齿轮|给我几个齿轮，我能转动整个“太阳系”！

来源：果壳

如果你打开过机械手表的后盖，看着无数小巧精密的齿轮以不同速度转动的时候，无论你是否对机械装置有研究，都一定会被它们吸引。这些错落有致的齿轮中，仿佛蕴含着某种机械装置特有的美感，让人流连忘返。

为啥齿轮转动有如此大的魔力？ 

从应用层面上来说，齿轮组可以说是应用最广泛的机械结构了。通过齿轮组之间的啮合，可以将“转动”非常精确地传递并改变。

 

就拿最常见的直齿轮为例，两个相同的直齿轮通过啮合，可以改变运动的方向。如果改变其中一个齿轮的半径，还可以同时改变输出的转速。

图片 | 图虫创意

除了作为机械手表的传动装置，生活中常见的电风扇、自行车、电梯、汽车减速箱这些大大小小的机械中也都有齿轮的参与。说得夸张点儿，只要是涉及精确的“转动”，齿轮都可以掺一脚。

齿轮组还经常被当做电机的减速器，通过多个齿轮的传动，可以让转速较快的电机输出较低的转速，还可以在降低转速的同时提高输出扭矩，可谓是最佳拍档。

电机减速箱 | 图虫创意

当然，这只是最基础的传动手段。把两个齿轮的齿倾斜45°就会变成锥形齿轮，将两个45°的斜齿轮啮合转动，就可以让两个转动轴在一个平面内垂直。

斜齿轮传动 | giphy.com

再进阶一点，有一种比较另类的蜗轮蜗杆的传动，可以让两个转轴在三维空间内垂直。

蜗轮蜗杆传动 | giphy.com

从工艺层面上来说，齿轮的生产加工非常复杂。虽然人类在公元前就已经开始使用齿轮，但由于技术和工艺的限制，直到19世纪末，我们最常用的渐开线齿轮才得以批量生产。

渐开线齿轮啮合  | Wikipedia

仔细观察就会发现，这种齿轮的齿并不是梯形，而是两边呈现出一定的弧度。它的好处是齿间啮合可以始终保持相同的速度，减少齿间的碰撞，进而提高齿轮的使用寿命。

 

齿轮除了实用，本身还是一件精致的工艺品。当许多不同种类的齿轮结合成一个精密复杂的系统时，向人们传达的是理性与感性并存的美感。

齿轮除了传动，还可以创造一个“星系” 

既实用，又美观，齿轮可以说是怼到了每个人的G点。如果脑洞再大一些，你还可以玩一波大的——比如，用齿轮创造一个“太阳系”。

 

不信？果壳实验室就做了一个“太阳系”，这可能是实验室做过最精密的装置了！一起看看吧～

通过多级齿轮啮合的结构，我们模拟了太阳系中八大行星的运动规律——根据万有引力定律，越在外面轨道的行星绕太阳公转的周期越长。不过，装置中行星的尺寸、公转周期和现实都是不一样的。毕竟体积最大的木星足足有地球的1361倍，离太阳最近的水星公转周期只有88天，而最远的海王星却是164年。专注在原理的装置就不强求比例啦！

太阳系八大行星数据 | MIT

在齿轮传动过程中，相互啮合齿轮的转动速度和半径成反比，也就是说，半径越大的齿轮转的越慢。所以在我们的“太阳系”中，越是外层轨道的行星对应的齿轮越大！

听起来很复杂？其实很简单。就好比自行车，自行车的前齿轮比后齿轮大的越多，也就转得更慢。虽然自行车的齿轮是通过链条连接的，但本质是一样的。

图片 | giphy.com

为了让齿轮沿着装置主轴错落有致的分布，相邻两个行星需要靠4个齿轮进行传动，这就需要比较严谨的计算了。

假设半径为rA齿轮A以ωA的转速转动，另一个半径rB的齿轮B与它啮合，B的转速就是：

再让第三个半径为rC的齿轮和B同轴转动，所以C和B的转速相等 。最后，再让第四个半径为rD的齿轮D和齿轮C啮合，齿轮D的转速也就可以计算出来了：

将啮合的齿轮和同轴的齿轮交错组装在一起，通过调整每个齿轮的半径大小，就能够设计出符合需求的传动比，模拟行星围绕恒星运转的运行规律了。

重点来了，对于人类所生活的地球，我们还额外为它增加了“自转”功能。这是通过一种叫做行星齿轮组的结构来实现的。行星齿轮组由中心的恒星轮、中间的行星轮和外围的齿圈组成。

行星齿轮组 | giphy.com

当恒星轮和齿圈以不同的速度转动时，形成的转速差就会带动行星轮同时和两者啮合，产生自转和公转，输出一个同轴但不同速的转动。

行星齿轮组也是变速箱的核心 

行星齿轮组除了可以模拟星系中天体运动的规律，在汽车的AT变速箱中还有更大的用处。 

 

和视频里“太阳系”中“地球”的运动相似，对于单独一组行星齿轮组来说，如果用发动机的转轴来驱动恒星轮，把外圈固定，三个行星轮的中心就会共同输出一个比发动机更低的转速。

9AT变速箱1挡原理

AT变速箱的1挡就是这样的原理。在挂起1挡时，变速箱中的离合器会锁死输出端行星齿轮组的外圈，让行星轮带动上面的行星架输出一个较低的转速。

如果再给外圈一个同向的转动，行星轮就会在两个驱动力的作用下加速转动。

9AT变速箱2挡原理

在汽车挂起2挡时，原本锁死外圈的离合器松开，另一组行星齿轮同时运动，这组的行星轮带动外圈一起转动，外圈转动再次为之前的一组行星轮加速，从而提高行星架的输出转速。

变速箱中的行星齿轮组越多，能够实现的挡位越多。以视频中的探界者搭载的9速HYDRAMATIC®手自一体变速箱为例，通过4组行星齿轮组的搭配和更加精密复杂的构造，它可以实现9个挡位的变速。

相比于传统的6速变速箱，探界者的9AT变速箱具有更高的速比范围（7.6），更细密的挡位分布，换挡体验更顺滑。另外由于增加了3个挡位，在同等速度下发动机转速更低，燃油经济性更高。

9AT变速箱 | 探界者

王牌组合引发尖叫！ 

除了9AT变速箱，探界者还拥有另一个王牌装备——2.0T双涡管直喷涡轮发动机！相比于普通的单流道涡轮增压器，它能带来更快速的涡轮响应，更猛烈的动力输出。

2.0T发动机 | 探界者

除了瞬时加速带来风驰电掣的体验，发动机的油耗也是不容忽视的问题。2.0T双涡管直喷涡轮发动机还同时具备了高压缸内直喷技术、双可变气门正时DVVT技术和优化过的进排气系统，在保证强劲动力的同时，充分压榨每一滴燃油的价值。

 

一边是9AT变速箱带来更加顺滑的换挡和加速体验，一边是2.0T发动机带来更加强劲的加速性能和低油耗，当它们俩在探界者中结合在一起的时候……瞬时加速带来的推背感一定会让你发出激动的尖叫！Amazing！

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