第二章_乐高齿轮.pdfVIP

第二章齿轮 有效利地用传动原理，可以起到事半功倍的效果。但是，很多人并不是专业人士，不一 定非常了解机械结构原理，即使生活中的机械结构无处不在，平时我们也很少去注意它们是 怎么工作的，以及为什么要使用这些机械。但是，在机器人的设计中，机械结构是完善系统 的一个重要因素。这里通过浅显的例子，和你一起动手设计，可以让你在一小时内，认识各 种各样的传动机构，了解其工作原理及其优缺点，什么时候用哪种传动系统最有效等，帮你 设计出出色的机器人系统。 本章包含的内容: 齿数的计算 加速及减速传动 齿轮传动链 蜗轮 限制扭矩-离合齿轮 齿轮的配合 使用滑轮、皮带、链条 差速齿——产生不同的速度 2.1 简介 齿轮是机器中很重要的部件，它几乎是机器的象征。只要一看到齿轮，我们就会联想 到机器。在这一章，我们将进入神奇的齿轮世界，去探索齿轮的一种非常有用的特性：将一 种力魔法般的转换成另外一种力。并且介绍一些新的概念——速度、力、扭矩、摩擦力；还 有一些简单的机械理论基础，这些概念没有你想象的那么复杂。本章将指导你认识齿轮和简 单杠杆之间的相似点。 准备一些齿轮，梁和轴来模仿搭建这一章中简单的装置，自己动手搭建比看那些说明 更有效。 2.2 齿数的计算 齿轮单独使用几乎没有实际的用处（特殊情况除外）。一般用中至少需要两个齿轮， 如图2.1 所示，为两个普通的乐高齿轮：左边是8 齿齿轮，右边是24 齿齿轮。齿轮的最重 要属性就是它的齿数。齿轮是根据齿数分类的：它的英文缩写就代表它的名字，例如24 齿 的齿轮可以表示为24t 。 图2.1 一个8 齿和24 齿的齿轮 回到例子中，我们使用了8 齿和24 齿的两个齿轮，分别固定在一根轴上。两轴与一带 孔梁相配合，两孔间距两个乐高单位（一个乐高单位就相当于相邻两孔间距），现在一手拿 住梁，另一手轻轻地转动其中一根轴，注意到的第一个特性：当转动其中一根轴时，另一轴 也同时转动，因此，齿轮的基本属性就是可以将运动从一根轴传到其它轴上。第二个特点是 你不需要用很大的力去转动它们，因为齿轮间配合相当紧凑，摩擦力很小，这也是乐高工艺 系统大特性之一：部件之间配合精度高。第三个特点是两根轴反向转动：一个顺时针，一个 逆时针。第四个特点：也是最重要的特性，就是两根轴的旋转速度不同。当转动8 齿齿轮时， 24 齿齿轮转动得很慢；而24 齿的齿轮转动时，8 齿齿轮转动得很快。 2.3 加速和减速传动 在上面的例子中，我们先转动大齿轮（24 齿），它的每一个齿都与8 齿的两个齿啮合 的很好。当转动24 齿，每一次在齿轮的接触面一个新齿取代前一个齿时，8 齿也刚好转过 一个齿，因此，大齿轮转过8 个齿（24 齿的齿轮）就可以让小齿轮转过一圈（360度）。当 大齿轮再转过8 个齿时，小齿轮又转了一圈。在你转动24 齿齿轮的最后8 个齿时，8 齿齿 轮转过第三圈。这也是两轴产生不同速度的原因：24 齿齿轮转动一圈，8 齿齿轮转动了三圈！ 我们用两个齿轮齿数之比来表示两者的关系：24 比8。经过简化，得到3:1。从数字来看， 24 齿齿轮1 转就相当与8 齿齿轮的3 转。 由此，我们得到一种加速的方法（从技术角度来将应称为角速度，而不是速度）。这 时候你可能会想到在竞速小车上使用巨大的传动比。遗憾的是，在力学中有得必有失，获得 了速度，同时就减少了扭矩，简单的说，就是在力量上的损失会转化为速度——速度越快， 扭矩就越小。比率也相同：如果获得了三倍的角速度，你的扭矩会减小到原来的 1/3。 齿轮有一个有趣的特性：扭矩和速度的转换是对称的，你可以将扭矩转换成速度，反 之亦然。当系统增加速度而减小扭矩时，我们称为加速，反之我们称为减速。 技巧与提示： 什么是扭矩？ 当你用扳手转动螺钉上的螺母时，即产生扭矩。扳手动时，螺母产生抵阻力，你握手柄 的地方离螺母越远，你需要施加的力就越小。实际上，力矩是两个参数的乘积：距离和 力。增加其中一个量，就可以增加扭矩。力矩的度量单位就是力的单位和距离的单位， 国际单位表示为牛顿米（Nm）或者是牛顿厘米（Ncm）。如果熟悉杠杆，你会认识到它 们之间的相似性。对于杠杆，合力的大小依赖施力点和支点的距离，距离越大，力就越 大。你可以把齿轮当作杠杆，它的支点就在轴上，施力点在齿轮的齿上，将同样的力施 加