機械技術 工業革命之前的齒輪發展歷程

最早的齒輪比人類都早 伊蘇斯菲斯的兩個後腿 進化出齒輪結構 可以同時發力 這樣就不會跳歪 這是令人驚嘆的進化奇蹟 除了蟲子外 就屬中國了 這個青銅級齒輪來自於秦漢 東漢用水排古風煉鐵 應用了齒輪和連桿 張衡造出水運渾像儀 以水為動力 用來顯示星空的運動 三國時的祭禮古車 用到減速齒輪 馬軍製程帶有離合裝置的指南車 近代杜宇發明瞭水轉聯末 這些齒輪技術積累 在宋代達到頂峯 北宋建成複雜巨大的水運影像臺 可以進行天文演示和報時 根據李約瑟的考證 它已經有成熟的勤奏機構 這是後世鐘錶的核心裝置 之後的高峯出現在明朝 《天公開悟》中記載的牛力齒輪 帶動翻車提水 成了現代高中學生常見的考試題目 在西方中世紀 炸油鋪 鐵匠鋪 麵粉鋪等 許多手工作坊 普遍利用水力 人們用圍堰提高河流水位 帶動木質水輪 後來用引水渠和蓄水池 旋指更加靈活 在這個階段 東西方的木質機械有相似的地方 人們都發現 水流衝擊水輪的頂部 利用水的重力旋轉 比底部更好 這就是上攝式水輪 東西方都有利用 凸輪抬起木槌的裝置 西方用來打鐵和鼓風 在東方稱為水隊 用來加工糧食 這期間主要是拔掛齒輪 將短棒安裝到圓盤的邊緣和側面 可以轉變傳動方向 方便地更換維修已損壞的木齒 這是齒輪應用的最早階段 中世紀晚期 機械化就已經開啟 十四世紀普及了水利鍛錘 逐漸發展到生產鋼絲和滾壓鍛鐵 然後是用水利鑽泡孔 水利機械的應用不斷擴展 除了冶鐵和糧食加工外 採礦起重 碾碎石頭 將錫製革 研磨塗料 雖然木齒輪的強度和精度有限 但人們對運用齒輪已經很熟練 出現了複雜的齒輪組 皮帶傳動組 錐齒輪 還有早期的木車牀 這個漫長的技術積累過程 叫做等距齒輪時期 能夠做到相等齒距 避免空轉 對齒輪形狀有粗略考慮 但沒有理論指導 還不能做到等速迴轉 達芬奇是那個時代罕見的全才 他留下了七千多頁手稿 據說只是所有手稿的四分之一 被稱為十五世紀的科學百科全書 其中有解剖圖 工程草圖 以及各種發明 那個時代只有槓桿滑輪 發條齒輪這些簡單機械 卻擋不住他的非凡創意 飛行器 機械車 潛水呼吸器 潛水艇 坦克 鐮刀戰車 甚至是機器人模型 他記載了各種機械傳動裝置 滾珠裝置 陀螺裝置等 他的發條機械車 車速和剎車裝置都有 在他的手稿裡 可以找到各種齒輪構思 如圓錐齒輪 渦桿傳動 曲面齒輪傳動等 在當今廣泛應用 直到今天 機械師仍然能從他的手稿中 得到啟發 到了海邊 河流就沒有力量了 好在有風力可以利用 荷蘭風車是卓越的代表 在他的發展中 西蒙斯蒂文是首席功臣 他比伽利略大師六歲 和那個時代的其他大師一樣 什麼都會 在工程 物理 數學和天文學上 成就卓越 他用力學和數學來改進風車 計算槳葉的最小風壓 科學地佈置風車槳葉 在他的數學優化下 風車軸和數向軸並不垂直 而是呈特定角度 兩個齒輪的傳動比 也不是整數倍 即使風力不大 風車也能流暢運轉 噪音和摩擦的消耗很小 效率提高三倍 有力支撐了荷蘭的加工業 和造船業 後期工匠還發明瞭飛球調速器 成為自動控制的鼻祖 為之後的瓦特改進蒸汽機 提供絲路 西蒙斯蒂文去世時 荷蘭已經遍佈了上萬座風車 成為17世紀的世界霸主 被稱為海上的馬車夫 工匠修理完風車 就趕去教堂修理重錘塔鐘 17世紀中期的能工巧匠 這兩種活都能幹 隨著伽利略和惠登斯的研究 行動機構進化成擺錘或油絲驅動 鐘錶越來越小 塔鐘變為坐鐘 又變成懷錶 鐘錶匠成為固定職業 鐘錶的核心是擒縱機構 齒輪組也極為重要 必須做到船動順滑 能量損失極小 才能長時間運行 這是極大的考驗 當時鐘錶匠的工具 只有挫刀 尖錐 磨石 和簡陋的手工機牀 但他們硬是用手搓 製造出結構精細的臺鐘和航海鐘 成為大航海時代 船隻導航定位的利器 雙手是億萬年進化的成果 直通心靈 直到今天 高精度的零件 仍然需要手工刮巖才能做到 進入17世紀後 生產力的快速提高 促使數學迅猛發展 船隻導航需要天文觀測 工業需要更複雜的機械 軍事上需要研究彈道學 計時器 修築運河和堤壩 工程測量等 需要複雜的計算 數學進入了極富創造性的時期 出現牛頓 萊布尼茲 迪卡爾 費馬 歐拉等許多數學大師 在各個領域進行開創性研究 這稱為變量數學時期 標誌事件是解析幾何和微積分的創立 這是群星閃耀的時代 廣泛應用的齒輪 自然成為數學家的研究對象 首先就是穩定傳動問題 之前的齒輪傳動不等速 對於慢速的鐘錶影響不大 但沒法滿足高速需求 什麼樣的齒輪形狀 能夠保證傳動順滑 成為當時的研究重點 從1674年開始 丹麥和法國學者提出外擺線齒輪 它能做到涅合時角速度相等 1733年 法國學者卡米提出齒輪涅合的定律 擺線齒輪開始普及 1767年 大數學家歐巴提出用劍開線 它的重要特性 就是中心距變化時 角速度不變 即使齒輪安裝位置有誤差 傳動速度也不變 同時也易於生產 這使得劍開線齒輪得到廣泛的應用 20世紀 出現圓弧齒輪 拋物線齒輪 曲線齒輪等方案 它們各有特點 適用在不同的場合 直到今天 對齒輪形狀的研究仍在進行之中 到18世紀晚期 工程師斯密頓進行了水車動力實驗 計算水車的輸出功率和摩擦損失 優化了水車設計 他也研究風車 研究風速和效率的關係 製作了大量實物 風車和水沒達到頂峯 巨大的水輪在轉動 通過皮帶傳動和複雜的齒輪傳動系統 帶動整個車間的紡織機械 人們對於齒輪的理解和運用 在理論和實踐上都達到了相當的高度 在這個技術積累期的尾聲 需求越來越大 動力的升級已經迫在眉睫 1783年 瓦特造出第一臺能夠轉動的蒸汽機 引來了蒸汽革命的爆發 它不是偶然的 任何爆發都是由量變到質變 長期積累的結果