最近有一些不專業(yè)搞齒輪但又和它沾邊的小伙伴問了一個(gè)問題：怎么用不那么專業(yè)的詞匯去解釋什么是齒輪？有些英文圖紙上面的名詞順道注明一下，下面就試著用這種方式聊一聊齒輪。稍微有一丟丟長，想了解的小伙伴們可以耐下性子往下扒拉。
汽車、鐘表、開罐器以及許多其他設(shè)備都在其機(jī)構(gòu)中使用齒輪通過旋轉(zhuǎn)傳遞動力。齒輪是一種圓形機(jī)械裝置（有些齒輪也不是圓形的），齒嚙合以跨軸傳遞旋轉(zhuǎn)，它們是一種非常有價(jià)值的機(jī)械零件，因?yàn)樗鼈兊膽?yīng)用范圍非常廣泛。
什么是齒輪？
齒輪是一種圓周上有齒的輪子。齒輪通常成組出現(xiàn)，用于將旋轉(zhuǎn)從一個(gè)齒輪的軸傳遞到另一個(gè)齒輪的軸。一個(gè)軸上的齒輪的齒與另一個(gè)軸上的齒輪的齒嚙合，從而在兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)之間建立關(guān)系。當(dāng)一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，另一個(gè)軸也會旋轉(zhuǎn)。不同尺寸的兩個(gè)齒輪會使它們的兩個(gè)軸以不同的速度旋轉(zhuǎn)，您將了解這一點(diǎn)，以及不同類型的齒輪及其使用位置。
為什么使用齒輪？
齒輪是一種非常有用的傳動機(jī)構(gòu)，用于將旋轉(zhuǎn)從一個(gè)軸傳輸?shù)搅硪粋€(gè)軸。正如我之前提到的，您可以使用齒輪來改變軸的輸出速度。假設(shè)您有一個(gè)以每分鐘 100 轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，而您只希望它以每分鐘 50 轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。您可以使用齒輪系統(tǒng)來降低速度（同樣也可以增加扭矩），使輸出軸以電機(jī)速度的一半旋轉(zhuǎn)。齒輪通常用于高負(fù)載情況，因?yàn)辇X輪的齒可以對軸的運(yùn)動進(jìn)行更精細(xì)、更離散的控制，這是齒輪優(yōu)于大多數(shù)滑輪系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢。齒輪可用于將旋轉(zhuǎn)從一個(gè)軸傳輸?shù)搅硪粋€(gè)軸，特殊類型的齒輪可以將運(yùn)動傳遞到非平行軸。
齒輪的零件
Teeth——齒輪的輪齒，從齒輪圓周向外突出的鋸齒狀表面，用于將旋轉(zhuǎn)傳遞到其他齒輪。齒輪上的齒數(shù)必須是整數(shù)。只有當(dāng)齒輪的齒嚙合且具有相同的齒形時(shí)，齒輪才會傳遞旋轉(zhuǎn)。
Axis——齒輪的中心軸線，從正面看是一個(gè)點(diǎn)。
Pitch Circle——齒輪的節(jié)圓，他是度量一個(gè)齒輪大小的圓。
Pich Diameter——節(jié)圓的直徑，兩個(gè)齒輪必須具有相同的徑節(jié)才能嚙合。
Circular Picth——齒輪的節(jié)距，也就是在節(jié)圓上一個(gè)齒中心到另外一個(gè)齒的中心的弧長
Pressure Angle——齒輪的壓力角，這...要怎么通俗的講哩？一對齒輪嚙合（接觸）時(shí)，受力方向和運(yùn)動速度方向的夾角，這么說好像也不是很好理解，就這樣吧。
計(jì)算齒輪比
正如之前提到的，齒輪可用于降低或增加驅(qū)動軸的速度或扭矩。為了以所需的速度驅(qū)動輸出軸，這時(shí)候就需要使用具有特定速比的齒輪系統(tǒng)來輸出該速度。
系統(tǒng)的速比是輸入軸轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速之間的比率。在雙齒輪系統(tǒng)中，有很多種方法可以計(jì)算速比。最常用的方法是通過每個(gè)齒輪上的齒數(shù) (N)。要計(jì)算齒輪比 (R)，公式如下：R=N2/N1
其中 N2 表示與輸出軸相連的齒輪的齒數(shù)，N1 表示與輸入軸相連的齒輪的齒數(shù)。上圖第一張圖中的左邊齒輪有 16 個(gè)齒，右邊齒輪有 32 個(gè)齒。如果左齒輪是輸入軸，則比率為 32:16，可簡化為 2:1。這意味著左齒輪每旋轉(zhuǎn) 2 圈，右齒輪就會旋轉(zhuǎn)一圈。
速比比也可用于確定系統(tǒng)的輸出扭矩。扭矩定義為物體繞其軸旋轉(zhuǎn)的趨勢；基本上是軸的旋轉(zhuǎn)功率。扭矩更大的軸可以轉(zhuǎn)動更大的物體。齒輪比 R 也等于輸出軸扭矩與輸入軸扭矩之比。在上面的例子中，雖然 32 齒齒輪旋轉(zhuǎn)得更慢，但它輸出的旋轉(zhuǎn)功率是輸入軸的兩倍。
齒輪類型
齒輪和齒輪機(jī)構(gòu)有多種類型，這里肯定不會涵蓋所有類型。這里將從一些最簡單的齒輪和齒輪機(jī)構(gòu)開始，然后介紹一些更復(fù)雜、更有趣的齒輪和齒輪機(jī)構(gòu)。
直齒輪
直齒輪是最常見和最簡單的齒輪類型。直齒輪用于將運(yùn)動從一個(gè)軸傳遞到另一個(gè)與之平行的軸。直齒輪的上面兩個(gè)端面的齒槽正對著，形狀和位置完全一樣。當(dāng)兩個(gè)相鄰的正齒輪嚙合時(shí)，它們會以相反的方向旋轉(zhuǎn)。
變速箱
這個(gè)是不是有點(diǎn)熟悉，它也勉強(qiáng)可以稱之為變速箱啦，變速箱接收輸入軸（通常是電機(jī)的軸）的旋轉(zhuǎn)，并通過一系列齒輪改變來自輸入軸的速度和功率，以所需的速度或扭矩轉(zhuǎn)動輸出軸。變速箱通常根據(jù)其總速比（輸入軸速度與輸出軸速度之比）進(jìn)行分類。
錐齒輪
錐齒輪是一種用于將動力從一個(gè)軸傳輸?shù)搅硪粋€(gè)非平行軸的齒輪。錐齒輪有傾斜的齒，這實(shí)際上使其“節(jié)圓直徑”的形狀呈圓錐。這就是為什么大多數(shù)錐齒輪都是根據(jù)齒輪大端面到假想錐尖的距離進(jìn)行分類的，如果齒輪的齒伸出來，錐尖會形成假想錐尖。為了使兩個(gè)錐齒輪嚙合，每個(gè)假想錐尖應(yīng)在同一頂點(diǎn)相交。當(dāng)兩個(gè)錐齒輪尺寸相同并以 90 度角轉(zhuǎn)動軸時(shí)，它們被稱為“斜齒輪”。
齒條和小齒輪
齒條和小齒輪將齒輪（小齒輪）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為齒條的直線運(yùn)動。小齒輪就像任何其他正齒輪一樣，它與齒條（帶齒的軌道）嚙合。齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒條連續(xù)滑動。
內(nèi)部齒輪
內(nèi)齒輪就是齒在內(nèi)側(cè)而不是外側(cè)的齒輪。內(nèi)齒輪可用于減少傳動系統(tǒng)占用的空間，或允許某物在齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)穿過軸的中心。與普通直齒輪不同，內(nèi)齒輪的旋轉(zhuǎn)方向與普通正齒輪旋轉(zhuǎn)的方向相同。大多數(shù)情況下，內(nèi)齒輪用于行星齒輪箱，下面再來看看行星齒輪箱。
行星齒輪箱
行星齒輪箱是一種使用內(nèi)齒輪的特殊類型的齒輪箱。行星齒輪箱的主要部件包括太陽齒輪，它位于齒輪箱的中心，通常與系統(tǒng)的輸入軸相連。太陽齒輪轉(zhuǎn)動幾個(gè)行星齒輪，這些行星齒輪同時(shí)轉(zhuǎn)動一個(gè)大型內(nèi)齒輪，稱為內(nèi)齒圈的齒輪。行星齒輪通常受托架約束，以防止它們圍繞太陽齒輪旋轉(zhuǎn)。行星齒輪箱可以承受比大多數(shù)齒輪箱更高的負(fù)載，因?yàn)樨?fù)載分布在所有行星齒輪上，而不是只分布在一個(gè)正齒輪上。這些齒輪箱非常適合在小空間內(nèi)進(jìn)行大型齒輪減速，但由于其設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本可能很高，并且需要良好的潤滑。
蝸輪
蝸輪是由蝸桿驅(qū)動的齒輪，蝸桿是與齒輪嚙合的小型螺絲狀部件。齒輪繞與蝸桿垂直的軸旋轉(zhuǎn)，但與蝸桿不在同一個(gè)平面上。蝸桿每旋轉(zhuǎn)一圈，齒輪就會旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒。這意味著蝸輪的齒輪比始終為 N:1，其中 N 是齒輪的齒數(shù)。雖然大多數(shù)齒輪都有圓齒距，但蝸桿卻有線性齒距，即螺旋線中一圈到下一圈的距離。
因此，蝸輪可用于大幅降低速度并增加系統(tǒng)扭矩，只需一步，占用空間很小。蝸輪機(jī)構(gòu)僅用一個(gè) 40 齒齒輪和一個(gè)蝸桿即可實(shí)現(xiàn) 40:1 的齒輪比，而使用正齒輪實(shí)現(xiàn)相同效果時(shí)，則需要一個(gè)小齒輪與另一個(gè) 40 倍大小的齒輪嚙合。
由于蝸桿是螺旋形的，因此蝸輪幾乎不可能反向驅(qū)動。這意味著，如果您嘗試通過其輸出軸（在蝸輪上）而不是輸入軸（在蝸桿上）來旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，那么您將無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)蝸輪驅(qū)動時(shí)，螺旋會旋轉(zhuǎn)并緩慢地向前移動每個(gè)齒。如果您反向驅(qū)動系統(tǒng)，齒輪將推向螺紋的側(cè)面，而不會真正轉(zhuǎn)動它們。這使得蝸輪在機(jī)械系統(tǒng)中非常有價(jià)值，因?yàn)檩S不能被外力操縱，并且它減少了系統(tǒng)中的間隙和間隙。
斜齒輪和人字齒輪
斜齒輪是一種更高效的齒輪。齒與旋轉(zhuǎn)軸成一定角度，因此它們最終會繞齒輪彎曲，而不是像直齒輪那樣上下筆直。斜齒輪可以安裝在平行軸之間，但只要成角度的齒嚙合，也可用于驅(qū)動非平行軸。
直齒輪上的齒是一次性嚙合的，即一個(gè)齒輪上的齒的整個(gè)表面在嚙合后立即與相鄰齒輪上的齒的表面完全接觸，而斜齒輪上的齒則逐漸滑入彼此。因此，斜齒輪更適合高負(fù)荷和高速的情況。斜齒輪的缺點(diǎn)是它們需要推力軸承，因?yàn)楫?dāng)斜齒輪的齒嚙合時(shí)，它們會產(chǎn)生軸向推力，推動齒輪沿其旋轉(zhuǎn)軸移動。
這個(gè)問題可以用人字齒輪來解決，人字齒輪基本上是兩個(gè)斜齒輪連接在一起，齒的角度相反。這消除了斜齒輪產(chǎn)生的側(cè)向力，因?yàn)槿俗铸X輪一側(cè)的軸向力抵消了另一側(cè)的力。由于人字齒輪的幾何形狀，人字齒輪比斜齒輪更難制造。
籠式齒輪和銷式齒輪
籠式齒輪和銷釘齒輪是一種更容易制造的齒輪機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兛梢杂媚景搴湍踞斄畠r(jià)地制成。然而，它們不太適合高速或高負(fù)荷的情況，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂泻艽蟮凝X隙和擺動空間?；\式齒輪和銷釘齒輪主要用于在垂直軸之間傳遞旋轉(zhuǎn)。銷釘齒輪基本上是一個(gè)圓盤，圓盤上有短銷釘從圓盤上伸出（形成直齒輪），或在其與旋轉(zhuǎn)軸平行的表面上伸出（形成錐齒輪）。這些齒輪中的銷釘充當(dāng)齒，并相互接觸以旋轉(zhuǎn)每個(gè)齒輪?；\式齒輪由兩個(gè)圓盤組成，銷釘在它們之間平行于旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)行。籠式齒輪可以像蝸輪一樣使用，因?yàn)辇X輪上的每個(gè)銷釘都與普通銷釘齒輪上的銷釘接觸。但是，該系統(tǒng)可以從任一端驅(qū)動。
非完整的齒輪
這種齒輪是齒廓未沿齒節(jié)圓延伸的齒輪。這種殘缺齒輪可用于多種不同用途。在某些情況下，您可能不需要齒輪的整個(gè)齒廓，因?yàn)辇X輪可能永遠(yuǎn)不需要旋轉(zhuǎn) 360 度，并且您可以將連桿、梁或其他機(jī)構(gòu)作為齒輪殘缺側(cè)的一部分。在其他情況下，您可能希望殘缺齒輪旋轉(zhuǎn) 360 度，但您可能不希望它一直轉(zhuǎn)動另一個(gè)齒輪。如果您旋轉(zhuǎn)一個(gè)缺了一半齒的殘缺齒輪，其齒每 30 秒與一個(gè)完整的正齒輪嚙合一次，正齒輪將轉(zhuǎn)動 15 秒，然后保持 15 秒。通過這種方式，您可以將連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這意味著輸入軸連續(xù)轉(zhuǎn)動，輸出軸轉(zhuǎn)動一點(diǎn)，然后停止，然后再次轉(zhuǎn)動，然后再次停止，如此反復(fù)。
非圓形齒輪
非圓形齒輪雖然在工業(yè)中很少見，但卻是一種非常有趣的機(jī)制。齒輪相互接觸處的直徑會隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)而變化，因此系統(tǒng)的輸出速度會隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)而振蕩。非圓形齒輪幾乎可以采用任何形狀。如果約束齒輪的兩個(gè)軸是固定的，那么齒輪在嚙合點(diǎn)處的半徑之和應(yīng)該始終等于兩個(gè)軸之間的距離。
棘輪
棘輪是一種相當(dāng)簡單的裝置，只允許齒輪朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動。棘輪系統(tǒng)由一個(gè)齒輪（有時(shí)齒與標(biāo)準(zhǔn)形狀不同）和一個(gè)小型杠桿或閂鎖組成，杠桿或閂鎖圍繞樞軸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)并卡在齒輪的齒中。閂鎖的設(shè)計(jì)和方向使得如果齒輪朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動，齒輪可以自由旋轉(zhuǎn)，閂鎖會被齒向上推，但如果齒輪朝另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動，閂鎖會卡在齒輪的齒中并阻止其移動。
棘輪在各種應(yīng)用中都很有用，因?yàn)樗鼈冊试S在一個(gè)方向上施加力，而不能在另一個(gè)方向上施加力。這些系統(tǒng)在自行車上很常見（你可以向前踩踏板來轉(zhuǎn)動車輪，但如果你向后踩踏板，車輪就會自由旋轉(zhuǎn)）、一些扳手和卷起負(fù)載的大型絞盤。
離合器
離合器是一種主要存在于汽車和其他道路車輛中的裝置，用于改變輸出軸的速度，以及斷開或接通輸出軸的轉(zhuǎn)動。離合器裝置至少涉及兩個(gè)軸，由動力源驅(qū)動的輸入軸和驅(qū)動最終裝置的輸出軸。作為示例，我將參考上圖解釋一個(gè)簡單的 2 齒輪離合器裝置。輸入軸上有兩個(gè)不同大小的齒輪（頂部軸上的兩個(gè)藍(lán)色齒輪），輸出軸包含兩個(gè)與輸入軸上的齒輪（紅色和綠色齒輪）嚙合的齒輪，但可以圍繞輸出軸自由旋轉(zhuǎn)，因此它們不會驅(qū)動它。離合器盤（中間的藍(lán)色凹槽件）位于兩個(gè)齒輪之間，與輸出軸一起旋轉(zhuǎn)，并可沿其滑動。如果離合器盤壓在紅色齒輪上，輸出軸將接合并以該組齒輪的齒輪比（3:2）定義的速度轉(zhuǎn)動。如果離合器片壓在綠色齒輪上，則輸出軸將以不同的齒輪比驅(qū)動，該齒輪比由該齒輪組定義（2:3）。如果離合器片位于兩個(gè)齒輪之間，則輸出軸處于空檔，不會被驅(qū)動。
離合器片可以通過幾種不同的方式與齒輪嚙合。一些離合器片通過摩擦嚙合，摩擦墊安裝在離合器片的側(cè)面以及齒輪的側(cè)面。其他離合器片（如上圖所示）是帶齒的，它們與齒輪表面的特定齒嚙合。
差速器
齒輪差速器是一種非常有趣的機(jī)制，它包括一個(gè)環(huán)形錐齒輪和四個(gè)較小的錐齒輪（兩個(gè)太陽齒輪和兩個(gè)圍繞它們旋轉(zhuǎn)的行星齒輪），其作用類似于行星變速箱。它主要用于汽車和其他車輛，因?yàn)樗幸粋€(gè)輸入軸，可驅(qū)動兩個(gè)輸出軸（將連接到車輪），并允許兩個(gè)輸出軸在需要時(shí)以不同的速度旋轉(zhuǎn)。最終，每個(gè)輸出軸的平均轉(zhuǎn)速必須始終等于環(huán)形齒輪的轉(zhuǎn)速。
如果汽車轉(zhuǎn)彎，那么兩個(gè)車輪將以不同的速度旋轉(zhuǎn)。內(nèi)側(cè)車輪的旋轉(zhuǎn)速度將低于外側(cè)車輪，因?yàn)樗拷囖D(zhuǎn)彎的中心點(diǎn)。如果兩個(gè)車輪連接在同一根軸上，那么汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)會很困難：一個(gè)車輪的旋轉(zhuǎn)速度會比另一個(gè)車輪慢，因此會造成拖拽。使用差速齒輪機(jī)構(gòu)，兩個(gè)軸不僅允許車輪以自己的速度旋轉(zhuǎn)，而且還由輸入軸提供動力。如果一個(gè)車輪比另一個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)得更快，藍(lán)色行星錐齒輪只會繞其軸線旋轉(zhuǎn)，而不是保持固定?，F(xiàn)在，行星齒輪都繞其軸線和輸出軸旋轉(zhuǎn)（由于托架），從而為兩個(gè)車輪提供動力，但允許一個(gè)車輪比另一個(gè)車輪旋轉(zhuǎn)得更快。
用齒輪制作一些東西
平時(shí)玩具中隨處可見齒輪的身影：
當(dāng)然齒輪能做的還有很多，比如這個(gè)：
怎么樣，沒想到吧！
