乐高齿轮基础教程

乐高齿轮基础教程
(2013-01-3109:32:23)
标签：分类：机器人竞 赛班
齿轮
中文乐高
传动比
科技
乐高
教育
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)
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Tech nic砖块像
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。
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
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。Tech nic
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。
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。
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。
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
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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
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Tech nic组建中最常见的齿轮。
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。