A. 虚拟齿轮博物馆简介

以「KHK」品牌扬名国际之日本「小原齿车工业株式会社」有七十余年的悠久历史,在日本之标准齿轮业界中,位居领导地位。先后标准化了80类,3700种齿轮系列,达成了迅速交货、实时使用之理想服务。

这是机械及机构设计工作者长年以来的心愿,也是提高设计及研发效率的不二法门。不久前,当设计者遇到了齿轮的问题时,必定是亲自着手计算、制图,再交由齿轮工厂加工完成,这类形的方式正是所谓的订制方式,与裁缝师傅的量身订制方式很类似。这种方式占据设计工程师相当大的时间,使得设计工作效率变得十分缓慢,在急需快速开发、试作及生产的现代社会中,实在难以应付。所以齿轮的标准化及其产品系列化、交货迅速化、品质稳定化,便成为机械工业界必须面对的课题。

KHK标准齿轮正是针对这些重要且迫切的课题,经过数十年不断努力,排除万难应运而生的系列化产品,可说是小原齿车工业株式会社引以为傲的一大贡献。今天「KHK」几乎成了标准齿轮的代名词,在齿轮界中有着稳定的地位,几乎无人不知无人不晓。

标准齿轮

齿轮的类别及种类很多又复杂,通常我们会用齿轮的轴向加以分门别类;计有

  1. 平行轴系齿轮:有正齿轮、螺旋齿轮、内齿轮及齿条
  2. 相交轴系齿轮:有直齿伞形齿轮、螺旋伞形齿轮
  3. 交错轴系齿轮:有交错螺旋齿轮、蜗杆蜗轮及戟齿轮
  4. 其它类型之齿轮:棘齿轮,栓槽轴及齿轮联轴器

由此所衍生出3700种繁杂的标准齿轮系列规格。已以能充分涵盖一般机构上的用途,设计者可由资料充足完整的KHK综合型录或KHK中文网页上,选用所需要的齿轮成品,若再搭配上其它的标准组件如轴承、轴心、联轴器、链轮、皮带盘、离合器、螺丝等,可快速地组合成完整的机构,节省许多精力及时间提高整体的效率。

在现代化之机械已朝向单一功能模块化前进,其目的就是希望达成标准化,今后的机械设计潮流,将是以各种单一功能模块所组合而成的功能性分块组成系统,尤其在机械内最重要的动力传动系统之模块中,「标准齿轮」所占的地位格外地重要。唯有能被立即选用且种类丰富的标准齿轮系列,才是满足千变万化设计需求的唯一途径。

AMX昭源企业有限公司,总代理KHK标准齿轮在台湾的贩卖及推广。以历经25年。凡是成为一个优良的标准齿轮代理商,最重要的是必须具备有

  1. 雄厚的库存能力,随时能立即满足客户的现货需求
  2. 能持续地提供内容丰富的技术性型录,做为客户选购齿轮时的指南
  3. 重视齿轮应用与齿轮机构的相关技术之推广,并具备齿轮设计服务的能力

如此才能名符其实地成为够水准的KHK代理商。昭源企业有限公司除了已建立丰富数量的标准品库存系统及强有力的技术服务能力外,还拥有一颗热诚的心,相信能充分配合业界不时之需,尤其对客户在产品研发作业上给予全力支持。

齿轮机构设计技术之推广

齿轮设计有两大部分,其一为单组齿轮的设计,注重的是强度(即能安全承担于外加负荷下的正常运转能力),但在齿轮的应用上,只有一对齿轮的运转案例,比起使用各种齿轮且将之组合成复杂的齿轮机构来要明显地为少,此其二。如果打开机械的外壳,通常我们将发现其内部是由复杂的齿轮所组成,因此齿轮机构的设计及计算,则变成设计者所必须要面对及挑战的课题。

倘若设计者不熟悉齿轮机构的设计计算,就无法掌握整个机械设计的脉络,因此身为KHK标准齿轮总代理的昭源企业有限公司,对充实齿轮技术服务之内容,除了单组齿轮的设计问题外,特别注重齿轮机构设计技术的推广,前后着手出版了「齿轮原理概要」、「齿轮机构概论」、「齿轮损坏解析典范」、「齿轮损坏分析及详解」、「齿轮设计总览」、「齿轮之规格」等一系列深获学界及业界好评的齿轮技术丛书,有计画地设置专题研讨室、齿轮博物馆、齿轮加工实习观摩工厂及齿轮检验室等永久性设施,决心长期培育齿轮技术的服务及其教育的推广。

齿轮博物馆

这是我们昭源企业有限公司贡献社会之精华,分为设置在汐止市福德一路公司技术中心之实体齿轮博物馆,以及在网站中设置的虚拟齿轮博物馆两种。

虚拟齿轮博物馆

B. 齿轮历史单元区

从人类文明史之开源,由美索不达米亚时期,经过埃及、希腊、罗马、中古等时期,一直到文艺复兴时期齿轮技术的演变,特别是在齿轮及机械史上有所贡献的历史伟人,如阿基米德、伽利略、达文西、卡谬、尤拉、路易士、赫兹、葛理逊等人的简历、人像照片及生平十分珍贵。也有系统地叙述了齿轮发展史的概貌。

有关齿轮历史演进的阶段,可以借用德国K. Kutzbach教授划分方法:

齿轮的发展史第一阶段早期齿轮或类似梢(灯笼形)齿轮,并不讲求齿形、齿距等理论。
由于这个阶段不讲究齿形、齿距,对于齿轮的动力传达仅仅做为勾拉运动,即使主动齿轮可以连续运转,由于齿与齿之间尚有空隙,齿形也仅为方柱状,被动齿轮无法顺利衔接,会产生短暂的停滞现象,故不能达到连续运转的目标。

如此不稳定的回转速度比,不能做汲水、起重等粗重工作以外更进一步的作业用途。看到这样的情形,人们苦思解决之道,方法是减少齿距,使得被动齿能够不至于中断运转。

于是,藉由减少齿距达到连续运转(但还不是现代意义的定速传动)人类对于齿轮的运用,进入了下述的第二阶段。

上古时期

齿轮由谁发明,并无可考,但可以确定的是时间非常久远。一般来说,齿轮的产生,可以有以下几种思考来源:

‘装饰或道具
‘金属铸造
‘锉刀
‘有辐辏但并无轮缘的轮子

但是,前项各种属于公元前2000年的思考来源,并无法确认有技术意含。换言之,在我们理解齿轮具有技术意含之前很久的时间,齿轮已经以非技术性的面貌,存在于我们的生活之中了。

至于,人类如何着手制造齿轮,其背后应具备怎样的技术能力?基本上,人类在公元前400年的时候,就懂得使用锉刀。由于锉刀的发明,人类才有能力配合已经拥有的斧头、槌子等工具以型塑金属和进一步木头。

齿轮的发展史第二阶段 进展至时钟用齿轮,虽未有齿形理论,但齿轮已经具有弧线表面,并注意齿距等问题。

如前所述,此时已经注意到齿距的精确是确保连续运转的前题之一,但是,虽说可以连续运转,但是被动齿轮的速度仍旧无法成为稳定的固定值,这现象就是要进一步研究的课题。人类遂逐渐将探究的焦点移向齿形。

纪元前时期

产生初步的齿轮之后,人类就想探究齿轮相关议题与原理。这样的尝试,以我们所知,最早是亚里斯多德。他在《机械的问题》一书中,提到楔、曲轴、滚柱、车轮、滑轮等机械组件之外,还提及以青铜或铸铁可以传达回转运动的齿状轮,这是可查证的最早齿轮描述记录。
换言之,至少在亚里斯多德的时代以前,就存在金属材质的雏形齿轮。

既然知道人类已经发现齿轮,接着,让我们进一步探讨古代人类如何使用这雏形齿轮。就我们所知,人类使用雏形齿轮的用途,集中于汲水或扬水装置的传动。

但是,汲水或扬水装置是何时、由谁发明的,根据我们的理解,直到今天,还可以在两河流域、尼罗河,甚至黄河流域等地,看见这使用雏形齿轮的扬水装置。

不仅仅是亚里斯多德,希腊的另一位学者阿基米德也探讨过齿轮的种种。阿基米德甚至研究了亚里斯多德所未曾提及的蜗轮,而留下相当篇幅的记录。

在那时代,人们不仅仅将齿轮作为回转的传动而已,还懂得利用齿轮作为省力装置。如亚历山大时代Pappus与Hieron的记载,出现了一个蜗轮与九个齿轮的省力装置,始得人们可以用130公斤的力量举起26公吨的重物,那大约释放大200倍的效能。

根据Pappus的记载,阿基米德曾经利用前述装置,以仅仅少数奴隶就将一艘大战舰Syrakusia推入海中,并引起当时社会巨大的回响。理解各种省力装置的巨大效能之后,难怪阿基米德会发下:只要给我一个适合的支点,我可以搬动整个大地。

齿轮的发展史第三阶段 开始研究齿形以正确传达回转运动。

产生初步的齿轮之后,人类就想探究齿轮相关议题与原理。这样的尝试,以我们所知,最早是亚里斯多德。他在《机械的问题》一书中,提到楔、曲轴、滚柱、车轮、滑轮等机械组件之外,还提及以青铜或铸铁可以传达回转运动的齿状轮,这是可查证的最早齿轮描述记录。

换言之,至少在亚里斯多德的时代以前,就存在金属材质的雏形齿轮。

既然知道人类已经发现齿轮,接着,让我们进一步探讨古代人类如何使用这雏形齿轮。就我们所知,人类使用雏形齿轮的用途,集中于汲水或扬水装置的传动。

但是,汲水或扬水装置是何时、由谁发明的,根据我们的理解,直到今天,还可以在两河流域、尼罗河,甚至黄河流域等地,看见这使用雏形齿轮的扬水装置。

不仅仅是亚里斯多德,希腊的另一位学者阿基米德也探讨过齿轮的种种。阿基米德甚至研究了亚里斯多德所未曾提及的蜗轮,而留下相当篇幅的记录。

在那时代,人们不仅仅将齿轮作为回转的传动而已,还懂得利用齿轮作为省力装置。如亚历山大时代Pappus与Hieron的记载,出现了一个蜗轮与九个齿轮的省力装置,始得人们可以用130公斤的力量举起26公吨的重物,那大约释放大200倍的效能。

根据Pappus的记载,阿基米德曾经利用前述装置,以仅仅少数奴隶就将一艘大战舰Syrakusia推入海中,并引起当时社会巨大的回响。理解各种省力装置的巨大效能之后,难怪阿基米德会发下:只要给我一个适合的支点,我可以搬动整个大地。

公元初始时期

公元2世纪的Hieron所提及的省力装置,比阿基米德时代更进步许多。

前面所说的是扬水装置。但在公元1世纪左右,罗马的建筑师Vitruvius首度提及利用齿轮装置的传动功能,进行水力磨粉的工作。我们可以想象与理解,这样的装置成为当时民生生活中不可或缺的设备。换言之,齿轮的技术,已经获得广泛的应用。

在实物面,罗马时代遗迹中出土的铁制梢(灯笼形)齿轮,成为目前最早的齿轮装置遗物,时间约等于公元120年~200年左右。

另外,一项很古老的印度棉核剔除机也算是齿轮装置的元祖之一,现正收槽在柏林博物馆中。类似的机械被人类一直使用到十九世纪末叶。
12世纪左右在瑞典也出现螺旋齿轮,这也被认为运用在磨粉机上。

如上所述的各项雏形齿轮机构,与生活有广泛的结合,除此之外,人们也逐渐理解到齿轮技术的机构意义。

如众所知,齿轮的另一项应用就是时钟,最初运用在水时钟上,那是在约公元前150年左右的亚历山大时代。现今所知的是埃及有使用齿条的水时钟,而前述之Hieron和Vitruvius曾在自己的著作中提及,以蜗轮作为测量距离的量程车机构的说明,由此可见齿轮传动的准确性已为人所熟知。

公元前1世纪~3世纪之间,在克里特岛附近出现了使用精密的行星齿轮机构的天象仪,其残遗之铜片在安提基泰拉到附近被打捞上岸。就这些碎片可知,当时已经出现相当先进的齿轮装置。

齿轮的发展史第四阶段 以创生法切削渐开线齿形,为现代齿轮技术之发端。

中世纪(文艺复兴)

中世纪的时候,齿轮逐渐的和时钟结下密不可分的关系,在精义情经的要求下,齿轮与齿轮装置日益精巧。换言之,运用齿轮的水中虽然很早就出现了,但是全齿轮的机械中却要经过一段长时间,到中世纪之后才出现。

真正的机械钟要到公元850年左右意大利的Pacificus和Gerbert才真正发明时钟。公元1250年左右,某为法国建筑师在Villard de Honnecourt中提到控制齿轮回转的脱进机构(Escapement wheel),是最早机械式齿轮时钟脱进机构记录。

13到14世纪西欧各地纷纷制造和使用重锤式机械钟,其中,1320年制造的Peterborough大教堂时钟,在1836年大修之后,至今仍在使用。
意大利Giovanni de Dondi(1293~1389)曾经记载着齿轮时钟,其中最引人注意的是竟然提到了椭圆形齿轮,可以说对齿轮技术的掌握又进了一大步。

前面所述的时钟多半是教堂或公共性建筑公众人所用的大时钟,至于家庭用时钟,除了少数贵族之外,一般人还无缘使用。只有德国的纽伦堡一带,因为时钟工业发达,故以此为中心,普及到德国中南部一带。15世纪的时候,时钟已经可以指示分秒,也可为天文观测所用,可说是相当精确了。

Galileo Galilei(1564~1642)发明著名的摆钟。

之所以时钟多在教堂上,主要是因为教堂仪式的进行需要较为精确的时间,故为了此宗教权威所需,反而造成了机械与天文学科的进步。天文学的进步,反过来却造成了宗教权威的解体,这到是件有趣的反讽。

文艺复兴时代的Leonardo da Vinci,也对齿轮有重大的贡献。在他遗留的手稿中,有大量齿轮机构的概念。举例而言,他将左右摇摆的钟摆,透过棘轮改变为单方向的回转机构。他还发明以水力驱动,并透过数套蜗轮与螺杆获得充分减速的铁棒压延机。Da Vinci还设计可变换齿轮的螺旋切削机。

除此之外,他也构想出许多创新的齿轮概念,比方说发明与现代直交轴很相近的伞型齿轮,一举扫除古代对于直交轴传动的难解课题。同时,发明类似现代鼓形蜗轮(Hindley worm)的齿轮,以及冠面齿轮(Face gear)和戟轮(Hypoid gear)。

就这样,经过中世纪文艺复兴初期对齿轮与机械机构的不断构思,到了17世纪的时候,已经开始进入对齿轮技术的细部掌握,亦即开始展开对齿形理论的研究。

依据历史的发展,先有学者确立了齿形的条件,之后才逐渐依序找出合乎此条件的齿形,即摆线(Cycloid)齿形与渐开线(Involute)齿形。
最早有关齿轮等角速度运动研究的学者是丹麦的天文学家Olaf Roemer。天文学家会研究齿轮,当然和工作上需要精确计时的时钟有关了。Olaf Roemer为了获得精确的等角速度运动,故研究了齿形。
Olaf Roemer在1674年曾发表齿形应采用外摆线(Epicycloid)曲线,不过,详细的记录被祝融毁之一炬,仅仅透过莱布尼兹(G. W. Leipnitz)的著作间接得知。

外摆线是怎样的曲线?它就是一个大小两外切圆,小圆在大圆外侧绕着大圆滚动,此时,小圆上的一个定点因为小圆滚动着大圆而画出来的曲线称为外摆线。

有外摆线,当然会想到是否有内摆线(Hypocycloid)这回事。

有的!内摆线就是大小两内切圆,小圆在大圆内侧绕着大圆滚动,此时,小圆上的一个定点因为小圆滚动着大圆所画出来的曲线称为外摆线。值得注意的是,在应用上大小圆的尺寸关系是:大圆的半径等于小圆的直径。

1694年法国物理学家Philipp de la Hire(1640~1718)是历史上第一位藉由改良风车、水车、水泵的大型轮,而思考透过正确的齿形来改善不等速运转的缺失,以及提高效率的学者。他提出点齿轮(在实际运用上为采用插梢的齿轮)和摆线齿轮的咬合。

Philipp de la Hire倡言外摆线的优越性。他也也提及在特殊状态下,外摆线齿形将便成渐开线齿形,故他也是第一位提到渐开线齿形的学者。

立即的,M. Camus(1690~1768)在巴黎大学担任数学讲座教授的1773年,观察时钟的齿轮,发表「完善时钟运动所适合之齿轮齿形」论文。Camus指出齿轮齿形的三条件,从而确立了完美齿轮齿形的目标。Camus也根据理论,推衍出少齿数的放射状直线齿形、复合齿形摆线齿轮、多数齿的放射状直线齿形等等。特别是直线的放射状齿形,含沿用至现在的机械钟表上。Camus的努力,可以说让齿形构臻入百花齐放的阶段。

另外一位大家,瑞士的数学家兼物理学家Leonhard Euler(1707~1783),的贡献也不能忽略。由于尚不知La Hire与Camus的研究成果,他以独自的研究途径在1754与1765提出之论文。他研究特殊贡献之处在于对一组咬合状态中齿轮齿形曲线之曲率半径,以及曲率中心的解析,对日后齿形理论提供很的贡献。Euler提出一种齿面是纯滚动的齿形,不过却发现这样的齿形却无法达到等速运转的基本应用要求,亦即运转不稳定,所以无实用价值。但是形齿面之滚动与擦动关系,即正确齿形之咬合必定是擦动接触这件事,却是Euler最早发现的。

经过Camus与Euler等大师的努力,对摆线齿形的研究已经相当透彻。不过,此时却尚未进入齿轮互换的课题。摆线齿轮中,多齿数齿轮与少齿数齿轮在齿形上是不同的,两者不具有互换性。原因来自于定义,英国剑桥大学教授Robert Willis(1800~1875)说明:是摆线齿轮是由一个小圆滚一个大圆(创生圆,也是节圆)所产生的曲线,若齿数增加,就要换用不同直径的大圆,所得的曲线自然不同,也难怪不具互换性。

Robert Willis因此建议:在相同节距的条件下,对节圆以上的齿形(齿冠部份)采用外摆线,对节圆以下的齿形(齿根部份)采用内摆线,以这样复合曲线来处理,就可以解决互换性的问题。于是,Willis设计出复合摆线齿形的绘制仪(Odontograph),再透过美国Brown & Sharp公司工程师O. J. Beale著作《Beal’s Book on Gear Wheels》与《Practical Treaties on Gearing》两书,以及设计出可以制作摆线齿轮样板铣刀(Form milling cutter)的Odontograph machine和Odontengine,成为至今摆线齿形的标准设计。也由于Beale,美国Brown & Sharp,以及Pratt & Whitney等公司的努力,使得摆线齿轮具有优势的地位,甚至压抑了渐开线齿轮的普及。

在实务上,人们则以数齿为一组,在此范围内采用相同的齿形,组与组之间则稍予重叠,如此简化了齿形的复杂度。举例而言,12~16、16~20、20~24、24~28各为一组,使用相同齿形。其中,16、20、24则为两两重叠者。齿轮制造完成之后,为达到顺利运转的目标,先让其相互磨合运转为止才予以出厂。

也因为各种齿数范围之齿形不同,制造者与设计者无法以简御繁,徒然耗费时间。这种当时视为当然的现象,其实牵涉到工业运用上的效率,当工业需求逐渐加强之后,对工作的阻碍日深,就必须另外设法来解决此一现实面课题。

近代(工业革命)

18世纪工业革命之后,更诱发了对齿轮的全面性需求,因此,齿轮之设计、齿形理论,以及加工效率等就蓬勃发展。

渐开线齿形在开始之初,是和摆线齿形成为相互竞争的态势。如我们所知,首先提及渐开线的是法国的la Hire。Euler也对渐开线齿形,特别是齿形曲线的曲率半径以及曲率中心有深入的研究。

渐开线是怎样的一条线?假设以线将圆柱缠住,线头绑住笔端,然后施以张力解开此线,则笔端所画出的曲线(线长=弧长)就是渐开线。渐开线齿形,就是应用渐开线的某一部份。

除了la Hire和Euler之外,许多学者也注意到渐开线齿形有特殊的优点。比方说,Hawking说明渐开线齿轮对于轴承之压力较小,Willis则指出当齿轮中心距离略微变化时,不影响其咬合传动误差,仍能维持正确之等速回转。

但是,受到摆线齿轮既有意识形态的影响,此时的齿轮制造,并未发明后来的创生制造法,而仍采用一齿一齿独自铣制的样板铣刀。Brown & Sharp公司就推出了渐开线的样板铣刀。光就以相同12齿~齿条所需的样板铣刀来比较,摆线齿轮需要12组样板铣刀,而渐开线则只需8组就足够,省事多了。
当时齿轮的制造多为铸造齿轮,方法是先以雕出齿轮的木模然后再翻砂铸造,此时木模上齿形的正确与否非常重要。等到翻砂铸造完成之后,再透过样板铣刀对齿形做最后的修整。

渐开线齿轮的许多细节尺寸,其订定过程也经过一番折腾。比方说,攸关齿的大小,有模数(Module, M)与径节(Diameter pitch, D.P.)两种描述法。D.P.的产生,是Willis为了避免节圆(Pitch diameter)变成无理数,因而实务上难以处理,故采用齿数Z除以节圆直径D之D.P.值来描述齿的大小。径节D.P.的倒数就是模数M。推展D.P.的Willis虽为英国剑桥大学教授,但英国却不用D.P.而采用M,反倒美国使用D.P.。

而最早提及模数M的,据说是1857年德国的Mikroletzky将节距(Circular pitch)除以π(即Pc/π),并将之称为基本数。若将此数取为整数,就可以使节圆直径成为整数,非常方便。德国的DIN在1927年订立模数标准。

力量传达的压力角(Pressure angle),也是另外一例。虽说Euler预测压力角在10°~30°之间,而Willis认为是14.5°,理由是sin14.5°?1/4。也有人以蜗杆采用29°,故制定蜗轮压力角为其一半的14.5°,不一而足。

George B. Grant认为,渐开线齿轮在工作性、磨损性、组装误差等方面由于摆线齿轮。更由于渐开线是单曲线(Single curve)齿轮,而非摆线齿轮的复曲线(Duplex curve)齿轮,所以渐开线齿轮应该可以一气呵成的制造。换言之,Grant预告了渐开线齿轮采用创生法的可能性。

后来,创生法被发明,渐开线齿轮一跃而成为最易加工、加工精度最高,于是取代摆线齿轮而成为业界唯一的选择。

齿轮制造法之演进

在还未知晓利用动力之前,齿轮都是透过手工制造而成的。15、16世纪时,有专门的工匠负责制造齿轮。

说到制造,径不能不提到齿轮形状、材料、尺寸。1718年德国的L. C. Strum在他的《完全的制粉机械制作技术》一书中写道:木制齿轮应以3.5~5英?嘉?涓簦ń诰啵???〕萋郑ㄉ倚纬萋郑┑纳遥?渲本兑?冉诰嗟?/7小,而且要采用比大齿轮较硬的材质,大齿轮的齿厚则要比节距的3/7来得小,且齿形的曲率半径等于齿厚等等。

后来,Jacob Leupold在1724年的《机械总观》一书中,更精细的修正L. C. Strum的数值。他说:以节距为t,则小齿轮的梢直径为4/7t,大齿轮齿厚为3/7t,齿冠高为2/7t,齿根高为3/7t,齿冠曲率半径为3/7~9/7之间,最好为6/7。

虽然亚里斯多德时代就提到铁制、黄铜或青铜制的齿轮,甚至于罗马时代也有铁制梢(灯笼形)齿轮的考古物出现,但直到中世纪的时候,即使有铁工坊的设置,齿轮材质仍旧多以木头为主。对此,1842年W. Salzenberg则提出对于易磨耗的齿,要设计成容易替换的构造。近代的铸铁齿轮最早是在1769年的英国出现,这是因为手工制造的齿轮无法应付大量的需求,而且铸铁技术又已经成熟所致。

金属齿轮的加工最早是制造时钟所需,时钟的齿轮多是青铜齿轮,这是因为青铜材质容易透过锉刀进行加工的缘故。后来,因为时钟齿轮需求量大增,所以切齿机械在时钟大城的纽伦堡出现,也理所当然。瑞典人Christopher Polhem在18世纪设立时钟工厂,设置许多切齿机。目前的斯德哥尔摩技术博物馆,还陈列着许多过去的时钟切齿机械。他还以大量生产的先驱著称,大量生产各种餐具,以及木工、锻冶、雕刻工具等。

1732年法国人Jaques de Vaucanson(1709~1782)首度以切齿用回转刀制作齿轮,其图标可在1802年出版由Berthoud所着之《时钟观测之历史》得知。到了1829年,已经相当普遍了。之前,手工制造3,000~4,000齿需要20天,采用机器切齿之后,只需1天。

其后,陆续出现各种采用飞轮机构的齿轮切齿机,不过因为设计的关系无法做二度加工,因而不能进行研磨作业。到了1874年,Brown & Sharp公司推出真正的切齿机,而1877年则出现自动齿轮切齿机,可以说到了20世纪初期,自动切齿机已经相当普及甚至百家争鸣了。

另一方面,正如前述,因为动力不足的关系,所以先前的齿轮都先以铸造的方式做成有正确齿形的粗胚,再透过切齿形做最后修整。1839年J. G. Hoffmann申请新切齿机的专利,这项专利被认为是真正齿轮切齿机的开拓者,这是用成形切齿法所制造的,一次切出许多齿来。另一方面,在1829年则有透过型板的方式,以刀具一个齿面一个齿面的循序刮出齿形的专利机械出现。也有遵循Odontograph原则的机械被开发出来。后来,William Gleason发明新的方式,以致于型板的切齿法,遭到废弃。

在伞型齿轮方面,一齿一齿制造的型板切齿法,在进入20世纪后许久仍旧被采用着,虽然现在已经不再使用了。

有关滚齿机的创生法始自制造蜗轮齿轮,后来及于正齿轮。之所以会这样,就是古人见到蜗轮可以和蜗轮齿轮咬合,所以若将蜗轮代以刀具,至少就可以制造蜗轮齿轮。由蜗轮连想到创生,无疑是相当自然的想法。

至于实际的滚齿切齿机械,首先是在1835年由H. S. Coombs首先发表的,1839年的Ritterhaus 、1853年英国的Whitehead 、1856年德国的Christian Schiele,以及1894年美国的J.E. Reinecker等人也都发表了不同的滚齿机与技术。

1900年,H. Pfauter发明附有差动齿轮也能制造螺旋齿轮的万用滚齿机,并设立世界闻名的工厂生产。尚有G&E公司的螺旋齿轮滚齿机、英国Armstrong Whitworth公司的移动型滚齿机、美国Juengst公司和法国De Laval的螺旋齿轮滚齿机。其后,有C. E. Würst公司推出的人形齿轮滚齿机、John Holroyd公司推出的蜗杆滚齿机。

1849年Bashworth发表梢齿轮的创生切齿法,不过,这个齿形是外摆线齿形并非现代人所熟知的渐开线齿形。1850年Edward Sang发表以咬合齿轮创造共轭齿轮的概念。直至1872年John Comly在美国申请Moulding process的制造法,就是以齿轮咬合一个可塑性材料的方法。1896年Hartness的工厂以Fellows为名,发明专利的切齿机,而成立Fellows齿轮切齿机公司。之后还有陆陆续续的改进与发明,成为今日的型式。

至于,非正齿轮者如交叉轴系的伞形齿轮,自古以来都以梢齿轮的方式处理,而梢齿轮的构想以达文西最早。

而近代的切齿加工,虽然齿轮切削的原理改变不大,但由于分度变换齿轮已进步到全CNC数值控制的地步,加上刀具材质及切削角度的大幅改进,加工精度及加工速度有长足的提升。另由于环保观念的普及,无油切削的技术也渐渐地被推广开来。

C. 齿轮原理及设计单元区

说明摆线齿形(cycloid gear profile)及渐开线齿形(involute gear profile)之基本原理,接着介绍到标准齿形的国际规范,非标准之转位齿形说明,然后展示一般齿轮强度设计之作业流程及照片组、齿轮强度设计之简化速查表,最后提示齿轮损坏的标准模型图片,做为齿轮损坏时的解析及参考。

D. KHK标准齿轮单元区

展示历代KHK标准齿轮型录,配合各种照片及实物样品(sample kit box),说明各种齿轮的长相,让初次接触的人,得以对齿轮一目了然。

E. 静态齿轮组模型单元区

将各种复杂的齿轮,依齿轮的轴向不同而分类几种单对的齿轮静态模型,可对齿轮的传动运转原理,简单地以实体模型加以表现,让人更加容易了解,具有明显的教学效果,再配合KHK原厂齿轮加工机的作业照片及影片,则更能加强学习者的深刻印象。

F. 齿轮机构单元区

齿轮的应用精华在于机构(gear train)的组成,因此本齿轮博物馆的重点之一便是放在齿轮机构的展示。一般齿轮机构分为,分段式齿轮锁链机构(stepped gear train)、可变换速比齿轮机构(change gear ratio mechanism)、有段式齿轮变速箱机构(stepped multi-speed change gear box)、行星齿轮减速机构(planetary gear reducer mechanism)及差动齿轮机构(differential gear mechanism)等,本馆以详细的图表,配合动态实体机构模型,让齿轮机构的动作,在模型的实际运转中表现出来,令学习者认识到原来齿轮机构也可做出如同程序般精密的动作。深受学术机构的推崇。

G. 齿轮精度检验展示区

齿轮的精度检验,除了最基本的外径公差、齿形的偏心误(runout error)差外,尚有较为麻烦的各种节距误差(pitch error)、螺旋角度误差(lead angle error)、齿形误差(involute profile error)、齿隙(backlash)等等,各有各的独特检测仪器及检测方法。在此,除了如图表所示,适用于收料验收员的一般检验外,还展示KHK原厂的精密检验室照片,里面排满了世界顶尖的超精密检测仪器。另外身为一个代理商,昭源公司不可避免地也特地设置一间专用检验室及准备一系列的检验设备,例如小型三次元万能检测仪、高精密花岗石平板、精密同心仪、精密投影机及许多相关的小型测量工具,可随时应付齿轮的一般检验。

H. 齿轮制造单元区

I. 专题研讨室

为了推广正确的齿轮应用技术及设计理念,本公司轮技术专题研讨室设有完备的,经常择期举办齿轮技术研讨会、讲习会,聘请KHK的原厂专家或国内学者担任讲师传授正确的设计技术,并以所附设的示范工厂,实地观摩齿轮加工切齿作业,完成连贯的齿轮技术教育,养成正确的齿轮设计技能。

J. 艺文走廊

在观看完一连串硬调的齿轮相关信息后,您的脑袋或许已经昏沉,或许双脚已不听使唤,没关系,博物馆内设有长椅,可让您疲惫的双腿得到舒展,同时也在四周的墙上挂满中国摄影学会博学会士王廷柱先生对花、鸟、树、山水、蝴蝶等的摄影大作,如果您有宗教信仰,也可看到一些日本的佛像照片,让您的心灵暂时得到抒解及调适。