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怎么样 Gears 工作


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从汽车到钟表的各种物品中都有齿轮。

齿轮用于大量的机械设备中。他们做了几项重要的工作,但最重要的是,他们提供了 齿轮减速 在机动设备中。这是关键,因为通常情况下,高速旋转的小型电动机可以提供足够的动力 功率 一个设备,但还不够 扭力。例如,电动螺丝刀的齿轮减速非常大,因为它需要很大的扭矩来拧紧螺丝,但是电动机在高速下仅产生少量的扭矩。通过减速,可以在增加转矩的同时降低输出速度。

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齿轮要做的另一件事是调整旋转方向。例如,在汽车后轮之间的差速器中,动力是通过沿汽车中心延伸的轴传递的,差速器必须将该动力旋转90度才能将其施加到车轮上。

不同类型的齿轮有很多复杂性。在本文中,我们将确切地了解齿轮上的齿是如何工作的,并且我们将讨论在各种机械配件中发现的齿轮的不同类型。


图1.挂钉齿轮的动画

在y gear, 的 由齿轮中心到接触点的距离决定。例如,在具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直径的两倍,则传动比将为2:1。

我们可以看到的最原始的齿轮类型之一是带有木钉的轮子。

这种齿轮的问题在于,随着齿轮旋转,从每个齿轮的中心到接触点的距离会改变。这意味着齿轮比随齿轮转动而变化,这意味着输出速度也会变化。如果您在汽车中使用了这样的齿轮,就不可能保持恒定的速度-您将不断地加速和减速。

许多现代齿轮使用一种特殊的齿形,称为 渐开线. This profile has 的 very 保持两个齿轮之间恒定速比的重要特性。就像上面的固定轮一样,接触点也会移动。但是渐开线齿轮的形状弥补了这种运动。看到 这个部分 有关详细信息。

现在,让我们看一下一些不同类型的齿轮。


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图2.正齿轮

正齿轮 是最常见的齿轮类型。它们具有直齿,并安装在平行轴上。有时,许多正齿轮会同时使用以产生很大的齿轮减速比。

正齿轮用于HowStuffWorks上的许多设备中,例如 电动螺丝刀, 跳舞的怪物, 摆动式洒水器, 结束闹钟, 洗衣机干衣机。但是您在车里找不到很多。

这是因为正齿轮可能真的很大。每次齿轮齿与另一个齿轮上的齿啮合时,这些齿就会发生碰撞,并且这种撞击会产生噪音。这也会增加齿轮齿上的应力。

为了减少齿轮中的噪音和压力,您汽车中的大多数齿轮都是 螺旋形的.


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图3.斜齿轮

牙齿上 斜齿轮 切成与齿轮端面成一定角度。当斜齿轮系统上的两个齿啮合时,接触从齿的一端开始,并随着齿轮的旋转逐渐扩展,直到两个齿完全啮合。

这种渐进式啮合使斜齿轮比正齿轮更平稳,更安静地运行。因此,几乎所有汽车都使用斜齿轮 变速箱.

由于斜齿轮上的齿的角度,当它们啮合时,它们在齿轮上产生推力载荷。使用斜齿轮的设备具有 轴承 可以支撑这种推力载荷。

关于斜齿轮的一件有趣的事情是,如果齿轮齿的角度正确,则可以将它们安装在垂直轴上,将旋转角度调整90度。


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图4.交叉斜齿轮

锥齿轮 当需要更改轴的旋转方向时,此功能很有用。它们通常安装在相距90度的轴上,但也可以设计成以其他角度工作。

锥齿轮上的齿可以是 直行, 螺旋 要么 准双曲面。直齿锥齿轮齿实际上与直齿圆柱齿轮齿具有相同的问题-当每个齿啮合时,它会立即冲击相应的齿。


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图5.锥齿轮

就像正齿轮一样,解决此问题的方法是弯曲齿轮齿。这些螺旋齿就像螺旋齿一样啮合:接触从齿轮的一端开始,并逐渐扩展到整个齿上。


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图6.螺旋锥齿轮

在直齿轮和螺旋锥齿轮上,轴必须相互垂直,但也必须在同一平面上。如果您将两个轴伸出齿轮,它们将相交。的 准双曲面齿轮另一方面,可以与不同平面中的轴啮合。


图7.汽车差速器中的准双锥齿轮

此功能用于许多汽车 差异。差速器的齿圈和输入小齿轮都是准双曲面。这样可以将输入小齿轮安装在低于齿圈轴线的位置。 图7 显示了与差速器齿圈啮合的输入小齿轮。由于汽车的传动轴连接到输入小齿轮,因此也会降低传动轴。这意味着传动轴不会过多地侵入汽车的乘客车厢,从而为人员和货物提供了更多的空间。


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图8.蜗轮

蜗轮 当需要大齿轮减速时使用。蜗轮减速比通常为20:1,甚至高达300:1或更大。

许多蜗轮齿轮具有其他齿轮组所没有的有趣特性:蜗杆可以轻松旋转齿轮,但齿轮无法使蜗杆旋转。这是因为蜗杆上的角度太浅,以至于齿轮试图旋转时,齿轮和蜗杆之间的摩擦力将蜗杆固定在适当的位置。

此功能对于输送机系统之类的机器很有用,其中的锁定功能可以在电动机不转动时充当输送机的制动器。蜗轮的另一种非常有趣的用法是 托森差速器,它用于某些高性能的汽车和卡车。


图9.家用秤的齿轮齿条

齿条齿轮 用于将旋转转换为线性运动。一个完美的例子就是许多汽车的转向系统。方向盘使与齿条啮合的齿轮旋转。齿轮转动时,它会根据转动轮子的方式左右左右滑动齿条。

在某些情况下,还使用齿轮齿条齿轮 转动显示您体重的表盘。

任何行星齿轮组都具有三个主要组件:

这三个组件中的每一个都可以是输入,输出或可以保持固定。选择哪个零件扮演哪个角色决定了齿轮组的传动比。让我们看一下单个行星齿轮组。

我们变速箱中的一种行星齿轮组具有72齿的齿圈和30齿的太阳轮。我们可以从该齿轮组中获得许多不同的传动比。


输入项
输出量
固定式
计算方式
齿轮比
A
太阳(S)
行星架(C)
环(R)
1 + R / S
3.4:1
B
行星架(C)
环(R)
太阳(S)
1 /(1 + S / R)
0.71:1
C
太阳(S)
环(R)
行星架(C)
-R / S
-2.4:1


同样,将三个组件中的任何两个组件锁定在一起将以1:1的齿轮减速锁定整个设备。请注意,上面列出的第一个齿轮比是 减少 -输出速度慢于输入速度。第二个是 超速行驶 -输出速度快于输入速度。最后是减小,但输出方向相反。该行星齿轮组还可以提供其他几种速比,但是这些速比与我们的自动变速器相关。您可以在下面的动画中尝试这些方法:


与自动变速箱相关的不同传动比的动画。单击上表左侧的按钮。

因此,这套齿轮可以产生所有这些不同的传动比,而无需接合或脱离任何其他齿轮。连续使用两个这样的齿轮组,我们可以得到变速箱所需的四个前进档和一个倒档。在下一节中,我们将两组齿轮放在一起。


图10.渐开线齿轮的动画

渐开线轮廓 齿轮齿,接触点开始更靠近一个齿轮,并且随着齿轮的旋转,接触点从该齿轮移向另一齿轮。如果要遵循接触点,它将描述一条直线,该直线从一个齿轮开始,到另一个齿轮结束。这意味着接触点的半径随着齿的啮合而变大。

节圆直径 是有效接触直径。由于接触直径不是恒定的,因此节距直径实际上是平均接触距离。随着齿首先开始啮合,顶部齿轮齿在节圆直径内接触底部齿轮齿。但是请注意,此时顶部齿轮齿与底部齿轮齿的接触部分非常细。随着齿轮旋转,接触点向上滑动到顶部齿轮齿的较厚部分。这将顶部齿轮向前推动,因此补偿了稍小的接触直径。随着齿的继续旋转,接触点会进一步向远处移动,超出了节圆直径,但底齿的轮廓补偿了这种运动。接触点开始滑到下齿的骨干部分,从上齿轮减去一点速度以补偿接触直径的增加。最终结果是,即使接触点直径不断变化,速度仍然保持不变。因此,渐开线轮廓齿轮齿产生 恒定转速比.

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