为什么很多齿轮的齿是斜的？
那么，为什么那么多齿轮要设计成斜齿呢？这背后可不是单纯为了好看，而是为了实实在在地解决一些关键问题，让机械传动更平稳、更高效、更安静，并且能承受更大的负荷。我来给你掰开了揉碎了好好说说。
首先，我们得先明白直齿轮的问题出在哪。
直齿轮，顾名思义，它的齿是垂直于齿轮轴的。当两个直齿轮啮合转动时，你会发现一个情况：当一对齿的齿顶接触到另一对齿的齿根时，在整个啮合过程中，接触点是在一条直线上移动的。换句话说，就像两块平整的木板在滑动一样，接触的瞬间是突然的，而且整个受力面也很窄。
这带来的后果就是：
冲击大，噪音高： 齿与齿之间的接触是瞬间的，这种突然的接触会产生一个冲击力，就像汽车急刹车一样，会有一个震动。这种震动多了，就变成了我们听到的齿轮运转时的“咔咔”声，也就是噪音。尤其是在高速运转或者承受大负荷的时候，这种冲击和噪音会更加明显。
磨损快： 由于接触面积小且冲击力大，齿面上的应力就比较集中，时间长了自然磨损得就比较快，齿轮的寿命也就缩短了。
传递的扭矩有限： 既然接触面积小，那么能传递的力也就相对有限。如果你想让直齿轮传递更大的动力，就需要做得非常非常大，或者材料特别坚固，这样一来成本就高了。
轴向力问题： 直齿轮在运转时，理论上不会产生轴向力，但实际加工和安装过程中难免有误差，微小的误差也会导致一些不期望的轴向力，影响精度。
现在，我们再来看看斜齿轮是如何解决这些问题的。
斜齿轮的齿是与齿轮轴线呈一定角度（通常是螺旋角，Greek Angle）倾斜的。当两个斜齿轮啮合时，情况就完全不一样了。
想象一下，当你让两个斜齿轮转动时，它们并不是像直齿轮那样突然接触的。而是一对齿从一端开始，随着转动，接触面积逐渐增大，直到整个齿面都参与啮合，然后再逐渐减小，最后脱离接触。 这种接触过程，就像你在滑动两根被巧妙切割过的圆木一样，接触是渐进的，而且接触面是沿着齿的斜线分布的。
具体来说，斜齿轮的优势体现在以下几个方面：
1. 平稳传动，降低冲击和噪音：
渐进接触： 这是最核心的优势。斜齿轮的啮合是“从一点到一面”的过程，而不是直齿轮的“瞬间接触”。当一对齿开始啮合时，只有齿线的一部分接触，随着转动，接触点沿着齿线向另一端延伸，直到整个齿面都进入啮合状态。这种渐进的接触使得能量的传递更加平滑，大幅减少了冲击和振动。
连续啮合： 由于齿的螺旋角度，一对齿脱离接触的同时，下一对齿已经开始进入啮合，并且有重叠的区域。这意味着在任何时刻，总有几对齿在同时传递动力。这种“多齿同时啮合”的特性进一步提高了传动的平稳性，减少了单一对齿承受的瞬时载荷，就像很多人一起抬东西比一个人抬要稳当得多。
噪音降低： 冲击和振动的减少自然就意味着噪音的降低。斜齿轮在许多需要低噪音的应用中是首选，比如汽车的变速箱、精密仪器等。
2. 更大的承载能力：
增大接触面积： 斜齿轮的齿面是呈螺旋线分布的，与直齿轮相比，在任何时刻的啮合接触面积都要大得多。这意味着相同的齿面承受的压力会更小，应力更分散。
力的分散： 由于是渐进接触且有重叠啮合，载荷可以由多个齿共同分担，避免了单一对齿承受过大的瞬时载荷。这使得斜齿轮能够传递比同等尺寸直齿轮更大的扭矩。
3. 提高传动效率（特定情况下）：
虽然齿轮啮合本身存在摩擦损耗，但斜齿轮由于接触面积更大且受力更均匀，在某些设计下可以实现更高的传动效率，尤其是在承受大扭矩时。不过，斜齿轮的螺旋角也会带来一些轴向推力，这需要轴承来承受，并且会增加一定的摩擦损失。但总体来说，其带来的平稳性和承载能力优势往往大于这部分轴向摩擦的损失。
4. 特殊的应用需求（如交叉轴传动）：
斜齿轮的一个非常重要的用途是实现交叉轴传动。比如在转向机构、某些泵和压缩机中，驱动轴和被驱动轴不是平行的，而是相互垂直交叉的。在这种情况下，只能使用锥度较大的斜齿轮（有时也称为蜗杆蜗轮，但这是更广义的斜齿轮概念）来实现传动。直齿轮是无法在交叉轴之间进行有效啮合的。
当然，斜齿轮也不是没有缺点。
产生轴向力： 这是斜齿轮最显著的缺点。由于齿的螺旋角度，当齿轮啮合时，除了径向力之外，还会产生一个沿轴线方向的推力。这个轴向力需要通过特殊的轴承（如角接触球轴承或滚锥轴承）来承受，增加了轴承的复杂性和成本。而且，为了抵消这个轴向力，常常会使用双斜齿轮（Herringbone Gear），也就是在一个轮面上铣出左旋和右旋的齿，这样产生的两个轴向力可以相互抵消，但加工难度和成本也更高。
加工成本高： 斜齿轮的制造比直齿轮要复杂，需要专门的铣床和刀具来加工出精确的螺旋齿形，这会增加制造成本。
对安装精度要求更高： 虽然斜齿轮整体上更平稳，但为了保证其优势，对齿轮的轴向定位和轴的平行度要求也更高。
总结一下：
之所以很多齿轮的齿是斜的，最根本的原因是为了实现更平稳的传动，显著降低噪音和冲击，并提高承载能力。这通过渐进的齿面接触和多齿同时啮合来实现。虽然它会带来轴向力问题和更高的制造成本，但在大多数需要高效、低噪且可靠传动的场合，斜齿轮的优势是直齿轮无法比拟的。从汽车变速箱到工业机械，再到一些精密仪器，你都能看到这些带着“斜度”的齿轮在默默地工作，为我们的生活和生产提供动力。
下次你再看到那些斜着边的齿轮时，就能明白它背后蕴含的巧妙设计和强大的实用价值了。
网友意见
汽车在启动和爬坡的时候，比在平直的泊油路上行驶所需动力要大得多。但是发动机转速只能再小范围内调节，为了实现‘低速大转矩’和‘高速转动’之间切换，需使用齿轮传动系，从而改变汽车的牵引力和行驶速度，实现启动、爬坡、轻载行驶等不同行驶需要。
齿轮传动系中，若是选用直齿圆柱齿轮，在相互啮合的一对齿轮中，会有1.5~2.5组齿面相互贴合，轮齿受力状况还可以，但是噪声较大，重型汽车或者拖拉机上有选用直齿的情况，汽车一般不用这种结构，驾驶体验不好嘛。
齿轮传动系中，若是选用斜齿轮，一对齿轮副中可以实现2.5~3.5组齿面同时贴合，而且齿轮啮合动作中，轮齿可以比较平滑地从不接触过度到相互啮合，比较安静。人机工程特性好。
斜齿轮啮合传动中，从啮合点开始，齿轮在径向和轴向都会受力。因此，齿轮轴在基座或其他装置上固定的时候，需要使用到推力轴承，以承受从齿轮传递到齿轮轴的轴向负载。
~~~~~~歌姬~~~歌姬~~~~~~
但是，本题目视频案例中的齿轮，是螺旋伞/锥齿轮，或准双曲面齿轮，不是斜齿轮！
我要去吃饭了，吃完饭在聊！
~~~~~~歌姬~~~歌姬~~~~~~
算了，看见一群侃爷在这儿瞎忽悠，这饭我也是吃不下了，先讲讲斜齿轮、伞齿轮。
~~~~~~歌姬~~~歌姬~~~~~~
继续聊准双曲面齿轮传动与差速原理。
目前所有回答都是错的，正确答案是『斜齿轮受齿距误差影响更小、传动精度更高』，斜齿轮最大优势是高传动精度，其次才是『高强度』或『噪音/震动小』。即使是直齿轮，通过修形（或简单地增加齿厚）也能达到『高强度』、通过变位也能达到『噪音/震动小』（端面重合度 = 2 即可，并不需要 3 的斜齿轮）。某些情况下（齿面强度低、齿根强度高的设计），斜齿轮的强度甚至还低于直齿轮。此外，斜齿轮的制造成本远高于直齿轮（3 倍以上，特别是斜内齿圈，能做的公司不多），还需要使用角接触轴承（价格是普通轴承 2～3 倍），绝大多数传动系统对体积和重量并不敏感（至少不会达到锱铢必较的程度），而传动精度几乎是所有传动系统的第一追求。
（传动精度有两个指标，其一是角度误差，其二是扭矩误差，它们本质上是等价的，本文以『扭矩误差』为主；本回答讨论的是直径不超过 300 mm 的常规齿轮，工业大齿轮不在讨论范围内；关于齿轮制造成本，评论区很多齿轮厂的朋友都发表了自己的看法，但这方面的讨论是没有意义也没有尽头的，齿轮和齿轮之间差异极大，要求不同、成本也不同，精密传动中使用的斜齿轮制造成本确实远高于直齿轮，但其他用途的齿轮，答主不是特别了解，因此不参与讨论）
1. 传动平稳性
很多朋友都提到了斜齿轮能提高传动平稳性，但这个理解是片面的。传动平稳性主要由线载荷曲线（齿轮啮合时受力变化曲线）决定：
线载荷曲线受很多因素影响（齿厚、材料模量、表面硬化工艺、加工误差...），齿轮类型（直齿轮/斜齿轮）的影响并不在第一位，甚至，同规格（模数、齿数、齿厚）下，直齿轮的线载荷曲线可能比斜齿轮更平滑：
对比直齿轮和斜齿轮的传动平稳性，就像大街上随便指着一台宝马（斜齿轮）和一台比亚迪（直齿轮）问谁更贵（传动更平稳），这是没有意义的，宝马有低端款、比亚迪有高端款，同价位下宝马也不一定比比亚迪好（同样的制造成本下，斜齿轮的线载荷曲线不一定比直齿轮更平滑）。
任何材料受力时都会形变、受力过程都是渐变的，现代的齿轮接触分析（TCA，Tooth Contact Analysis）早已打破了“斜齿轮是逐渐受力而直齿轮是瞬间受力”的说法，而国内很多教材还尚未更新。纯粹从运动平稳性（线载荷曲线平滑度）的角度来看，直齿轮甚至可能做得比斜齿轮还好，斜齿轮在这方面的最大优势是噪音和震动控制（端面重合度高、模态分析中的谐波共振小）。
2. 强度
即使不用斜齿轮，非标直齿轮依靠修形就能将齿『根』强度提高 50% 以上，详情请参考：
齿轮强度有两个方面，其一是齿『根』强度，其二是齿『面』强度。与直齿轮相比，斜齿轮的齿『根』强度更高，但齿『面』强度更低：
齿轮副主要参数：1 模 30 齿、输入扭矩 10 Nm、输入转速 4775 RPM、无摩擦。
齿轮直径、压力角相同的情况下，齿『根』强度主要由模数和厚度决定，齿『面』强度主要由厚度决定、受模数影响很小。因此，斜齿轮适合齿厚余量较大的齿轮设计，换而言之，斜齿轮需要更大的最小齿厚、斜齿轮往往比直齿轮更厚。
由此可见，将直齿轮替换为斜齿轮，不一定能提高齿轮强度，某些情况下（齿面强度低、齿根强度高的设计），甚至会降低齿轮强度。
3. 传动精度
齿距误差是衡量齿轮精度的最主要指标（齿距误差和背隙有一定换算关系，商家更喜欢标背隙而不是齿距误差，因为背隙的数据更好看，就像宽带运营商喜欢标 Mbps 而不是 MB），良好设计的齿轮，齿距误差为 0 的情况下，例如 1 模 30 齿的齿轮副，很容易做到扭矩误差 < 0.5%（角度误差 < 0.05度）。但如果有 5 微米（对的，不是 0.05 mm，是 0.005 mm）的齿距误差，扭矩误差就会超过 3%，然而 5 微米已经属于国标 5 级精度了，机械手用的精密减速机通常也只有 5 级精度。齿轮精度等级划分中，相邻两个精度等级一般只差 2～5 微米（依直径、模数而不同）。
如何设计（无加工误差下）扭矩误差 < 0.5% 的齿轮？详情请参考：
齿轮传动中，误差主要有三大来源（按照误差影响从小到大排序）：
- 设计误差。标准齿轮很容易达到 3% 以上的扭矩误差，非标齿轮基本能消除因齿轮设计导致的误差（扭矩误差 < 0.1%）。
- 摩擦力。不同工况下，齿面间的摩擦系数是不同的，例如钢-钢接触，有润滑条件下，摩擦系数在 0.5～0.15 间波动。但优秀的齿轮设计同样也能消除摩擦力导致的误差（扭矩误差 < 0.1%），详情请参考：
- 齿距误差。通常情况下，设计良好的齿轮如果扭矩误差 > 3%，则其中至少 3% 都是因为齿距误差造成的...
齿轮副主要参数：基于 ISO 53:1998轮廓A 齿形、1 模 45 齿、齿厚 7 mm、齿顶高系数 1.2、齿顶倒圆 0.15 mm、无变位、摩擦系数 0.1、输入扭矩 10 Nm。
考虑 5 微米齿距误差，如果是直齿轮：
如果是斜齿轮（20 度螺旋角）：
其实这对齿轮副已经设计得很好了，若没有齿距误差，直齿轮的输出扭矩波动率只有 0.3%：
斜齿轮能更好地消除齿距误差对精度的影响，原理是摩擦力造成的扭矩波动更小，直齿轮啮合时是直线-直线接触，斜齿轮啮合时是曲线-曲线接触，因此摩擦力生效的原理不同。（篇幅考虑，不在此继续分析直齿轮和斜齿轮啮合的区别）
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后记
最近写了很多与齿轮设计有关的回答，这篇回答是这个系列倒数第二篇，还有一篇（齿向修形）就完结了。
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