齿轮在转,它的轴也可以移动
中间是太阳轮,周围的小齿轮叫行星轮。行星轮一边自己转,一边跟着支架绕太阳轮走,就像既自转又绕圈。
外面还有一圈朝内的轮齿。把外圈、中间齿轮或支架中的一个固定住,再带动另一个,剩下的部件就会按不同方式运动。
先跟住有金色标记的行星轮,把“自己转”和“轴心绕圈”分开看。再换一个固定部件,看看输出速度和方向怎样改变。
换一个约束,观察同一组轮齿
- 跟住金色标记。 把小齿轮的“自己转”和它的轴心“绕圈走”分开看。
- 换一个固定部件。 用同样的输入转动,看看输出的快慢和方向怎样改变。
速度由齿数与约束共同决定
想细看:完整过程与器件说明
先找到金色的太阳轮。它的外面有三个行星轮,再外面是一圈朝内的轮齿。三个行星轮的轴装在同一个行星架上;行星架一转,这些轴就一起绕太阳轮移动。
跟住带金色标记的绿色行星轮:齿轮绕自己的轴自转,轴又跟着行星架公转。只盯着一个齿容易把两种运动混在一起。内齿圈固定时,太阳轮向前转,行星轮在公转的同时反向自转,行星架缓慢前进。
这套轮系没有唯一的减速比。先指定哪个部件固定、哪个输入、哪个输出,速度关系才确定。固定内齿圈、固定太阳轮和固定行星架,会给出不同的速度,甚至不同的方向。
更细的操作
- 固定内齿圈,让太阳轮转 1260°,也就是 3.5 圈:行星架恰好转一圈。
- 固定太阳轮,内齿圈转 504°,也就是 1.4 圈:行星架转一圈。
- 固定行星架,太阳轮转 900°,也就是 2.5 圈:内齿圈反转一圈,行星轮的轴不再公转。
- 锁成整体时,三个中心部件同速转动。标记仍在绕中心走,但齿轮之间不再有相对运动。
在“自己试试”中切换固定部件,用输入转角滑杆或键盘逐度观察。每次换约束都从相同装配相位开始;二维剖面保留相同齿廓、相位和控制。
为什么这些齿轮正好装得下?
这套轮系的太阳轮为 24 齿,每个行星轮为 18 齿,内齿圈为 60 齿。它们的模数相同,因此节圆半径正比于齿数。同心装配要求:
三个行星轮等间距排列还要求 (Ns + Nr) / 3 是整数,这里等于 28;相邻行星轮的齿顶圆也不相交。画面采用 20° 渐开线齿廓。内齿圈的齿顶朝内,外齿轮的齿顶朝外,它们不是同一个轮廓简单反色。
齿廓有少量齿厚间隙,齿根过渡经过简化。运动依照理想无滑动约束计算,未模拟有限侧隙下的碰撞或换向空程;这不是可直接用于制造的图纸。
自转与公转怎样写进同一个关系?
设太阳轮、内齿圈、行星架的角速度分别为 ωs、ωr、ωc。站到行星架上看,行星轮的轴就静止了。两处啮合给出:
固定内齿圈得到 ωc/ωs = 24/84 = 2/7;固定太阳轮得到 ωc/ωr = 60/84 = 5/7;固定行星架得到 ωr/ωs = −24/60 = −0.4。负号表示反转。锁住任意两个中心部件之间的相对运动后,第三个也只能以相同速度转动。
行星轮的绝对自转速度为 ωp = ωc − (Ns/Np)(ωs − ωc)。画面位置、标记角度和转数读数都来自这组约束,拖动播放进度也能直接重建。
转得慢,为什么可以更有力?
在理想、稳定、无损失的单输入单输出传动中,输入功率等于输出功率:τin ωin = τout ωout。内齿圈固定时,输出角速度只有输入的 1/3.5,输出转矩大小可以达到输入的 3.5 倍。输出转过的角度更小,没有凭空产生能量。
固定部件承受反力矩,但它的角速度为零,因此不做功。真实装置还受摩擦、惯性、轴承损耗、弹性变形和负载分配影响。动画没有计算这些因素,也没有展示真实变速箱离合器的接合过程。开场的轴向分解只用于辨认部件,齿轮归位后才开始传动。