成今日广泛使用的计算机化数值控制(CNC)，不但用于各式工作母机，小单元中的直接数值控制(DNC)，至大系统中的弹性制造系统(FMC)与无人化工厂系统等，都离不开数值控制。早期被视为与数值控制壁垒分明的齿轮加工机，自从德国Pfanter公司于公元1975年在法国巴黎举行的第一届欧洲工具机展中，推出首部利用NC控制的滚齿机后，即有多家齿轮加工设备制造厂，陆续地推出NC齿轮机器。公元1982年美国芝加哥国际工具机展中，除了各式NC齿轮加工机外，已有四家厂商推出CNC滚齿机。距离推出第一台NC齿轮加工机十年后的公元1985年9月，在德国汉诺威举行的第六届欧洲工具机展中，所有展示的齿轮加工设备几乎都是CNC控制的。欲了解现代齿轮加工设备工业的整个发展与演进，我们可以由HermannPfanter所创立的公司的历史发展中一窥全貌。‧1897年HermannPfanter申请万能滚齿机(Universalgearhobbingmachine)专利，可加工正齿轮，蜗轮和螺旋齿轮。‧1900年HermannPfanter机器刀具公司成立于德国的Chemnitz。‧1906年Chemnitz的新厂房完成，开始制造切齿刀具。‧1908～1914年出口额大量增加，特别是出口至美国。作者：邱垂元－7/35－89.9.30‧1914年HermannPfanter逝世于10月14日，享年60岁。‧1936年销售10,000台Pfanter滚齿机。‧1939年工厂占地17,000平方公尺(183,000平方英呎)，员工800人。生产第一台自动送料的滚齿机。‧1943年工厂占地23,000平方公尺(248,000平方英呎)，员工1,200人。超过16,000台机器和200,000支滚刀被订购。厂房和设备开始陆续拆除。‧1945年Chemnitz工厂被征收。‧1949年HermannPfanter公司取消政府注册。公司总部移到德国另一城市Kornwestheim，开始公司改组。‧1952年移至Ludwigsburg，完成58,000平方公尺(625,000平方英呎)新厂房的第一部分。‧1961年销售20,000台Pfauter滚齿机。生产用面积8,000平方公尺984,000平方英呎)，执照许可包括印度的Cooper工程公司。‧1971年在美国伊利诺伊州芝加哥市设立AmericanPfauter公司。‧1973年在巴西的Sorocaba设立Engrenasa公司。‧1975年作者：邱垂元－8/35－89.9.30发表第一台PfauterNC滚齿机。‧1976年销售25,000台Pfauter滚齿机。在法国巴黎成立PfauterFrance公司，执照许可包括雷诺(Renault)的子公司，AcmaMachinesOutils。‧1979年在米兰举行的第三届欧洲工具机展中发表第一台程控的Pfauter滚齿机。‧1983年销售第一台PE150CNC滚齿机。‧1985年在汉诺威举行的第六届欧洲工具机展中推出第一台PfauterPF150CNC硬齿面剥齿(Skiving)机。‧1987年销售500台数值控制的Pfauter滚齿机，包括300台PE150。AmericanPfauter与Maag两公司收购Barber-Colman切削刀具部门，成立Pfauter-Maag切削刀具公司。‧1997年AmericanPfauter与Pfauter-Maag公司被Gleason公司收购。目前世界的齿轮设备制造厂正朝向组织企业联盟的趋势进行，以德国Klingelnberg公司为首的Σ集团(SIGMAPOOL)，是最早(1995年)也是最具规模的一个齿轮设备集团，旗下主要包括德国的Klingelnberg,Liebherr,Lorenz公司和瑞士的Oerlikon公司，而Oerlikon公司早先已并购著名的齿轮设备制造厂Maag公司。Σ集团代表着欧洲的齿轮设备集团，在美国的齿轮设备公司目对此一竞争压力，也不得不进行合并，1997年以美国Gleason公司为首,合并美国Pfauter-Maag公司,德国Pfauter和Hurth作者：邱垂元－9/35－89.9.30公司，形成Gleason集团。其它像德国的Kapp公司合并了原东德的Niles公司。这些集团兼并其它齿轮设备公司或组成合作伙伴的动作，正如火如荼地加速进行中。组成企业联盟的原因是时势所趋，齿轮设备工业是国际性工业，任何一国的齿轮工业都无法提供足够的齿轮设备巿场。涵盖多种齿轮设备的跨国销售集团，可以提供完整的齿轮技术服务，减少业务成本，互通技术资源，提升世界巿场的竞争力。Σ集团中的成员涵盖完整的齿轮制造领域，包括Oerlikon公司的齿轮成型磨齿技术、Liebherr公司的滚齿技术、Lorenz公司的刨齿技术和齿轮刀具技术、Klingelnberg公司的伞齿轮技术和齿轮量测技术。Gleason集团下的成员也是在此原因下组成。以下简介Σ集团几个重要成员如下：1).KlingelnbergSöhneGmbHKlingelnberg-Oerlikon集团成员之一，是国际舞中极为活跃的公司，位于靠近科隆(Cologne)的Hückeswagen镇和靠近Karlsruhe的Ettlingen镇共有员工800名，年营业额约1亿7仟万马克。直接的客户服务接待处除了Hückeswagen镇的Klingelnberg-OerlikonGeartecVertriebs-GmbH之外，就是位于意大利、法国、西班牙、比利时和日本等地的公司销售网。KlingelnbergSöhneGmbH创始于1814年，生产涡线伞齿轮创成切齿机、蜗杆和螺丝磨床、刀具磨锐机、齿轮量测仪和涡线伞齿轮制造。2).LorenzGmbH创立于1890年，为家族企业，Lorenz为其家族的姓，现在是Σ集团的一员。打从一开始，该公司即从事齿轮加工机的设计和制造工作。如今，在Ettlingen镇拥有约340名员工，其三个事业部门的年营业额超过8,000万马克。加工机部门，生产一系列先进、模块化、高效率的刨齿机，可加工各式齿轮，包括离合器齿轮或非圆形等特殊用途齿轮。此作者：邱垂元－10/35