本帖最后由 小鑫 于 2024-3-2 18:25 编辑
从根本上说，齿轮是将旋转运动从一根轴传递到另一根轴的装置。某些形式的齿轮也可以将旋转运动转化成直线运动。在工业应用中，有几十种不同形式的齿轮，其中的一些在乐高中被复制出来。乐高齿轮的出现，实际上比科技系列（Technic）和专家搭建系列（Expert Builder Line）还要早，可以追溯到上个世纪60年代的奇丽齿轮套装（Samsonite gear wheels）。下面介绍下各种不同齿轮的功能和用法。 齿数比 看最简单的例子，如果一对齿轮的齿数相同，输入轴和输出轴会以同样的速度转动。事实上，在大多数情况下，齿轮的作用是在保证优越的机械性能下改变各个轴的速度。就像在乐高中用的简单齿轮一样，只要数出每个齿轮的齿数，用输出齿轮的齿数除以输入齿轮的齿数，我们就能计算出齿数比。例如，输入齿轮是8个齿、输出齿轮是24个齿，那么齿数比就是24/8=3。标准表达方法是用与1相比较的带分号表达式，写成3:1。 齿数比3:1是什么意思呢？首先，这是轴的转速比，齿数少的齿轮转的更快些，在这个例子里，8齿齿轮的速度是24齿齿轮的3倍。其次，扭矩比与齿数比是反比例关系，在这个例子里，8齿齿轮的扭矩是24齿齿轮的1/3。 当你使用齿轮提高转速时，扭矩会减小，这叫做“齿轮增速”，可以用这种方式来保护下游的组件，使其免受电机大扭矩的冲击。当使用齿轮降低转速时，扭矩会增大，这叫做“齿轮减速”，可以使用这种方法利用小电机或曲柄来提升重物。有时，你也会选择既不增速、也不减速，只是使用齿轮将扭矩从一点传递到另一点，在这一过程中转速和扭矩都不会发生变化。 直齿轮 直齿轮用于两根平行的轴上。在下面的动画演示中，安装在绿色轴上的灰色齿轮是驱动轮，安装在黄色轴上的红色齿轮是从动轮。注意看，这两个齿轮的的速度比是3:2，这和它们的齿数比24:16是一样的。再注意看，齿轮上每个齿的轮廓不是平直的，我们称之为渐开线，这种形状可以使齿轮做相对的转动，而不是滑动，这样可以最大限度地减少摩擦力，提高传动效率。我们还会看到，每根轴都有两个Technic砖块像轴承一样起支撑作用。一般来说，每根轴至少需要2个轴承支撑来平衡齿轮的载荷（尽管每个轴销都可能降低使用效率）。轴承（就像黑色的砖块）越靠近齿轮，其支撑作用就越有效。在齿轮的两侧设置支撑轴承（就像蓝色的砖块）效果要好于把轴承设置在齿轮的一侧。一对直齿轮的作用之一，就是让输出轴与输入轴以反方向做旋转运动，这一点在动画演示中可以清楚地看到。直齿轮是Technic组建中最常见的齿轮。 在科技系列（Technic）和专家搭建系列（Expert Builder Line）出现之前，就已经有直齿轮了，它们出现在上个世纪60和70年代，是9到42齿的大型齿轮（如下图）。本文对此不作详细介绍。
下图是“标准”的直齿轮。3个浅灰色的（8齿、24齿和40齿）出现于1977年，目前仍在生产。16齿的浅棕色齿轮1979年面世。深灰色的24齿齿轮，出现于1998年，是老式24齿齿轮更强壮的替代品。白色的24齿齿轮是“离合”齿轮，当扭矩超出限值时，会产生滑动，在1997年开始被使用。所有这些直齿轮都具有相同的齿形，任意两个齿轮都可以配合使用。同时，这些齿轮的齿数都是8的倍数，在计算齿数比时，非常方便。
“双锥面”齿轮也可以当做直齿轮使用。我们将在锥齿轮部分详细介绍它们。“双锥面”齿轮的轮齿比普通直齿轮更宽，因此能传递更大的扭矩。 锥齿轮 锥齿轮用在两根轴不平行的情况中。锥齿轮可以在两根轴成任意角度的情况下使用，但是LEGO的锥齿轮只使用于两根轴垂直的情况。在下面动画演示中，安装在黄色轴上的红色齿轮是驱动轮，安装在绿色轴上的蓝色齿轮是从动轮。两个齿轮的齿数相同，这两根轴的转动速度也相同。锥齿轮的轮齿形状复杂，在支撑轴上产生的力也很复杂。因此，相对于直齿轮来说，在锥齿轮的支撑轴上使用合适的轴承更为重要。一般来说，每根轴至少需要2个轴承支撑来平衡齿轮的载荷（尽管每个轴销都可能降低使用效率）。轴承越靠近齿轮，其支撑作用就越有效。在动画演示中，使用了一个特殊的齿轮箱来实现这个支撑作用。Technic组件中锥齿轮是第二大常用齿轮类型。 下面的图片中，是基本的锥齿轮。浅灰色的14齿锥齿轮生产与1980年，已经使用了很多年，是老款差速器组件的一部分。1995年，这个浅灰色的锥齿轮被12齿锥齿轮所代替，就是下图中的浅棕色齿轮。这个齿轮强度更高，被用于新款的差速器中。20齿的深灰色锥齿轮并不常见，1999年开始生产。 下图展示的“双锥面”齿轮，是因为齿轮的两面都被设计成了斜面，这就使得它比常规的锥齿轮有更广泛的应用范围。它的厚度是普通锥齿轮的两倍，会占用更大的空间。“双锥形”齿轮从1999年开始生产，有12齿、20齿和36齿3种规格。 涡轮 可以把涡轮想象成只有1个齿的齿轮。乐高的涡轮是与直齿轮配合使用的，两根轴相互垂直。涡轮具有一些和其他齿轮不同的特性。首先，涡轮只有1个齿，涡轮组的齿数比就是配合齿轮的齿数，如，1个涡轮和40齿的直齿轮配合使用，齿数比就是40:1，因此使用涡轮可以实现很大程度的减速。其次，与其它齿轮相比，涡轮的摩擦力较大（传动效率也较低），这是因为涡轮的齿面与相配合的齿轮齿面之间是滑动摩擦，负载越大，摩擦力也越大。最后，涡轮不能（一般来说）被反向驱动。在动画演示中，是绿色轴上的蜗轮在驱动红色轴上的蓝色直齿轮，但是如果你转动红色轴，蜗轮是无法被驱动的。这个特点在需要锁止位置的场合很有用，比如使用曲柄升降闸门时。最后要注意的是，蜗轮会沿着支撑轴产生推动涡轮移动的轴向力（如动画演示中的绿轴），因此需要在轴上设置防止其滑动的装置，动画演示中黄色的齿轮箱就是一种方法。 1个涡轮的长度比2个乐高单位略短一些。可以把多个涡轮连成一列，做成更长涡轮螺杆。也可以用涡轮和齿条配合使用，但这并不是合理的搭配。
齿条 可以把齿条理解为将一个直齿轮展平。使用齿条，可以把直齿轮或小齿轮的旋转运动转换成直线运动。这里没有传统意义上的齿数比，但驱动轮的齿数越少，传递给齿条的功率就越大。齿条的横向移动距离与小齿轮的齿数成正比。齿条一般被用于小车的转向控制结构中，也会被用于其他方面，如吊车的伸缩吊臂中。 齿条有多种长度类型。最常见的是4个乐高单位长度的齿条，要通过方梁上的来固定。通过首尾相连的方式可以得到长度更长的齿条。有一系列偶数长度的齿条（8、10、12、14个乐高单位长度），两端有向下的光销孔。还有2.4个单位长度的齿条，两端有球头关节。最后一个是13个乐高单位长度的齿条，两端有十字轴连接孔。
差速器齿轮架 这些年来，乐高共发布了3种差速器齿轮架。浅灰色差速器齿轮架的于1980年发布，与14齿的旧款锥齿轮配合使用，齿圈上有28个齿。1994年深灰色旧款差速器齿轮架出现，取代了浅灰的那款，深灰色的这款与12齿锥齿轮配合使用，大尺寸的一端齿圈上有24个齿，小尺寸一端齿圈上有16个齿，这款差速器齿轮架上还设有与驱动环相配合的凹槽。图中右侧的深灰色齿轮架是最新款的，于2008年发布，大齿圈上有28个锥齿，与12齿的锥齿轮配合使用。
驱动环 驱动环（动画演示中的红色零件）可以与空转齿轮结合在一起，也可以相互脱离开（所谓空转齿轮，就是指齿轮不会与承载它们的轴一起转动）。驱动环在带脊线的轴连接器（动画演示中的灰色零件）上滑动，这种轴连接器是在1993年第一次出现。驱动环内壁上有小的凸起，可以把驱动环与带脊线的轴连接器锁定，并能在一定外力作用下沿轴向滑动。驱动环“抓”住轴连接器上的纵向凹槽，让驱动环与轴连接器一起转动。对驱动环上的中间环槽施加外力，驱动环就可以沿轴向实现双向滑动。驱动环两侧均有四个凸起，这四个凸起与16齿的空转齿轮相结合，就可以带动空转齿轮与轴一起转动。 下图的动画演示中，展示了新型的驱动轮与两侧的空转齿轮结合和脱离的过程。驱动轮是动画演示中的红色零件，画面中下面的轴用灰色的轴连接器连接起来，驱动轮与轴一起转动。初始状态时，驱动环与两侧的灰色齿轮和绿色齿轮均处于脱离状态，这两个齿轮都在轴上滑动，没有和轴一起转动。接着，驱动环与绿色齿轮结合，驱动了蓝色齿轮，使其转动。因为驱动环是使用四个凸起（而不是轮齿）与空转齿轮结合，因此驱动环与空转齿轮间存在一定的齿侧间隙，这样即使驱动环和空转齿轮转速不一，也能实现二者的结合。
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