第二章乐高齿轮.doc

第二章乐高齿轮.doc: .
第二章齿轮
有效利地用传动原理，町以起到那半功倍的效果。但是，很多人并不是专业人七，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-•起动F设计，町以让你在一小时内，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：
S齿数的计算
0加速及减速传动
0齿轮传动链
包醞
0限制扭矩-离合齿轮
0齿轮的配合
包 使用滑轮、皮带、链条
包 差速齿一一产生不同的速度
2. 1简介
齿轮是机器中很重要的部件，它几乎是机器的彖征。只要•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•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•些新的概念一一速度、力、扭矩、摩擦力：还 冇•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-•些齿轮，梁和轴来模仿搭建这-章中简单的装置，自己动『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， ，为两个普通的乐高齿轮：左边是8齿齿轮，右边是24齿齿轮。齿轮的最觅 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，例如刘齿 的齿轮可以表示为24t。
—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-•根轴上。两轴与-带 孔梁相配介，两孔间距两个乐高单位（•个乐高单位就相当于相邻两孔间距），现在•手拿 住梁，対一手轻轻地转动其中一根轴，注意到的第-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，「人1为齿轮间配合相卅紧凑，摩擦力很小，这也是乐高工艺 系统大特性z—：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：也是最巫要的特性，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，我们先转动犬齿轮（24齿），它的每•个齿都与8齿的两个齿啮合 的很好。当转动24齿，每•次在齿轮的接触面•个新齿取代前•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-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-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 时候你町能会想到在竞速小车上使用巨大的传动比。遗憾的是，在力学中仃时必仃失，获得 了速度，同时就减少了扭矩，简单的说，就是在力最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•个冇趣的特性：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。为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F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枳：距离和 力，增加其中•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Z间的柑似性。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，你町以把齿轮当作杠杆，它的支点就在轴上，施力点在齿轮的齿上，将同样的力施 加到更大的齿轮上，扭矩就增加了。
什么时候应半加速或减速传动，经验会告诉你。总的来说，减速传动用的比加速传动 要多，因为均达会产生很高的速度，但扭矩很小。在多数时候，常减小速度来提高扭矩，让 小车能爬上斜坡，或者让机器人的手臂举起物体。在你