直到今天,我才知道啮合的两个齿轮的齿数要设计为互质数,不知道是我上课不认真,还是老师没有讲。至于齿数为什么要设计成互质数,我更是一头雾水。

前两天,上5年级的宝宝问我什么是质数和合数,我依稀记得1、2、3、5、7、11之类的是质数,在给宝宝讲解的过程中,突然就有了疑问,质数为什么要用“质”这个字?
我查了一下国外网站,质数的英文是prime number,prime的意思是“主要的;首要的;基本的;优质的”,比如Prime Minister中文翻译就是首相,prime number准确的翻译应该是“主要的数字”,质数的“质”难道是“质量好的”意思?
在查找质数含义的时候,我顺便查了一下什么情况下会用到质数,然后就看到了教材里面这句话:“为了使轮齿磨损均匀,一般使Z2和Z1互为质数”,“互为质数”说的模棱两可的,到底是什么意思啊?

教材只告诉了个结果,没有告诉原因,其实我对原因更感兴趣。
为了能清楚原因,我特意查了一下汽车变速箱各档齿数,具体见下图:

顺便提一下,汽车都一百多年,属于最成熟的机械产品,研究汽车,是验证想法最可靠的途径。
通过上表可知,最直观的感觉是汽车各档传动比都不是整数,仔细研究各档齿数,Z2和Z1的最小公倍数就是Z2×Z1,比如1档,Z2=38,Z1=11,最小公倍数就是38×11=418,为什么会这样?
一个坏男人,一个坏女人,如果组合成一个家庭,注定是一个悲剧,这种组合是我们最不希望看到的情形。齿轮传动也类似,如果两个有问题的齿老是啮合在一起,注定最早出问题,使用寿命大大降低,我们希望有问题的齿能与不同的齿进行啮合,提高系统的均衡性,使各个齿的寿命更均衡,进而提高寿命。齿轮组的寿命不是取决于最强的那个齿,而是取决于最弱的那个齿,这其实就是木桶理论。
那么齿数该如何选择?教材里写道:“一般使Z2和Z1互为质数”,其实这也只是表象,本质是 Z2和Z1的最小公倍数是Z2×Z1,这意味着齿轮转了最多的圈数之后,两个有问题的齿才会再次相遇。
我们将齿轮周长展开成直线(见下图示例),两个齿再次啮合时,我们期望小齿轮转过的直线段越长越好,最也就是让小齿轮Z2转Z1圈。

比如汽车变速箱1档齿数Z2=38,Z1=11,最小公倍数418,Z1只有在转了38(418÷11)圈之后,两个齿再次啮合,这就是我们想要的结果。假如Z2=38,Z1=10,最小公倍数190,Z1转了19(190÷10)圈之后,两个齿就会再次啮合,现在这不是我们期待的结果。
假如两个数的乘积等于最小公倍数,则这两个数是互质数,所以教材里要求齿数为互质数,教材这样写,虽然容易判断,但偏离了本质,让人一头雾水。
作者:尚延伟
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