图3-24 指南车

史书中关于齿轮传动的最早记载，是《新唐书·天文志》中僧一行、梁令瓒在唐开元13年（公元725年）制造的水运浑仪的描述。《新仪象法要》详细记载了苏颂、韩公廉等人于北宋元祐3年（公元1088年）制造的水运仪象台，该台规模巨大，已有了一套比较复杂的齿轮传动系统，如图3-27所示。

北宋元祐元年（公元1086年），朝廷批准了苏颂制造水运仪象台的报告，他向朝廷推荐精通数学运算和天文学的韩公廉等人共同研制。北宋元祐三年（公元1088年）5月，苏颂制成了全部仪器的小木样。

科学引领齿轮技术高速发展

蒸汽机的出现掀开了工业革命的伟大篇章，人类从未如此深刻地感觉到人力的渺小。机械动力的巨大力量让我们感到震惊。动力的问题解决之后，机械机构的设计日新月异，齿轮也不例外。齿轮机构实际上是一种传递动力机构，基本的用途在于改变运动的速度和方向。相对于其他动力机构，齿轮传输的功率更大，安全性更高，使用寿命更长，因此齿轮在工业中得到广泛的应用。

早期齿轮并没有齿形和齿距的规格要求，因此连续转动的主动轮往往不能使从动轮连续转动。为了使齿轮啮合得更精确，数学家们也参加了齿轮的研究工作，希望通过计算的方法得到齿轮的形状。

图3-25 指南车齿轮传动系统

图3-26 水转连磨

图3-27 水运仪象台结构

摆线齿轮的出现

17世纪以前的齿轮，运转是不等速的。1674年，丹麦天文学家罗默提出用外摆线齿形能使齿轮等速运动的观点；1694年，法国学者海尔在巴黎科学院作了“摆线轮”的演讲，提出“外摆线齿形的齿轮与点齿轮或针齿轮啮合时是等角速度运动”的观点；1733年法国数学家卡米对钟表齿轮的齿形进行了研究，提出了著名的“啮合基本理论定理”即“Camus定理”；1832年英国里德认为“某一给定齿数的齿轮，当它与不同齿数的齿轮啮合时，其齿形应是各不相同的”，首次提出了互换性问题。19世纪中叶，英国威利斯提出节圆外侧和内侧分别采用外摆线和内摆线的复合摆线齿形，摆线滚动圆与齿数无关，这种齿形不管齿数多少都能正确啮合，是具有互换性的。不久，市面上出售根据摆线齿形设计的成形铣刀，从而使摆线齿轮普及全世界。时至今日，虽然渐开线齿轮占大多数，但摆线仍用作摆线针轮行星减速器中齿轮和罗茨轮等的齿形曲线，而钟表中的齿轮仍然是复合摆线齿形。摆线齿轮（图3-28）是齿廓为各种摆线或其等距曲线的圆柱齿轮的统称。摆线齿轮的齿数很少，常用在仪器仪表中，较少用作动力传动，其派生型—摆线针轮传动（图3-29）则应用较多。