齿轮工作原理
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。
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。
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,
齿轮工作原理
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
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。
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。
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。
艾?森动力传动集团公司供图
图2. 正齿轮
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。
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。
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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图3. 斜齿轮
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。
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。
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。
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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。
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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图5. 锥齿轮
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。
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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。