汽車、鐘表、開罐器以及許多其他設備都在其機構中使用齒輪通過旋轉傳遞動力。齒輪是一種圓形機械裝置(有些齒輪也不是圓形的)，齒嚙合以跨軸傳遞旋轉，它們是一種非常有價值的機械零件，因為它們的應用范圍非常廣泛。
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，用于將旋轉從一個齒輪的軸傳遞到另一個齒輪的軸。一個軸上的齒輪的齒與另一個軸上的齒輪的齒嚙合，從而在兩個軸的旋轉之間建立關系。當一個軸旋轉時，另一個軸也會旋轉。不同尺寸的兩個齒輪會使它們的兩個軸以不同的速度旋轉，您將了解這一點，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構，用于將旋轉從一個軸傳輸到另一個軸。正如我之前提到的，您可以使用齒輪來改變軸的輸出速度。假設您有一個以每分鐘 100 轉的速度旋轉的電機，而您只希望它以每分鐘 50 轉的速度旋轉。您可以使用齒輪系統來降低速度(同樣也可以增加扭矩)，使輸出軸以電機速度的一半旋轉。齒輪通常用于高負載情況，因為齒輪的齒可以對軸的運動進行更精細、更離散的控制，這是齒輪優于大多數滑輪系統的一個優勢。齒輪可用于將旋轉從一個軸傳輸到另一個軸，特殊類型的齒輪可以將運動傳遞到非平行軸。
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，用于將旋轉傳遞到其他齒輪。齒輪上的齒數必須是整數。只有當齒輪的齒嚙合且具有相同的齒形時，齒輪才會傳遞旋轉。
Axis——齒輪的中心軸線，從正面看是一個點。
Pitch Circle——齒輪的節圓，他是度量一個齒輪大小的圓。
Pich Diameter——節圓的直徑，兩個齒輪必須具有相同的徑節才能嚙合。
Circular Picth——齒輪的節距，也就是在節圓上一個齒中心到另外一個齒的中心的弧長
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，受力方向和運動速度方向的夾角，這么說好像也不是很好理解，就這樣吧。
計算齒輪比
正如之前提到的，齒輪可用于降低或增加驅動軸的速度或扭矩。為了以所需的速度驅動輸出軸，這時候就需要使用具有特定速比的齒輪系統來輸出該速度。
系統的速比是輸入軸轉速與輸出軸轉速之間的比率。在雙齒輪系統中，有很多種方法可以計算速比。最常用的方法是通過每個齒輪上的齒數 (N)。要計算齒輪比 (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，N1 表示與輸入軸相連的齒輪的齒數。上圖第一張圖中的左邊齒輪有 16 個齒，右邊齒輪有 32 個齒。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 2 圈，右齒輪就會旋轉一圈。
速比比也可用于確定系統的輸出扭矩。扭矩定義為物體繞其軸旋轉的趨勢;基本上是軸的旋轉功率。扭矩更大的軸可以轉動更大的物體。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 齒齒輪旋轉得更慢，但它輸出的旋轉功率是輸入軸的兩倍。
齒輪類型
齒輪和齒輪機構有多種類型，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構開始，然后介紹一些更復雜、更有趣的齒輪和齒輪機構。
直齒輪
直齒輪是最常見和最簡單的齒輪類型。直齒輪用于將運動從一個軸傳遞到另一個與之平行的軸。直齒輪的上面兩個端面的齒槽正對著，形狀和位置完全一樣。當兩個相鄰的正齒輪嚙合時，它們會以相反的方向旋轉。
變速箱
這個是不是有點熟悉，它也勉強可以稱之為變速箱啦，變速箱接收輸入軸(通常是電機的軸)的旋轉，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動輸出軸。變速箱通常根據其總速比(輸入軸速度與輸出軸速度之比)進行分類。
錐齒輪
錐齒輪是一種用于將動力從一個軸傳輸到另一個非平行軸的齒輪。錐齒輪有傾斜的齒，這實際上使其“節圓直徑”的形狀呈圓錐。這就是為什么大多數錐齒輪都是根據齒輪大端面到假想錐尖的距離進行分類的，如果齒輪的齒伸出來，錐尖會形成假想錐尖。為了使兩個錐齒輪嚙合，每個假想錐尖應在同一頂點相交。當兩個錐齒輪尺寸相同并以 90 度角轉動軸時，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)的旋轉運動轉換為齒條的直線運動。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。齒輪旋轉時，齒條連續滑動。
內部齒輪
內齒輪就是齒在內側而不是外側的齒輪。內齒輪可用于減少傳動系統占用的空間，或允許某物在齒輪轉動時穿過軸的中心。與普通直齒輪不同，內齒輪的旋轉方向與普通正齒輪旋轉的方向相同。大多數情況下，內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，通常與系統的輸入軸相連。太陽齒輪轉動幾個行星齒輪，這些行星齒輪同時轉動一個大型內齒輪，稱為內齒圈的齒輪。行星齒輪通常受托架約束，以防止它們圍繞太陽齒輪旋轉。行星齒輪箱可以承受比大多數齒輪箱更高的負載，因為負載分布在所有行星齒輪上，而不是只分布在一個正齒輪上。這些齒輪箱非常適合在小空間內進行大型齒輪減速，但由于其設計復雜，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，但與蝸桿不在同一個平面上。蝸桿每旋轉一圈，齒輪就會旋轉一個齒。這意味著蝸輪的齒輪比始終為 N:1，其中 N 是齒輪的齒數。雖然大多數齒輪都有圓齒距，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扭矩，只需一步，占用空間很小。蝸輪機構僅用一個 40 齒齒輪和一個蝸桿即可實現 40:1 的齒輪比，而使用正齒輪實現相同效果時，則需要一個小齒輪與另一個 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)來旋轉系統，那么您將無法實現。當蝸輪驅動時，螺旋會旋轉并緩慢地向前移動每個齒。如果您反向驅動系統，齒輪將推向螺紋的側面，而不會真正轉動它們。這使得蝸輪在機械系統中非常有價值，因為軸不能被外力操縱，并且它減少了系統中的間隙和間隙。
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，也可用于驅動非平行軸。
直齒輪上的齒是一次性嚙合的，即一個齒輪上的齒的整個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，斜齒輪更適合高負荷和高速的情況。斜齒輪的缺點是它們需要推力軸承，因為當斜齒輪的齒嚙合時，它們會產生軸向推力，推動齒輪沿其旋轉軸移動。
這個問題可以用人字齒輪來解決，人字齒輪基本上是兩個斜齒輪連接在一起，齒的角度相反。這消除了斜齒輪產生的側向力，因為人字齒輪一側的軸向力抵消了另一側的力。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構，因為它們可以用木板和木釘廉價地制成。然而，它們不太適合高速或高負荷的情況，因為它們通常具有很大的齒隙和擺動空間。籠式齒輪和銷釘齒輪主要用于在垂直軸之間傳遞旋轉。銷釘齒輪基本上是一個圓盤，圓盤上有短銷釘從圓盤上伸出(形成直齒輪)，或在其與旋轉軸平行的表面上伸出(形成錐齒輪)。這些齒輪中的銷釘充當齒，并相互接觸以旋轉每個齒輪。籠式齒輪由兩個圓盤組成，銷釘在它們之間平行于旋轉軸運行。籠式齒輪可以像蝸輪一樣使用，因為齒輪上的每個銷釘都與普通銷釘齒輪上的銷釘接觸。但是，該系統可以從任一端驅動。
非完整的齒輪
這種齒輪是齒廓未沿齒節圓延伸的齒輪。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齒廓，因為齒輪可能永遠不需要旋轉 360 度，并且您可以將連桿、梁或其他機構作為齒輪殘缺側的一部分。在其他情況下，您可能希望殘缺齒輪旋轉 360 度，但您可能不希望它一直轉動另一個齒輪。如果您旋轉一個缺了一半齒的殘缺齒輪，其齒每 30 秒與一個完整的正齒輪嚙合一次，正齒輪將轉動 15 秒，然后保持 15 秒。通過這種方式，您可以將連續旋轉運動轉變為離散旋轉運動，這意味著輸入軸連續轉動，輸出軸轉動一點，然后停止，然后再次轉動，然后再次停止，如此反復。
非圓形齒輪
非圓形齒輪雖然在工業中很少見，但卻是一種非常有趣的機制。齒輪相互接觸處的直徑會隨著齒輪的旋轉而變化，因此系統的輸出速度會隨著齒輪的旋轉而振蕩。非圓形齒輪幾乎可以采用任何形狀。如果約束齒輪的兩個軸是固定的，那么齒輪在嚙合點處的半徑之和應該始終等于兩個軸之間的距離。
棘輪
棘輪是一種相當簡單的裝置，只允許齒輪朝一個方向轉動。棘輪系統由一個齒輪(有時齒與標準形狀不同)和一個小型杠桿或閂鎖組成，杠桿或閂鎖圍繞樞軸點旋轉并卡在齒輪的齒中。閂鎖的設計和方向使得如果齒輪朝一個方向轉動，齒輪可以自由旋轉，閂鎖會被齒向上推，但如果齒輪朝另一個方向轉動，閂鎖會卡在齒輪的齒中并阻止其移動。
棘輪在各種應用中都很有用，因為它們允許在一個方向上施加力，而不能在另一個方向上施加力。這些系統在自行車上很常見(你可以向前踩踏板來轉動車輪，但如果你向后踩踏板，車輪就會自由旋轉)、一些扳手和卷起負載的大型絞盤。
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動。離合器裝置至少涉及兩個軸，由動力源驅動的輸入軸和驅動最終裝置的輸出軸。作為示例，我將參考上圖解釋一個簡單的 2 齒輪離合器裝置。輸入軸上有兩個不同大小的齒輪(頂部軸上的兩個藍色齒輪)，輸出軸包含兩個與輸入軸上的齒輪(紅色和綠色齒輪)嚙合的齒輪，但可以圍繞輸出軸自由旋轉，因此它們不會驅動它。離合器盤(中間的藍色凹槽件)位于兩個齒輪之間，與輸出軸一起旋轉，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動，該齒輪比由該齒輪組定義(2:3)。如果離合器片位于兩個齒輪之間，則輸出軸處于空檔，不會被驅動。
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面以及齒輪的側面。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制，它包括一個環形錐齒輪和四個較小的錐齒輪(兩個太陽齒輪和兩個圍繞它們旋轉的行星齒輪)，其作用類似于行星變速箱。它主要用于汽車和其他車輛，因為它有一個輸入軸，可驅動兩個輸出軸(將連接到車輪)，并允許兩個輸出軸在需要時以不同的速度旋轉。最終，每個輸出軸的平均轉速必須始終等于環形齒輪的轉速。
如果汽車轉彎，那么兩個車輪將以不同的速度旋轉。內側車輪的旋轉速度將低于外側車輪，因為它更靠近汽車轉彎的中心點。如果兩個車輪連接在同一根軸上，那么汽車轉彎時會很困難：一個車輪的旋轉速度會比另一個車輪慢，因此會造成拖拽。使用差速齒輪機構，兩個軸不僅允許車輪以自己的速度旋轉，而且還由輸入軸提供動力。如果一個車輪比另一個車輪旋轉得更快，藍色行星錐齒輪只會繞其軸線旋轉，而不是保持固定。現在，行星齒輪都繞其軸線和輸出軸旋轉(由于托架)，從而為兩個車輪提供動力，但允許一個車輪比另一個車輪旋轉得更快。
用齒輪制作一些東西
平時玩具中隨處可見齒輪的身影：
當然齒輪能做的還有很多，比如這個：
怎么樣，沒想到吧 
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