从达芬奇到AI时代：齿轮的全方位知识图谱，一文看懂！

1. 什么是齿轮？

齿轮是机械传动的核心，是能互相啮合、传递动力和运动的有齿机械零件。

2. 齿轮的辉煌历史

– 西方起源：公元前350年亚里士多德已有记载，文艺复兴时期达芬奇留下了现代齿轮的雏形。
– 中国贡献：公元前400年已使用，山西出土的青铜齿轮是世界之最，指南车更是古代齿轮应用的典范。
– 技术演进：17世纪后，渐开线齿轮成为主流，现代齿轮技术已能实现从微型到巨型、从低速到高速的全覆盖。

3. 齿轮的三大分类

根据轴的相对位置，齿轮主要分为三类：

类型 常见例子 特点
平行轴 正齿轮、斜齿轮、齿条 传动效率高，应用最广
相交轴 直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮 用于两轴相交的传动
交错轴 蜗杆蜗轮、准双曲面齿轮 可实现大传动比，但效率较低

小知识：平行轴和相交轴齿轮主要靠“滚动”传动，所以效率高；而交错轴齿轮靠“滑动”传动，摩擦大，效率就低一些。

4. 齿轮的关键术语与计算

这是理解齿轮设计的基础，我们挑最重要的几个来看：
– 模数 (m)：表示轮齿大小的基本参数，数字越大，牙齿越“强壮”。
– 压力角 (α)：齿面的倾斜度，常见为20°，影响传动的平稳性。
– 分度圆 (d)：决定齿轮大小的基准圆，直径  d = m × z  (z是齿数)。
– 中心距 (a)：一对齿轮啮合时，两轴之间的距离。
– 变位：通过改变刀具位置来“加厚”或“减薄”轮齿，主要用于防止小齿轮“根切”（强度削弱）或调整中心距。

5. 为什么是渐开线齿形？

目前绝大多数齿轮都采用“渐开线”作为齿形，因为它有三大无可替代的优势：

1. 啮合稳定：即使安装有微小误差，也能平稳传动，噪音低。
2. 加工简便：同一把刀具可以加工不同齿数的齿轮。
3. 强度高：齿根形状粗壮，能承受更大的载荷。

可以把它想象成一条从基圆上“展开”的线，两个齿轮的啮合就像两条皮带在两个圆上滚动。

6. 齿轮的精度

高精度是高性能齿轮的保证。主要考核以下几个方面：

– 齿形精度：牙齿的轮廓是不是标准的渐开线。
– 齿距精度：每个齿之间的距离是否均匀。
– 径向跳动：齿轮旋转时，其中心是否稳定，有没有“晃”。

现代齿轮技术已达到：齿轮模数0.004~100毫米；齿轮直径由1毫米~150米；传递功率可达十万千瓦；转速可达十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒。

国际上，动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展。