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【结构基础教程】齿轮

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发表于 2012-1-15 16:09:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
(本文由中文乐高管理组翻译,转载自BlackBird的网站http://www.technicopedia.com/ ,对原文有删减和调整。)

文章版权属于原作者及译者(中文乐高翻译团队)所有,


转载请注明出处(网站名字及原帖地址)。

    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
直齿轮.gif
      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6070年代,是942齿的大型齿轮(如下图)。本文对此不作详细介绍。
直齿轮2.jpg
      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。
直齿轮3.jpg
      “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。
直齿轮4.jpg

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。
锥齿轮1.gif
    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。
锥齿轮2.jpg
    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。
锥齿轮3.jpg

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。
涡轮1.gif
    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。
涡轮2.jpg

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1.gif
    齿条有多种长度类型。最常见的是4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(8101214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乐高单位长度的齿条,两端有十字轴连接孔。
齿轮2.jpg

差速器齿轮架
工作状况
差速器1.gif
    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发布,大齿圈上有28个锥齿,与12齿的锥齿轮配合使用。
差速2.jpg

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。
驱动环1.gif

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发表于 2012-4-24 20:05:55 | 显示全部楼层
321 发表于 2012-3-19 22:55
我不同意一个涡轮和40齿齿轮是40:1,我觉得涡轮传动的速度在于它上面那个齿的弧度

蜗杆上的弧度叫做头数,是相对于一般齿轮齿数的,乐高中的蜗杆头数为1,所以四十齿的齿轮时,蜗杆转四十圈,齿轮转一圈。
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发表于 2012-3-11 17:37:55 | 显示全部楼层
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我不同意一个涡轮和40齿齿轮是40:1,我觉得涡轮传动的速度在于它上面那个齿的弧度
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发表于 2012-3-6 23:04:19 | 显示全部楼层
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发表于 2012-1-15 18:15:37 | 显示全部楼层
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发表于 2012-1-15 18:19:41 | 显示全部楼层
很不错,我特别喜欢里面的动画,一看就明白,不知是用什么软件实现的,羡慕中
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发表于 2012-1-15 18:28:05 | 显示全部楼层
齿轮介绍很全面,希望以后能有更多的翻译文章
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发表于 2012-1-15 18:57:25 | 显示全部楼层
差速器那个为什么会停一下?
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发表于 2012-1-15 21:38:07 | 显示全部楼层
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发表于 2012-1-15 22:47:34 | 显示全部楼层
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发表于 2012-1-15 23:24:08 | 显示全部楼层
今天又学习了,很不错,一看就明白。支持。
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发表于 2012-1-16 09:37:32 | 显示全部楼层
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发表于 2012-1-16 14:04:08 | 显示全部楼层
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发表于 2012-1-16 19:06:04 | 显示全部楼层
非常好呀,又学习了一些知识
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发表于 2012-1-16 20:55:54 | 显示全部楼层
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发表于 2012-1-17 14:34:25 | 显示全部楼层
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发表于 2012-1-19 01:38:41 | 显示全部楼层
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发表于 2012-2-1 11:56:36 | 显示全部楼层
刚看到这帖... 重复劳动了啊,我和另一个朋友去年翻译过的。
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