最近有一些不专业搞齿轮但又和它沾边的小伙伴问了一个问题：怎么用不那么专业的词汇去解释什么是齿轮？有些英文图纸上面的名词顺道注明一下，下面就试着用这种方式聊一聊齿轮。稍微有一丢丢长，想了解的小伙伴们可以耐下性子往下扒拉。

汽车、钟表、开罐器以及许多其他设备都在其机构中使用齿轮通过旋转传递动力。齿轮是一种圆形机械装置（有些齿轮也不是圆形的），齿啮合以跨轴传递旋转，它们是一种非常有价值的机械零件，因为它们的应用范围非常广泛。

什么是齿轮？

齿轮是一种圆周上有齿的轮子。齿轮通常成组出现，用于将旋转从一个齿轮的轴传递到另一个齿轮的轴。一个轴上的齿轮的齿与另一个轴上的齿轮的齿啮合，从而在两个轴的旋转之间建立关系。当一个轴旋转时，另一个轴也会旋转。不同尺寸的两个齿轮会使它们的两个轴以不同的速度旋转，您将了解这一点，以及不同类型的齿轮及其使用位置。

为什么使用齿轮？

齿轮是一种非常有用的传动机构，用于将旋转从一个轴传输到另一个轴。正如我之前提到的，您可以使用齿轮来改变轴的输出速度。假设您有一个以每分钟 100 转的速度旋转的电机，而您只希望它以每分钟 50 转的速度旋转。您可以使用齿轮系统来降低速度（同样也可以增加扭矩），使输出轴以电机速度的一半旋转。齿轮通常用于高负载情况，因为齿轮的齿可以对轴的运动进行更精细、更离散的控制，这是齿轮优于大多数滑轮系统的一个优势。齿轮可用于将旋转从一个轴传输到另一个轴，特殊类型的齿轮可以将运动传递到非平行轴。

齿轮的零件

Teeth——齿轮的轮齿，从齿轮圆周向外突出的锯齿状表面，用于将旋转传递到其他齿轮。齿轮上的齿数必须是整数。只有当齿轮的齿啮合且具有相同的齿形时，齿轮才会传递旋转。

Axis——齿轮的中心轴线，从正面看是一个点。

Pitch Circle——齿轮的节圆，他是度量一个齿轮大小的圆。

Pich Diameter——节圆的直径，两个齿轮必须具有相同的径节才能啮合。

Circular Picth——齿轮的节距，也就是在节圆上一个齿中心到另外一个齿的中心的弧长

Pressure Angle——齿轮的压力角，这...要怎么通俗的讲哩？一对齿轮啮合（接触）时，受力方向和运动速度方向的夹角，这么说好像也不是很好理解，就这样吧。

计算齿轮比

正如之前提到的，齿轮可用于降低或增加驱动轴的速度或扭矩。为了以所需的速度驱动输出轴，这时候就需要使用具有特定速比的齿轮系统来输出该速度。

系统的速比是输入轴转速与输出轴转速之间的比率。在双齿轮系统中，有很多种方法可以计算速比。最常用的方法是通过每个齿轮上的齿数 (N)。要计算齿轮比 (R)，公式如下：R=N2/N1

其中 N2 表示与输出轴相连的齿轮的齿数，N1 表示与输入轴相连的齿轮的齿数。上图第一张图中的左边齿轮有 16 个齿，右边齿轮有 32 个齿。如果左齿轮是输入轴，则比率为 32:16，可简化为 2:1。这意味着左齿轮每旋转 2 圈，右齿轮就会旋转一圈。

速比比也可用于确定系统的输出扭矩。扭矩定义为物体绕其轴旋转的趋势；基本上是轴的旋转功率。扭矩更大的轴可以转动更大的物体。齿轮比 R 也等于输出轴扭矩与输入轴扭矩之比。在上面的例子中，虽然 32 齿齿轮旋转得更慢，但它输出的旋转功率是输入轴的两倍。

齿轮类型

齿轮和齿轮机构有多种类型，这里肯定不会涵盖所有类型。这里将从一些最简单的齿轮和齿轮机构开始，然后介绍一些更复杂、更有趣的齿轮和齿轮机构。

直齿轮

直齿轮是最常见和最简单的齿轮类型。直齿轮用于将运动从一个轴传递到另一个与之平行的轴。直齿轮的上面两个端面的齿槽正对着，形状和位置完全一样。当两个相邻的正齿轮啮合时，它们会以相反的方向旋转。

变速箱

这个是不是有点熟悉，它也勉强可以称之为变速箱啦，变速箱接收输入轴（通常是电机的轴）的旋转，并通过一系列齿轮改变来自输入轴的速度和功率，以所需的速度或扭矩转动输出轴。变速箱通常根据其总速比（输入轴速度与输出轴速度之比）进行分类。

锥齿轮

锥齿轮是一种用于将动力从一个轴传输到另一个非平行轴的齿轮。锥齿轮有倾斜的齿，这实际上使其“节圆直径”的形状呈圆锥。这就是为什么大多数锥齿轮都是根据齿轮大端面到假想锥尖的距离进行分类的，如果齿轮的齿伸出来，锥尖会形成假想锥尖。为了使两个锥齿轮啮合，每个假想锥尖应在同一顶点相交。当两个锥齿轮尺寸相同并以 90 度角转动轴时，它们被称为“斜齿轮”。

齿条和小齿轮

齿条和小齿轮将齿轮（小齿轮）的旋转运动转换为齿条的直线运动。小齿轮就像任何其他正齿轮一样，它与齿条（带齿的轨道）啮合。齿轮旋转时，齿条连续滑动。

内部齿轮

内齿轮就是齿在内侧而不是外侧的齿轮。内齿轮可用于减少传动系统占用的空间，或允许某物在齿轮转动时穿过轴的中心。与普通直齿轮不同，内齿轮的旋转方向与普通正齿轮旋转的方向相同。大多数情况下，内齿轮用于行星齿轮箱，下面再来看看行星齿轮箱。

行星齿轮箱

行星齿轮箱是一种使用内齿轮的特殊类型的齿轮箱。行星齿轮箱的主要部件包括太阳齿轮，它位于齿轮箱的中心，通常与系统的输入轴相连。太阳齿轮转动几个行星齿轮，这些行星齿轮同时转动一个大型内齿轮，称为内齿圈的齿轮。行星齿轮通常受托架约束，以防止它们围绕太阳齿轮旋转。行星齿轮箱可以承受比大多数齿轮箱更高的负载，因为负载分布在所有行星齿轮上，而不是只分布在一个正齿轮上。这些齿轮箱非常适合在小空间内进行大型齿轮减速，但由于其设计复杂，成本可能很高，并且需要良好的润滑。

蜗轮

蜗轮是由蜗杆驱动的齿轮，蜗杆是与齿轮啮合的小型螺丝状部件。齿轮绕与蜗杆垂直的轴旋转，但与蜗杆不在同一个平面上。蜗杆每旋转一圈，齿轮就会旋转一个齿。这意味着蜗轮的齿轮比始终为 N:1，其中 N 是齿轮的齿数。虽然大多数齿轮都有圆齿距，但蜗杆却有线性齿距，即螺旋线中一圈到下一圈的距离。

因此，蜗轮可用于大幅降低速度并增加系统扭矩，只需一步，占用空间很小。蜗轮机构仅用一个 40 齿齿轮和一个蜗杆即可实现 40:1 的齿轮比，而使用正齿轮实现相同效果时，则需要一个小齿轮与另一个 40 倍大小的齿轮啮合。

由于蜗杆是螺旋形的，因此蜗轮几乎不可能反向驱动。这意味着，如果您尝试通过其输出轴（在蜗轮上）而不是输入轴（在蜗杆上）来旋转系统，那么您将无法实现。当蜗轮驱动时，螺旋会旋转并缓慢地向前移动每个齿。如果您反向驱动系统，齿轮将推向螺纹的侧面，而不会真正转动它们。这使得蜗轮在机械系统中非常有价值，因为轴不能被外力操纵，并且它减少了系统中的间隙和间隙。

斜齿轮和人字齿轮

斜齿轮是一种更高效的齿轮。齿与旋转轴成一定角度，因此它们最终会绕齿轮弯曲，而不是像直齿轮那样上下笔直。斜齿轮可以安装在平行轴之间，但只要成角度的齿啮合，也可用于驱动非平行轴。

直齿轮上的齿是一次性啮合的，即一个齿轮上的齿的整个表面在啮合后立即与相邻齿轮上的齿的表面完全接触，而斜齿轮上的齿则逐渐滑入彼此。因此，斜齿轮更适合高负荷和高速的情况。斜齿轮的缺点是它们需要推力轴承，因为当斜齿轮的齿啮合时，它们会产生轴向推力，推动齿轮沿其旋转轴移动。

这个问题可以用人字齿轮来解决，人字齿轮基本上是两个斜齿轮连接在一起，齿的角度相反。这消除了斜齿轮产生的侧向力，因为人字齿轮一侧的轴向力抵消了另一侧的力。由于人字齿轮的几何形状，人字齿轮比斜齿轮更难制造。

笼式齿轮和销式齿轮

笼式齿轮和销钉齿轮是一种更容易制造的齿轮机构，因为它们可以用木板和木钉廉价地制成。然而，它们不太适合高速或高负荷的情况，因为它们通常具有很大的齿隙和摆动空间。笼式齿轮和销钉齿轮主要用于在垂直轴之间传递旋转。销钉齿轮基本上是一个圆盘，圆盘上有短销钉从圆盘上伸出（形成直齿轮），或在其与旋转轴平行的表面上伸出（形成锥齿轮）。这些齿轮中的销钉充当齿，并相互接触以旋转每个齿轮。笼式齿轮由两个圆盘组成，销钉在它们之间平行于旋转轴运行。笼式齿轮可以像蜗轮一样使用，因为齿轮上的每个销钉都与普通销钉齿轮上的销钉接触。但是，该系统可以从任一端驱动。

非完整的齿轮

这种齿轮是齿廓未沿齿节圆延伸的齿轮。这种残缺齿轮可用于多种不同用途。在某些情况下，您可能不需要齿轮的整个齿廓，因为齿轮可能永远不需要旋转 360 度，并且您可以将连杆、梁或其他机构作为齿轮残缺侧的一部分。在其他情况下，您可能希望残缺齿轮旋转 360 度，但您可能不希望它一直转动另一个齿轮。如果您旋转一个缺了一半齿的残缺齿轮，其齿每 30 秒与一个完整的正齿轮啮合一次，正齿轮将转动 15 秒，然后保持 15 秒。通过这种方式，您可以将连续旋转运动转变为离散旋转运动，这意味着输入轴连续转动，输出轴转动一点，然后停止，然后再次转动，然后再次停止，如此反复。

非圆形齿轮

非圆形齿轮虽然在工业中很少见，但却是一种非常有趣的机制。齿轮相互接触处的直径会随着齿轮的旋转而变化，因此系统的输出速度会随着齿轮的旋转而振荡。非圆形齿轮几乎可以采用任何形状。如果约束齿轮的两个轴是固定的，那么齿轮在啮合点处的半径之和应该始终等于两个轴之间的距离。

棘轮

棘轮是一种相当简单的装置，只允许齿轮朝一个方向转动。棘轮系统由一个齿轮（有时齿与标准形状不同）和一个小型杠杆或闩锁组成，杠杆或闩锁围绕枢轴点旋转并卡在齿轮的齿中。闩锁的设计和方向使得如果齿轮朝一个方向转动，齿轮可以自由旋转，闩锁会被齿向上推，但如果齿轮朝另一个方向转动，闩锁会卡在齿轮的齿中并阻止其移动。

棘轮在各种应用中都很有用，因为它们允许在一个方向上施加力，而不能在另一个方向上施加力。这些系统在自行车上很常见（你可以向前踩踏板来转动车轮，但如果你向后踩踏板，车轮就会自由旋转）、一些扳手和卷起负载的大型绞盘。

离合器

离合器是一种主要存在于汽车和其他道路车辆中的装置，用于改变输出轴的速度，以及断开或接通输出轴的转动。离合器装置至少涉及两个轴，由动力源驱动的输入轴和驱动最终装置的输出轴。作为示例，我将参考上图解释一个简单的 2 齿轮离合器装置。输入轴上有两个不同大小的齿轮（顶部轴上的两个蓝色齿轮），输出轴包含两个与输入轴上的齿轮（红色和绿色齿轮）啮合的齿轮，但可以围绕输出轴自由旋转，因此它们不会驱动它。离合器盘（中间的蓝色凹槽件）位于两个齿轮之间，与输出轴一起旋转，并可沿其滑动。如果离合器盘压在红色齿轮上，输出轴将接合并以该组齿轮的齿轮比（3:2）定义的速度转动。如果离合器片压在绿色齿轮上，则输出轴将以不同的齿轮比驱动，该齿轮比由该齿轮组定义（2:3）。如果离合器片位于两个齿轮之间，则输出轴处于空档，不会被驱动。

离合器片可以通过几种不同的方式与齿轮啮合。一些离合器片通过摩擦啮合，摩擦垫安装在离合器片的侧面以及齿轮的侧面。其他离合器片（如上图所示）是带齿的，它们与齿轮表面的特定齿啮合。

差速器

齿轮差速器是一种非常有趣的机制，它包括一个环形锥齿轮和四个较小的锥齿轮（两个太阳齿轮和两个围绕它们旋转的行星齿轮），其作用类似于行星变速箱。它主要用于汽车和其他车辆，因为它有一个输入轴，可驱动两个输出轴（将连接到车轮），并允许两个输出轴在需要时以不同的速度旋转。最终，每个输出轴的平均转速必须始终等于环形齿轮的转速。

如果汽车转弯，那么两个车轮将以不同的速度旋转。内侧车轮的旋转速度将低于外侧车轮，因为它更靠近汽车转弯的中心点。如果两个车轮连接在同一根轴上，那么汽车转弯时会很困难：一个车轮的旋转速度会比另一个车轮慢，因此会造成拖拽。使用差速齿轮机构，两个轴不仅允许车轮以自己的速度旋转，而且还由输入轴提供动力。如果一个车轮比另一个车轮旋转得更快，蓝色行星锥齿轮只会绕其轴线旋转，而不是保持固定。现在，行星齿轮都绕其轴线和输出轴旋转（由于托架），从而为两个车轮提供动力，但允许一个车轮比另一个车轮旋转得更快。

用齿轮制作一些东西

平时玩具中随处可见齿轮的身影：

当然齿轮能做的还有很多，比如这个：

怎么样，没想到吧！