为什么齿数要设计为互质数?教材只告诉我结果,却没告诉我原因!


第一,汽车变速箱的齿轮齿数互为质数是为了减少噪音和振动,并提高传动效率。这种设计选择可以减少齿轮之间的共振和冲突,提供更平滑的动力传递。当齿轮齿数互为质数时,它们之间没有公因数,这意味着它们的齿数之间没有共同的倍数。因此,在齿轮之间的接触过程中,不会频繁地出现重复的接触点,减少了齿轮之间的干涉和噪音。此外,质数齿数的齿轮还具有更均匀的磨损特性。如果齿轮齿数之间存在公因数,部分齿面可能会在更短的时间内频繁接触,导致不均匀的磨损。而质数齿数的齿轮可以更均匀地分布载荷,延长齿轮使用寿命。总的来说,选择互为质数的齿轮齿数可以提供更平稳、更高效的动力传递,减少噪音和振动,并提高齿轮的耐久性。这是汽车变速箱设计中的一种优化选择。

第二,你的数学有点差,互质就是没有公约数,这样,若A轮有一个齿特硬,它每转一圈后会与B轮的另一个齿咬合,不会重复咬合同一个齿,对B轮的磨损就是均匀的,这还需要怎样的解释。除此之外,比齿数互质更重要的是齿牙数量对传动摩擦的影响,即使齿数互质,如果齿牙数量不合适仍然不行,这是问题源头。设计摩擦系数最匹配的齿轮,是机械动力专家们最大的成就,齿数互质是考虑条件之一,不是唯一。

第三,为啥齿数互为质数?道理很简单。我们知道,齿轮在生产过程中,材质里元素的配比不可能是完全均匀的,也就是每个齿面的强度都有微小的差异。这样就要确保两个传动齿轮中的每个齿,都有跟另一个齿轮上所有的齿相同的啮合机会,也就是任意一个齿,跟对面轮上的任意齿啮合的几率是一样的,这样才能摩擦程度均匀,只有相互为质数才能避免重复相遇。除此之外,由于材料均匀度与机械加工的均匀度都存在误差,每个轮齿的表面强度都有误差。为了避免加工的正误差反复挤压摩擦造成局部疲劳破坏轮齿表面,要求齿数所具有的最大公约数就是自己的全部齿数。我的专业就是机械设计。

第四,两齿轮啮合滚动,精度再高也有间隙,如果齿数有公约数,会把间隙累加到公约数那个齿,间隙过大产生碰撞。说均匀磨损也说的过去,但主要原因是间隙误差在互质情况下不会累积。

第五,两个齿轮传动可以看成大齿轮保持不动,小齿轮沿着大齿轮周围滚动。两个齿轮齿数互质,意味着小齿轮转动的圈数乘上一个整数不可能恰好等于大齿轮的齿数,这样就不会出现特殊的“齿对”以固定的周期相遇。即使齿数是互质的,只要经过足够多圈的转动,小齿轮的任何一个齿和大齿轮的任何一个齿终究会相遇,但是这种齿齿“相遇”的几率是均等的,这就保证齿轮的磨损是均匀的。很多人错误地把公倍数的物理效果理解成公约数的物理效果,公倍数意味着小齿轮上的任何一个齿都会在经过公倍数周期后与大齿轮的某个齿相遇,但这种相遇是对所有的齿平等的。

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