乐高齿轮详解

前言：译者的话

这是一篇偶然为之的译文，原因是我在镇上搜齿轮相关的文章，搜到了一篇乐高中文爱好者翻译自Sariel.pl的文章《Scaling Tutorial for Vehicles》（“按比例缩放搭建乐高车辆模型教程中文版”），而作者在他的原文中提到了他另一篇教程，也就是本文《Gears Tutorial》（首次发表于2009年9月29日），一时兴起，也想多了解点乐高齿轮的知识，就动手翻了，由于入科技坑时间尚短，有些专用术语翻得不够妥帖，也请各位前辈指正。另外，原文中引用的一些连接在译文中也有体现，但引文中的内容无力一一翻译，欢迎有兴趣的玩家接力。

转载本译文请注明出处及译者，本人不同意任何商业用途的转载或发表。

by Jeroo 2013.12.11 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 正文

这是一篇详细的关于乐高齿轮的介绍，如何应用它们的一些基础机械准则，以及它们的优缺点。本文作于2010年2月19日。

当我描述我的作品或点子，以及它们的功能时，我假设本文的读者应当具备基础的机械及齿轮运行知识。不过这个假设貌似有时候是错的，当这种（错误假设的）情况出现时我会有挫败感，但我没有理由去忽略这部分没有充分了解齿轮如何工作的读者，或者去否认搭建乐高科技系列带给他们的快乐。基于此，我准备了这个教程，覆盖了我所有关于齿轮的认知并且尝试用菜鸟的认知角度去描述。我希望这个教程可以同时帮到初学者和有经验的乐高玩家，为更加清晰我会分两部分来分别描述。

目录

1.齿轮简介

2.基础理论

3.齿轮的种类

4.传动比

5.传动效率

6.齿轮啮合间隙

7.附录

1.齿轮简介

齿轮有什么用？一个非常常用的回答是：将动力从发动机传递到最终的机械装置。这是对的，但并不全面。齿轮的最终目的是将发动机的特点通过最佳方式改造成我们想要的样子。传输动力实际上是这个过程中的一个边际效应。

齿轮可以用在每一种动力装置中，比如电动机，手动曲柄，风力发电机，水车等等。在本文中我们设定动力是由电动马达提供的，因为这是乐高科技系统最常用的动力解决方案，而且被齿轮传递的动力可由常量计算。

每个马达根据其型号都有它独有的机械动力。乐高拥有一系列不同型号的马达，有一些可以输出较大的动力。重要的是，马达的机械动力包含两个要素：转速和扭矩。这两者均可通过齿轮传递。

转速就是马达在指定的时间间隔内其传动轴所转的圈数的一个简单数字，转速越高，我们获得的数字就越大。在机械学中，转速通常用“RPM”衡量，即每分钟转动次数。1RPM 指马达传动轴每分钟转一圈，当然这是非常慢的速度。绝大多数乐高马达都提供100RPM以

上的转速。

扭矩指马达传动轴转动时所带的动力。扭矩越高，传动轴转动时就越难停止。所以我们通常更喜欢高扭矩的马达，因为这样就可以比普通马达驱动一些更重的机械或更复杂的结构。扭矩通常用N.cm计量，我们需要知道的是N.cm数值越大，扭矩就越大。

简单来说，机械动力就是马达扭矩和转速的乘积（译者按：作者在这里用了“quotient”一词，字面意义为商，我只能改成乘积了，否则无法理解）。如果我们增加扭矩和/或转速，机械的动力就相应提升。实际上，马达的扭矩是固定的，如果不改变马达的本身结构，扭矩就不会变化。而另一方面，速度则取决于加在马达上的电压值。电压越高，转速越大，所以通过调节马达电压就可以改变马达的动力。乐高马达的官方标准电压是9V，相当于6节AA 电池的电压。最近发布的乐高可充电电池提供7.4V电压。这就意味着用这种充电电池驱动的马达输出的动力要小于用普通AA电池组电源，但这仅是理论上的，因为AA电池组提供的电压会随时间推移而降低，但可充电电源提供的电压则相对稳定。有些试验中尝试用12V 电源驱动马达，虽然这样可以获得更高的动力，但需要注意的是乐高马达都是为9V电压而设计的，而不是12V，过高电压可能会对马达形成致命损伤。在本文中我们假定所有马达都在相同电压下运行，不管是9V还是7.4V。如需获知所有乐高马达的动力表现，请访问此处。

我们需要用转速和扭矩来做什么？对于不同的机械结构来说，答案是不同的。如果考虑的是一辆跑车，我们需要它更轻更快。这意味着我们需要更高的转速而不是扭矩，因为一辆较轻的车不需要太大的扭矩去驱动。利用齿轮组，我们可以把扭矩转化为速度，或把速度转化为扭矩。这里有两个非常重要，却非常简单的法则：

——当我们用一个小齿轮驱动一个大齿轮，将会提升扭矩但降低转速。

——当我们用一个大齿轮驱动一个小齿轮，则会提高转速但降低扭矩。

最好的情况是我们可以将动力的一部分要素转化为另一种要素，我们不用转化全部。在跑车的案例中，我们就可以通过上述两条原则中的第二条，用多余的扭矩来获得额外的速度。我们可以转换多少剩余扭矩取决于这辆车有多轻，所以重量是每个乐高模型都要面对的另外一个值。有经验的玩家可以通过车辆的重量和所采用的马达型号来预测可以转化的扭矩范围。基本的规则是：速度和扭矩是成反比的。这意味着如果我们降低一半速度，则扭矩就会加倍。

另一个不同的例子是穿越铁路的栅栏。我们可以通过马达升起或降下栅栏，但任何马达的标准转速对这个栅栏来说都太快了。栅栏通常需要几秒钟来完全升起或降下，但大多数的

乐高马达转速都在100RPM以上。我们需要用齿轮来消除多余的速度，由此获得的扭矩可以用来驱动更长或更重的栅栏。这里我们就要用到上述的第一条法则。

现在我们已经知道了齿轮可以用来做什么，接下来让我们学一些理论。

2.基础理论

在第一部分，我们了解了关于转速和扭矩之间互相转化的两个理论。我们也知道了可以用齿轮来做什么，现在我们要来学习怎么使用齿轮。我们需要了解一些小知识。

我们说当用齿轮组来转变马达属性时，至少需要两个齿轮互相啮合，每个齿轮安装在不同的轴上。离马达最近的齿轮称作传动齿轮，接受传动齿轮动力的齿轮称作从动齿轮。在下图中传动和从动齿轮分别标为绿色和红色。

几乎所有的机械装置都有它的传动和从动齿轮，每一对啮合在一起的齿轮组都由一个传动轮和一个从动轮构成。理解传动齿轮是输出动力，从动齿轮是接受动力就可以了。

在上图中，你可能注意到每一边的齿轮和轴都标为同一种颜色。这是因为同描述齿轮一样，我们也可以这样来描述齿轮所在的轴。实际上，很多机械装置都会覆盖或隐藏齿轮，但可以看到轴，所以这样的方法可以更直观。在上图中，我们称绿色轴为输入轴，而红色轴则为输出轴。即：输入和输出，就类似传动和从动。绝大多数的机械构造中通常只有一根输入轴（因为一个马达只能插一根轴），但可能会有几根输出轴。通常我们所说的差动结构就是一个很好的一输入轴+多输出轴的例子（下图）。