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扭力的秘密 - 齿轮背后的强大力量.42009的齿轮工作原理详解

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发表于 2014-5-10 00:46:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 氰化物6 于 2014-5-10 00:45 编辑

无意中浏览乐高官网看到的一篇文章,应该是42009的设计师所做,简直是太精辟了。官网以后要是更新没了就可惜了,于是就转载下来和大家分享一下。   
                                                                                               扭力的秘密 - 齿轮背后的强大力量   

如果没有使用2300年前既已发明出来的小小钝齿轮,乐高科技就不会拥有现在的科技能力,也不会带来这么多拼砌乐趣。

钝齿轮和传动装置通过各种现代阐释,不仅成为了乐高科技的重要组成部分,而且还在您接触到的众多机械组件中发挥主要作用。不论何时使用带有旋转部件的装置,几乎肯定会用到齿轮,例如在乐高科技模型中,尽管一般不是很明显!

那么从动力工具到动力功能装置,从钟表到移动式起重机,齿轮的作用是什么呢?!?继续阅读,您将走进齿轮的世界,了解移动式起重机MKII中的齿轮如何以各种难以置信的奇妙方式运行。

为什么我们需要齿轮?

齿轮承担了各种至关重要的机械作业,其中最重要的就是齿轮减速:一部小型马达可以发出大量的功率,但是经常不足以创造旋转力或扭矩。减少马达输出速度可以增加扭矩。例如,像电动螺丝刀这样的小型马达工具,如果没有齿轮的话将无法工作。

除了可以减少(或增加)旋转速度以外,通常齿轮还可以用于以下任务:
倒转旋转方向
将旋转运动移动至其他轴
使两个轴的旋转保持同步
许多科技模型,尤其是配备动力功能的模型,主要依赖多齿轮和传输功能运行。在我们登上(使用众多齿轮的)移动式起重机MKII了解齿轮的运行方式之前,我们需要考虑其他一些事情:
齿轮的形状和尺寸各种各样!

正齿轮是最常见的齿轮类型。它们拥有直轮齿,安装在平行的传动轴上。正齿轮的组合使用可以带来大量的齿轮减速。标准应用:动力工具、洗衣机、钟表等等!

斜齿轮与正齿轮非常相似,只是轮齿与正面成一定角度,使得斜齿轮在相同面积内接触更多。斜齿轮比正齿轮更平滑,运转更平静。标准应用:汽车变速器。

锥齿轮用于改变传动轴的旋转方向。它们通常安装在呈90度的传动轴之间,也可以通过设计用于其他角度。标准应用:火车、飞机和汽车的驱动!

涡轮用于在90度传送动力以及需要高缩减的地方。许多涡轮都有独特的性能:蜗杆可以轻松地转动齿轮,但是齿轮无法转动蜗杆——这种应用非常便利,正如您将在下面的移动式起重机MKII中看到的那样!标准应用:转向机制、卷扬机(想想移动式起重机II!)。

齿条齿轮是直齿轮,用于在线性运动中传输动力和运动。标准应用:汽车转向

链齿轮用于运转链条或皮带。标准应用:传送带系统。

齿轮比、类型和...轮齿!

控制运动和动力的关键是齿轮比。将大齿轮与小齿轮配合使用并旋转——它们的相互运动速度就是齿轮比。任何齿轮的齿轮比均由该齿轮中心与接触点之间的距离决定。例如,在带有两个齿轮的装置中,如果一个齿轮的直径是另一个齿轮的两倍,那么齿轮比就是2:1。如果两个齿轮的直径相同,它们将以相同的速度旋转(1:1)。以此类推,这一比例可以达到几百比一甚至几千比一。

1:1齿轮传动装置,8:8,16:16,24:24。

齿轮传动装置 3:1-8:24,1:1,67-12:20,3:1-12:36

轮齿质量很重要!

在我们开始探讨这台大型起重机之前的最后一个课题——你们的轮齿是什么样的?笔直、倾斜还是交错?还是内卷的?希望他们的轮齿是笔直的(尽管螺旋形可能很有趣)!

齿轮和轮齿(最初是木栓)相互配合,就像在乐高科技中那样。不同的齿轮——和不同的要求——需要不同类型的轮齿(上述名称奇怪的轮齿)但是,轮齿和齿轮最重要的或许是其形状。间隙大小或错误的轮齿形状,均意味着输出速度发生变化。这对于有些装置没有关系(例如钟表),但是有些设备则不行(汽车!)。引擎齿轮的正常工作要求所有零部件尽可能平滑地组合在一起,这就是所谓的渐开线齿轮,它的轮齿可在齿轮之间始终提供最大接触。

现在让我们用实践来验证理论吧!

为了在实际背景中展示上述内容,我们请求高级科技设计师Markus Kossmann突出了移动式起重机MKII中的关键齿轮装置,以便您了解实际生活中齿轮的功能,或者至少在乐高科技中的功能…

Markus,该你了:
移动式起重机MKII使用127个齿轮实现所有功能。这是我们在科技模型系列中用过的最多数量的齿轮。我们将从起重机超级结构中最重要的马达开始,向您展示一些齿轮的运行方式:

在控制扭矩方面,我们选择12:20的齿轮比。不同的起重机功能需要不同的速度和扭矩。如果您不想浪费能量,找到扭矩和速度之间的正确平衡很重要。

将转动传送至位于超级结构另一侧的换挡装置,可以提供更多空间,需要一组五个16轮齿齿轮。有些功能需要大量动力,有些功能需要的动力较少。因此,必须确保一次仅使用一种功能。为了便于检修,变速器位于十字轴上,在四个分开的位置课分别实现各种功能。

您可以在这里看到变速器装置。黑灰色16轮齿齿轮只有在实现啮合时才旋转。

您可以在这里看到吊杆伸展功能所需的齿轮传动装置——算出旋转和静止十字轴的相对布局相当有挑战性!

您可以在这里看到吊杆齿轮传动装置。吊杆铰接在12厘米的十字轴上,同时安装了20轮齿自由运行的锥齿轮。因为十字轴支撑着吊杆的整个重量,所以我们选择可自由运行的锥齿轮,以使摩擦力保持最小。同样,出于安全考虑还安装了齿轮比为1:3的离合器齿轮——在没有离合器的情况下,如果忘记关闭用于延伸吊杆齿轮传动装置的涡轮,将对结构造成很大压力,甚至可能导致某些组件断裂!涡轮可以阻止吊杆向下滑动,还可以降低速度,这样就可以为延伸吊杆的重型作业保留更多动力。将旋转动力转化为线性动力可以在吊杆延伸的第二阶段中使用轮齿齿条。

绞车在这里实现啮合后,通过两个静止轴传递,换挡至1.67倍,速度方面使用20和12轮齿齿轮。绞车锁使用涡轮和离合器齿轮的组合。不使用该功能时,涡轮可以防止绞车旋转。离合器齿轮可以阻止提升过重负载,并防止挂钩堵塞在绞车中。

您可以在这里看到如何使用吊杆提升功能。这需要很大的扭矩,因此我们选择1:3减速齿轮比,并使用8轮齿和24轮齿的齿轮。我们使用四个旋转轴传送动力。这里不需要离合器齿轮,因为线性驱动器有一个内置装置。

您可以在这里看到如何使用舷外支架功能。它通过静止轴与16模块十字轴连接,两个12齿1:1齿轮比的锥齿轮与起重机底盘上的转盘连接。我们增加了专门设计的支撑组件,以确保两个齿轮配合良好。

在侧面,底座看起来完全被完全塞满。它分为四层组装,以确保每个部件都安装在正确位置。

底层是活塞引擎传动系统。使用一组五个16轮齿的齿轮传递旋转。

第二层是转向系统,沿底盘的整个长度集中排列——这里比较棘手的部分是将动力传递至舷外支架模块。

第三层是舷外支架控制系统,也使用第二层齿轮传动系统延伸舷外支架模块。

第四层用于提升和降低舷外支架机脚。

在这里您可以看到底盘的3D视图——多种功能沿中线展开,包括从模型后部控制的转向功能。由于放置在模型前面和后面的舷外支架,如何设计具备功能且坚固结实的底盘是一个巨大的挑战。

配合使用三个锥齿轮和90度旋转,可以将动力从转盘传递至底盘内。为了将离合器齿轮内置,必须使用8轮齿和24轮齿齿轮将旋转导向中心,然后再返回。

在早期版本中,由于小型线性驱动拥有内置离合器功能,我们将离合器齿轮安排在用于延伸舷外支架的动力系统内。这样的安排会消耗过多的动力,因此我们必须将换挡装置转移至换挡装置的前方,使其身兼二职。

我们面临的另一个问题是如何使舷外支架同步。我们的解决方法是将两个舷外支架都推入驱动位置,然后将一个16轮齿齿轮滑动到位,以锁定同步——这种安排非常麻烦,因为我们必须做两次!


由于舷外支架从模型的两侧伸出,齿轮必须沿不同方向转动。为了对其进行管理,我们将二个16轮齿齿轮安排在距离中心一个模块远的位置(以便它们反向旋转!),然后将旋转传递至推动12轮齿齿轮的20轮齿齿轮,由此推动舷外支架进出。

舷外支架使用新开发的无摩擦8轮齿齿轮控制,当舷外支架伸长时,该齿轮在十字轴上滑动——这个功能相当炫酷,我们会在未来的模型中继续使用。

为这样长的模型开发转向功能要求很高,因为所有的轴都需要有自己的转向角度。为了使模型便于拼砌,我们使用了单轴和可调节手柄,长手柄比短手柄对齿轮的转动要小。中心轴前面轴的转向必须与后面的轴相反。这个挑战性课题是通过将齿轮条定位在轴的相反侧上解决的。

活塞驱动器也许是最容易开发的功能。差速器一直将轴推动至起重机底盘前方,在这里使用一组五个16轮齿齿轮将动力传递至底盘顶部。

这就是整个模型的工作原理!目前原帖地址       http://www.us.lego.com/zh-cn/tec ... dden-power-of-gears

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wzqsng + 10 我和小伙伴们都惊呆了!
erickou + 10
ericqqaazz + 10 这是要墙裂推荐的节奏啊!

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发表于 2014-5-11 08:55:32 | 显示全部楼层
我把帖子做成了个pdf文件 方便大家阅读 大小有2M 怎么贴 附件大小有限制 220k

lego_扭力的秘密.pdf

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参与人数 1金币 +5 收起 理由
ericqqaazz + 5

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 楼主| 发表于 2014-5-10 00:49:11 | 显示全部楼层
本帖最后由 ericqqaazz 于 2014-5-11 14:39 编辑

自沙一个,整理过程中要是有差错还请大家多多包涵!

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多谢镇友kubaba, 制作了pdf版, 更方便大家的阅读. pdf请见附件.

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感谢 kubaba 制作,感谢 氰化物6 分享~~~呃,差点忘了感谢镇子~~~  发表于 2014-9-10 11:04
我做了个pdf 看起来更方便点 附件贴不了-级别不够 谁级别高点的留个email 我发给你帮忙贴出来 方便大家  发表于 2014-5-11 09:00
42009II,比想象的复杂  发表于 2014-5-10 06:15
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发表于 2014-5-10 01:46:30 | 显示全部楼层
这个一定要顶!!收藏下来慢慢看
发表于 2014-5-10 01:54:36 | 显示全部楼层
学习了 谢谢分享
发表于 2014-5-10 03:46:58 来自手机 | 显示全部楼层
飘过
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发表于 2014-5-10 07:05:06 | 显示全部楼层
这个要收藏,谢谢
发表于 2014-5-10 07:29:56 来自手机 | 显示全部楼层
楼主自己翻译的?好强大
发表于 2014-5-10 07:40:16 | 显示全部楼层
难得的科技系技术贴,果断保存收藏
发表于 2014-5-10 08:02:08 来自手机 | 显示全部楼层
看完了,拼砌的时候就觉得42009不要太复杂,设计起来肯定麻烦的要死。
发表于 2014-5-10 08:20:07 | 显示全部楼层
很好的由浅入深的技术贴!
发表于 2014-5-10 08:58:12 | 显示全部楼层
这个必须马克,谢谢!
发表于 2014-5-10 09:15:22 | 显示全部楼层
先支持再看
发表于 2014-5-10 09:20:59 | 显示全部楼层
42009 是个经典很难被超越
发表于 2014-5-10 09:47:12 | 显示全部楼层
靛蓝过背 发表于 2014-5-10 09:20
42009 是个经典很难被超越

这个还需时间来考证,等待mark3的到来
发表于 2014-5-10 10:26:03 | 显示全部楼层
墙裂谢谢楼
发表于 2014-5-10 10:27:04 | 显示全部楼层
墙裂谢谢楼主!珍存下来慢慢学习。
发表于 2014-5-10 10:30:04 | 显示全部楼层
先马克再学习,看来009必须入手,科技果然很复杂
发表于 2014-5-10 10:31:04 | 显示全部楼层
好文章  感觉很亲切  大学时代虽然学过 但是全部忘记 = =
虽然是纯城堡控  非科技迷但是城堡会有一点点科技部分  还是要顶一下
发表于 2014-5-10 12:54:54 | 显示全部楼层
看起来是机翻的说!手柄-转向架,弦外支架-支腿。不过内容确实非常有意思!
发表于 2014-5-10 12:59:58 | 显示全部楼层
太棒了,最喜欢这种幕后贴了,做下来慢慢看
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