齿轮传动技术的发展
1.
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
330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)
2 (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，Brown and Sharpe, 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。
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Hermann Pfauter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Joseph Whitworth (英)
发明能切削螺旋齿轮的滚齿机，并得到专利许可。
˙1874年William Gleason (美)
制造出第一台实用的伞齿轮切齿机。
˙1884年William Gleason (美)
发明创成法切削伞齿轮。
˙1985年 E. R. Fellows (美Fellows Gear Shaper公司)
发明以小齿轮(pinion)型切齿刀切削齿轮的技术。
˙1898年James E. Gleason (美Gleason Works公司)
使用旋转式切齿刀创成切削伞齿轮。
˙1900年Herman Pfauter (德)
发明滚刀轴能旋转的滚齿机，并使用差速齿轮。
˙1908年Ward and Taylor (美Gear Grinding Machine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Philip de la Hire (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。
˙1733年Charles Camus (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Leonard Euler (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Robert Willis (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Edward Sang (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Frank Humphris (英)
最早发表圆弧齿形。
˙1908年Max Maag (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Eruest Wildhaber (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。
(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(Numerical Control，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Hermann Pfanter所创立的公司的历史发展中一窥全貌。?1897年
Hermann Pfanter申请万能滚齿机(Universal gear hobbing machine)专利，可加工正齿轮，蜗轮和螺旋齿轮。
?1900年
Hermann Pfanter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。
?1914年
Hermann Pfanter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
Hermann Pfanter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American Pfauter公司。?1973年
在巴西的Sorocaba设立Engrenasa公司。
?1975年
发表第一台Pfauter NC滚齿机。
?1976年
销售25,000台Pfauter滚齿机。在法国巴黎成立Pfauter France 公司，执照许可包括雷诺(Renault)的子公司，Acma Machines Outils。
?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PE 150 CNC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Pfauter PF 150 CNC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PE 150。American Pfauter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
American Pfauter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(SIGMA POOL)，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
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).Klingelnberg S?hne GmbH Klingelnberg-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-Oerlikon Geartec Vertriebs-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。Klingelnberg S?hne GmbH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).Lorenz GmbH
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
系列刨齿机可安装不同的自动送料系统。刀具部门，提供齿轮加工过程中广泛的齿轮切齿刀具。意即Lorenz公司可同时提供必要的齿轮加工机和刀具服务。另外一个部门是齿轮件的制造部门。Lorenz的量产型刨齿机从LS82到LS1256型，其中LS82至LS183为新型5轴刨齿机，还有3个轴可以选用，外加自动送料系统。对小齿轮件而言，加工速度最大可达3,000冲程/每分钟。刀具轴还可以加装倾斜装置，倾斜角最大可达12o，用以加工锥度齿轮。
Lorenz的LFS系列刨齿机的刀座设计加装滑动装置，使整个刨刀座可以上下移动，增加刨齿机的应用范围。
3).Kanzaki Kokyukoki
设立于1947年，员工1,300名，年营业额7亿3仟万马克，1997年与Lorenz公司合作，成为Σ集团的一员。该公司拥有世界级的齿轮刮齿技术，合作开发的GST 400型刮齿机，可一次同时安装4个齿轮的齿轮轴，也可选择不同的刮齿方式，例如：parallel, diagonal, underpass shaving, plunge, underpass plunge等。
4).Starcut
公司1927年创立于美国，员工约900人，年营业额8仟万美元，为了强化刀具部门，1997年开始了Starcut和Sigma集国的合作关系。Lorenz-Star的合作项目包括滚齿和成型刀具。5).Liebherr
Liebherr集团在全世界有57个公司，员工约16,500人，年营业额约55亿马克(折合新台币约1,000亿元)。Liebherr集团的分散管理政策，使旗下各公司能明显区分开来，成为独立的事业体。集团最大的产业为各式建设机械，在欧洲有很大的巿场占有率。
位于德国南部Kempten镇的Liebherr-Verzahntechnic GmbH 为齿轮加工设备制造、物流系统、工厂自动化系统设计制造的公司，员工约600人，年营业额约1亿8仟万马克。1993年Liebherr 公司推出结合新世代滚齿机的无冷却剂、高速齿轮切削技术─
干式滚削(dry hobbing)。Liebherr公司并制造高产量的成型磨齿机，使用CBN砂轮以延长砂轮寿命。此外，Liebherr和Lorenz公司技术合作发展共享同一机器基座的不同滚齿机和刨齿机，如此可以缩短机器的交货时程、降低服务成本。Liebherr公司生产一系列的CNC滚齿机，最大加工工件直径4,500mm，这些滚齿机主要设计用来加工车辆用齿轮和一般的工具机用齿轮。结合Liebher发展的高速干式切削程序，全新型式的LC82~LS382滚齿机，与传统切削程序相比，可以节省近30%的加工时间和成本。推出迄今，Liebherr公司已是干式切削滚齿机制造厂中占重要地位。
Liebherr公司将滚齿机机构改装，滚刀座改为砂轮座，成为量产型的LCS系列创成磨齿和成型磨齿机(可用CBN或可修整砂轮)。将滚齿与刨齿机构结合成LCC系列齿轮加工设备，可以在同一机器上加工多齿的工件。另外，附有自动送料系统。Liebherr 公司并与Emag公司结合不同工具机的技术领域，成功地发展出工件外径40mm的双工件心轴式的LCV系列滚齿机，大大地缩短工件装卸时间。
新世代滚齿机LC82和LC122，使用碳化钨滚刀时切削速度为450m/min，使用陶瓷滚刀时切削速度可达600m/min，加工一般车辆用齿轮平均只16~20秒。工件用的工作台是用新设计能自动消除背隙的螺旋齿轮传动系统来驱动，而不是用传统的蜗杆蜗轮系统驱动。
齿轮轮磨用轮磨工具有蜗杆式和盘式两种，蜗杆式轮磨头主要用在创成轮磨，量产型；盘式轮磨头主要用在成型轮磨，轮磨高精度齿轮用。Liebherr公司将此原本不同的轮磨型式，组合在同一机器中，成为LCS系列磨齿机。欲量产齿轮时，以蜗杆式创成轮磨；欲加工高精度齿轮时，改用单片砂轮成型轮磨。
2.
图3为机械结构的组成型式。传动系统的主要功用，是将动力源的动力，有效率且平滑地传递到被动的输出装置。其动力传递示意图如下：
(引擎)(变速机)(车轮)
图4为机械传动的常用类型。就堆高机而言，动力源可为柴油引擎、汽油引擎、瓦斯或电池，被动输出装置即是车轮。因此，堆高机传动系统的功能即是，将引擎等动力源的有效动力，有效率且平顺地传递到车轮的输出装置上。
齿轮传动与皮带、摩擦轮、液压等机械传动相比，具有功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、安全可靠等特点，是传递机械动力和运动的主要机构，因此齿轮已成为机械产品不可缺少的传动零件。传统机械产品少不了齿轮，高科技的3C产业也到处可看到齿轮。
齿轮的分类如图5所示，图6为齿轮加工法的种类。目前世界上最小的齿轮，为美国新墨西哥州Sandia国家实验室制造，直径50μm的齿轮，此齿轮用于1mm2大小的硅微马达里，目的在驱动医疗用微泵或高性能的陀螺仪；最大的齿轮为1966年装于俄亥俄州昆布兰市Muskingum矿场的直径75ft (22.86m)齿轮，用来曳引矿物。齿轮有336齿，径节为0,375in. (模数67.73mm)，齿轮分24段制造，每部份重约7000lbs.
蒸汽机 水轮机
汽轮机 电动机(马达) 液动机
气动机
摩擦传动
啮合传动 －齿轮传动
推压传动 液压传动 液力传动
气力传动
电力传动
电磁离合或制动传动
3
一次动力机
二次动力机
机械传动
流体动力传动
电或磁力传动
回转运动机构往复运动机构间歇运动机构预定轨迹机构
4
摩擦轮传动 摩擦式无段变速器皮带传动 绳传动皮带式无段变速器普通齿轮传动 螺旋传动 蜗杆蜗轮传动 行星齿轮传动 不完整齿轮传动 非圆形齿轮传动 凸轮传动 链条式无段变速器链轮传动 槽轮传动 棘轮传动 齿轮传动 连杆传动
有中间挠性件
直接接触
直接接触
有中间挠性件有中间挠性件
直接接触
渐开线齿轮
摆线齿轮
圆弧齿轮、双圆弧齿轮
圆柱型齿轮
伞齿轮
蜗杆蜗轮组
平行轴齿轮
相交轴齿轮
歪斜轴齿轮
小型齿轮(模数1以下)
中型齿轮(1<模数<10)
大型齿轮(模数8以上)
小型齿轮系统(电动工具…)
中型齿轮系统(汽车用变速箱...)
大型齿轮系统（化工﹑船舶...）
普通传动
高负荷传动
高速传动
特殊环境传动
钢材
铸铁、铸钢
铜合金
粉末烧结金属材料
塑料材料(高分子材料)
切削加工
非切削加工
5
依外形分类
依轴交角分类
依大小分类
依用途分类
依使用功能分类
依材料分类
依加工方式分类
依齿形分类
金属或非金属切削
=>铣齿、滚齿、刨齿、拉削
金属齿轮精加工
=>研齿、刮齿、搪齿、磨齿
普通铸造
精密铸造
压铸
常温冲锻
高温冲锻
小型齿轮、蜗杆、栓槽轴为主
低精度片状金属小齿轮或齿条
中小型金属齿轮
高分子塑料齿轮
放电加工
线切割
微小齿轮…..
6
机械切削法
铸造(Casting)法
冲压法
滚压(Rolling)法
锻造(Forging)法
粉末冶金法
射出成型法
特殊加工法
放电加工法
3.
齿轮可以有很多种不同的配置方式，在一些机构复杂的机械里，如何在有限的空间中适当地配置齿轮，是齿轮设计的一个重要课题。就算是一些较简单的机构，如何设计出一个最佳的配置，也是非常重要。在这些情况下，制造性、装配性、维修性和成本等设计因子都必须被最佳化考虑。
本节讨论现今工业里不同齿轮配置的齿轮机构。理论上，在一些复杂的机械装置里，有无限多种齿轮配置的可能，因些本节只能讨论一些常用的设计而无法对所有的组合一一说明。3.1
通常，”一对齿轮传动”意味着一组轮齿和另一组轮齿啮合，且在它们之间传递运动和(或)扭力。这二组轮齿可能是外齿或内齿，也可能是齿条的一部份。正齿轮或螺旋齿轮可以与上述三种齿轮型式啮合，但是其它很多齿轮型式无法和外齿轮以外的二种齿轮型式啮合。某些是因为齿轮组的几何限制，但大部份虽然理论上可行，实际上现今机械设备尚无法制造出这些工件。
某些型式的齿轮轮齿可互换但有些则不能。假设在可互换的齿轮系统中，有轮齿a、b、c和d四个齿轮，以a啮合b，b啮合c，和c啮合d。若这些齿轮可以互换，它们就可以分开重新组合a可以和c或b可以和d正确啮合。一般来说，渐开线齿形的齿轮有互换性的特性，其它型式的齿轮就没有。正齿轮和螺旋齿一般都制作成渐开线齿形，因此可以互换。单包络蜗杆蜗轮是一例外，蜗杆就算是渐开线齿形也不存在互换性。
某些齿轮型式，制成一齿在几何上是不实际的。只有一齿的正齿轮无法连续创成啮合运转。但另一方面，蜗杆制成一齿是非常实际且常用的。某些齿轮型式可以将小齿轮制成2~6齿，但大部份的齿轮型式将小齿轮制成16齿以上。但对蜗杆而言，很少使用太多的牙口数。图7为实际使用中的2齿螺旋齿轮。
表1为几种主要齿轮型式的啮合可行性。此表为实用上的配置而非理论上的考虑。例如，内伞齿轮在理论上是可行的，也被使用在少数特殊例子中，但无论如何，正常的伞齿轮机构不会如此使用。
7 2
表1 齿轮啮合的可行性
齿轮型式小齿轮
和齿轮
小齿轮
和齿条
小齿轮
和内齿互换性
一齿
齿轮
2~5齿
小齿轮
16齿以
上齿轮
正齿轮Y Y Y Y N N* Y 螺旋齿轮Y Y Y N N* N* Y 直伞齿轮Y N* N N* N N* Y 蜗线伞齿轮Y N N N N* N* Y 戟齿轮Y N N N Y Y Y 面(冠)齿轮Y N N N N N* Y 相交螺旋齿轮Y Y N Y Y Y Y 单包络蜗杆Y N* N* N Y Y N* 双包络蜗杆Y N N N Y Y N*
*理论上可行，但不常使用。
3.2
齿轮系统安排的好坏，对于是否容易达到高速比、高功率容量、高效率或小型化等目的，占重要角色。通常正齿轮和螺旋齿轮的设计，一阶减速的速比在1:1~8:1之间是很正常的，10:1也可能。假设欲得到120:1的速比，就必须采用3阶减速的正或螺旋齿轮组，当然也可以使用3阶减速的伞齿轮。3阶减速机构是3组小齿轮和大齿轮，或6对轮齿组件。若使用蜗杆蜗轮组，可以只使用单一减速(2对轮齿组件)达到此目的。
对齿轮组的每一轮齿组件，通常需要1支轴和2个轴承。因此若考虑大的速比，通常选择能够完成工作目的时，最少组件的齿轮配置。表2为不同齿轮数与可达速比的一般选择。
表2 如何得到速比
速比范围
配置方式
最小齿数5:1 50:1 100:1
(单阶减速) 齿轮
正齿轮 2 Y N N
螺旋齿轮 2 Y N N
伞齿轮 2 Y N N
戟齿轮 2 Y Y Y
面(冠)齿轮 2 Y N N
蜗杆蜗轮 2 Y Y Y
行星齿轮 3 Y N N
差速齿轮 5 N Y Y
谐合驱动器* 2 N Y Y
*谐合驱动器即Harmonic drive
不同的齿轮配置其动力传递容量相差很大。例如，蜗杆蜗轮装置始终无法在连续运转下传递3,750kW(5,000hp)的动力。相反地，很多螺旋齿轮装置可以在一般运转下传递高于7,500kW