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齿轮工作原理

热度387票时间：2011年5月06日 19:32

齿轮被广泛应用于机械设备中。它们有一些非常重要的作用，但其中最重要的则是它们在机动设备中提供的齿轮减速功能。这种功能之所以重要，是因为在通常情况下，虽然转速极高的小电动机能够为设备提供足够的动力，但它们不能提供足够的力矩。例如，电动螺丝刀具有非常大的齿轮减速比，这是因为它需要大量的力矩才能转动螺丝钉，但电动机在高速运转下只能生成较小的力矩。利用齿轮减速装置，将可以减小输出速度，同时增大力矩。

,_ E(N'B*WN6b0齿轮的另一个作用是调整旋转方向。例如，在汽车两个后轮之间的差速器中，动力由汽车中心的传动轴传送而来，差速器需要将这一动力转动90度，然后才能将其施加给后轮。

\X o9P#N&J~4}0不同类型的齿轮中有着各种各样的复杂特征。在本文中，我们将了解齿轮的轮齿究竟是如何发挥作用的，

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齿轮工作原理

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然后谈谈所有机械配件中的各种齿轮都有哪些特点。

在任何齿轮中，齿轮比都是由齿轮中心与接触点之间的距离决定的。例如，在含有两个齿轮的设备中，如果一个齿轮的直径是另一个齿轮的两倍，那么齿轮比就是2:1。

下面让我们来看一个最简单的齿轮，这是一个周围伸出很多木销的轮子。

图1. 木销齿轮动画

kOY3UUY7d8G P0这种齿轮的问题在于，在两个齿轮一起转动时，每个齿轮中心与接触点之间的距离会不断变化。这意味着，齿轮比在齿轮转动时会发生变动，进而导致输出速度出现波动。如果汽车中使用了这样的齿轮，将无法维持恒定的速度——您会不停地加速和减速。

n^0c,EUU.X"v0许多现代齿轮使用一种称为渐开线的特殊齿形。这种齿形有一个十分重要的特性，它们可以在两个齿轮间维持一个恒速比。与上面的木销齿轮相同，这种齿形的接触点也在不断变化，但它的渐开线形轮齿可以补偿这种变化。有关详细信息，请参见行星齿轮组和齿轮比。

现在，让我们来看一些不同类型的齿轮。

2A"M(w.J*l m[V!T6S0正齿轮是最常见的一种齿轮。它们具有直轮齿并装在平行轴上。有时，人们会同时使用很多正齿轮来生成较大的齿轮减速比。

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图2. 正齿轮

adxHSd*j\6}(B f0很多设备中都使用了正齿轮，当您浏览博闻网时，将会经常看到这些设备，比如电动螺丝刀、跳舞丑怪、摆动式喷灌机、发条式闹钟、洗衣机和干衣机等。但汽车中则很少使用正齿轮。拓松汽车户外网 -+nE4@.C6e"Z+EZ

&edXY#Vyx$A0这是因为正齿轮的噪音很大。每当一个齿轮的轮齿与另一个齿轮的轮齿啮合时，这些轮齿将发生碰撞，进而发出噪声。此外，它还会增大轮齿所承受的压力。拓松汽车户外网 -p'{U RS

&?"i-Q{}i'D XX6zn0为了减少噪音并降低齿轮间的压力，汽车中使用的齿轮大都是斜齿轮。

在斜齿轮上，轮齿的切口方向与齿轮表面成一定的角度。当斜齿轮系统上的两个轮齿啮合时，接触点将从轮齿的一端开始，并随着齿轮的旋转逐渐移到另一端，直至两个轮齿完全啮合。

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XTE+lCs,Vj"\8Y0图3. 斜齿轮

?6inKn&y0通过这种逐渐啮合的方式，斜齿轮在运转时要比正齿轮平稳、安静得多。因此，几乎所有汽车的变速器都使用斜齿轮。

t]~"??5t#R0由于斜齿轮上的轮齿呈现一定的角度，因此当它们啮合时，齿轮将会承受一定的压力。使用斜齿轮的设备都装有轴承，用来承受这种压力。拓松汽车户外网 -j&Ql\oI

斜齿轮有一个非常有趣的方面，如果齿轮轮齿的角度适当，便可以将它们装在相互垂直的轴上，从而使啮合角度变为90度。拓松汽车户外网 -,U`[Df-SB

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图4. 交错轴斜齿轮

当需要改变轴的旋转方向时，便可以使用锥齿轮。它们一般装在互相垂直的两个轴上，但也可以将其设计为适用于其他角度。

eb[v5M{w0锥齿轮上的轮齿可以是直齿、螺旋齿或准双面齿。实际上，锥齿轮的直齿与正齿轮的直齿有着相同的问题——轮齿的啮合会产生噪声并给轴承带来压力。

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vS] [D)N~[r0图5. 锥齿轮

w_Drf,dX0与正齿轮相同，解决这一问题的方法就是让齿轮轮齿变弯。这些螺旋轮齿的啮合方式与斜齿轮轮齿类似：接触点从齿轮轮齿的一端开始，并逐渐移到轮齿的另一端。拓松汽车户外网 -L$p[n D

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图6. 螺旋齿锥齿轮

在直齿和螺旋齿锥齿轮上，两个轴必须相互垂直并位于同一平面上。如果能够延长这两个轴并使之穿过齿轮，它们将相交在一起。然而，准双曲面齿轮可以结合位于不同平面中的两个轴。拓松汽车户外网 -}.oB\/_K JI5W

图7. 汽车差速器中的准双曲面锥齿轮

i*U-zb v1sb s5{}0此功能被广泛用于汽车差速器中。差速器的环形齿轮和输入小齿轮都是准双曲面齿轮。这样，输入小齿轮的安装位置便可以低于环形齿轮的轴。图7显示了输入小齿轮正与差速器中的环形齿轮啮合在一起的情形。由于汽车的驱动轴连接在输入小齿轮上，这样就降低了驱动轴的高度。这意味着，驱动轴不会过多地伸到乘客舱中，从而为乘客和货物留出了更多空间。拓松汽车户外网 -+xE"v;}*X,IH

如果想获得较大的齿轮减速比，就需要使用蜗轮。蜗轮的齿轮减速比一般为20:1，有时甚至高达300:1或更大。

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0eLYW%yucX7w#u0图8. 蜗轮

许多蜗轮都有一个其他齿轮组所不具备的有趣特性：蜗杆可以轻易转动齿轮，但齿轮无法转动蜗杆。这是因为螺杆上的突角很浅，当齿轮尝试旋转螺杆时，齿轮与螺杆之间的摩擦力会让螺杆保持原位。

Q#Z!B`[,p]? Z0这一功能在传送系统等机械中十分有用。当电动机不再转动时，这种锁止功能便可以充当传送装置的制动器。蜗轮另一个十分有趣的应用是托森(Torsen)差速器，这种差速器主要用在某些高性能汽车和卡车上。拓松汽车户外网 -ye@c`eX

}:y6fhre5LDKS0齿条齿轮式传动装置可将旋转运动转化为线性运动。许多汽车上的转向系统就是这种装置的一个完美示例。在转向系统中，方向盘转动一个与齿条啮合的齿轮。当齿轮旋转时，它将带动齿条左右滑动，具体则取决于你旋转方向盘的方向。拓松汽车户外网 -ZemV#]9f%[

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Photo courtesy Emerson Power Transmission Corp.

)o#@6m5a6}l9g4^+^0-->图9. 一个家用称中的齿条齿轮式传动装置

某些称还使用齿条齿轮式传动装置来转动刻度盘。拓松汽车户外网 -1u~F|yMEPQ

任何行星齿轮组都主要有三个主要部件：

中心齿轮

行星齿轮及其支架

o^}3w{V0环形齿轮

)foDx.zr0在这三个组件中，每个组件都可以充当输入齿轮和输出齿轮，也可以保持不动。组件的角色分配将决定齿轮组的齿轮比。下面我们来观察一个行星齿轮组。拓松汽车户外网 -Z&yLw4[T G&OK

IHp+HRIZ0在我们的变速器中有这样一个行星齿轮组，其环形齿轮具有72个轮齿，中心齿轮具有30个轮齿。利用这一齿轮组，我们可以得到很多不同的齿轮比。拓松汽车户外网 -+{:pR4F4C

dX3tvu?_0输入

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计算公式

齿轮比

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中心齿轮(S)

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g0{CB0U6r0此外，将这三个组件中的任意两个锁定在一起，都会将整个装置的齿轮减速比锁定为1:1。请注意，上面列出的第一个齿轮比表示减速——输出速度小于输入速度。第二个表示加速——输出速度大于输入速度。最后一个也表示减速，但其输出方向被反转。利用此行星齿轮组，还可以得到其他一些齿轮比，但这些齿轮比是与自动变速器相关的。您可以在下面的动画中进行试验：拓松汽车户外网 --X@lSkD$f

与自动变速器相关的各种齿轮比的动画演示拓松汽车户外网 -d*ToJ y*qrr

w }!M }%s*C}0请单击上表左侧的按钮。

.B4T0qA}6l*Y0综上可知，这一齿轮组可以生成所有这些不同的齿轮比，而无需连接或拆下任何其他齿轮。通过并排使用两个这样的齿轮组，我们可以得到变速器所需的四个前进档齿轮和一个倒档齿轮。在下一部分中，我们将介绍两个齿轮组一起使用的情况。

在一个渐开线齿形齿轮的轮齿上，接触点先是接近另一个齿轮，当后一齿轮旋转时，接触点将从该齿轮移开并移向另一个齿轮。如果您能够跟踪接触点的轨迹，将发现接触点走的是一条直线——从一个齿轮附近开始，到另一个齿轮附近停止。这意味着，当轮齿啮合时，接触点的半径将变大。

'K#p@i,if0图10. 渐开线齿轮的动画拓松汽车户外网 -T*E.i'C.C2c0a{

Bw0nPEW:` Zf0节径是指有效的接触直径。由于接触直径并不是固定的，因此节径实际上是一个平均接触距离。当轮齿第一次开始啮合时，上方齿轮的轮齿将与节径内下方齿轮的轮齿接触。但请注意，上方齿轮轮齿与下方齿轮轮齿的接触部分此时非常薄。当齿轮转动时，接触点将向上滑到上方齿轮轮齿的较厚部分。这会向前推动上方的齿轮，从而弥补了较小的接触直径。当轮齿继续旋转时，接触点将移得更远，直至移出节径范围——但下方轮齿的齿形会继续这种运动。接触点滑到下方轮齿的较薄部分，这样便稍微降低了上方齿轮的移动速度，从而抵消了接触直径的增加对速度产生的影响。最终结果是，虽然接触直径在不断变化，但速度仍然保持不变。综上可知，渐开线形齿轮轮齿可以生成固定的转速比。

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