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從根本上說(shuō)，齒輪是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從一根軸傳遞到另一根軸的裝置。某些形式的齒輪也可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)。在工業(yè)應(yīng)用中，有幾十種不同形式的齒輪，其中的一些在樂高中被復(fù)制出來(lái)。樂高齒輪的出現(xiàn)，實(shí)際上比科技系列（Technic）和專家搭建系列（Expert Builder Line）還要早，可以追溯到上個(gè)世紀(jì)60年代的奇麗齒輪套裝（Samsonite gear wheels）。下面介紹下各種不同齒輪的功能和用法。
齒數(shù)比
看最簡(jiǎn)單的例子，如果一對(duì)齒輪的齒數(shù)相同，輸入軸和輸出軸會(huì)以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。事實(shí)上，在大多數(shù)情況下，齒輪的作用是在保證優(yōu)越的機(jī)械性能下改變各個(gè)軸的速度。就像在樂高中用的簡(jiǎn)單齒輪一樣，只要數(shù)出每個(gè)齒輪的齒數(shù)，用輸出齒輪的齒數(shù)除以輸入齒輪的齒數(shù)，我們就能計(jì)算出齒數(shù)比。例如，輸入齒輪是8個(gè)齒、輸出齒輪是24個(gè)齒，那么齒數(shù)比就是24/8=3。標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)方法是用與1相比較的帶分號(hào)表達(dá)式，寫成3:1。
齒數(shù)比3:1是什么意思呢？首先，這是軸的轉(zhuǎn)速比，齒數(shù)少的齒輪轉(zhuǎn)的更快些，在這個(gè)例子里，8齒齒輪的速度是24齒齒輪的3倍。其次，扭矩比與齒數(shù)比是反比例關(guān)系，在這個(gè)例子里，8齒齒輪的扭矩是24齒齒輪的1/3。
當(dāng)你使用齒輪提高轉(zhuǎn)速時(shí)，扭矩會(huì)減小，這叫做“齒輪增速”，可以用這種方式來(lái)保護(hù)下游的組件，使其免受電機(jī)大扭矩的沖擊。當(dāng)使用齒輪降低轉(zhuǎn)速時(shí)，扭矩會(huì)增大，這叫做“齒輪減速”，可以使用這種方法利用小電機(jī)或曲柄來(lái)提升重物。有時(shí)，你也會(huì)選擇既不增速、也不減速，只是使用齒輪將扭矩從一點(diǎn)傳遞到另一點(diǎn)，在這一過(guò)程中轉(zhuǎn)速和扭矩都不會(huì)發(fā)生變化。
直齒輪
直齒輪用于兩根平行的軸上。在下面的動(dòng)畫演示中，安裝在綠色軸上的灰色齒輪是驅(qū)動(dòng)輪，安裝在黃色軸上的紅色齒輪是從動(dòng)輪。注意看，這兩個(gè)齒輪的的速度比是3:2，這和它們的齒數(shù)比24:16是一樣的。再注意看，齒輪上每個(gè)齒的輪廓不是平直的，我們稱之為漸開線，這種形狀可以使齒輪做相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是滑動(dòng)，這樣可以最大限度地減少摩擦力，提高傳動(dòng)效率。我們還會(huì)看到，每根軸都有兩個(gè)Technic磚塊像軸承一樣起支撐作用。一般來(lái)說(shuō)，每根軸至少需要2個(gè)軸承支撐來(lái)平衡齒輪的載荷（盡管每個(gè)軸銷都可能降低使用效率）。軸承（就像黑色的磚塊）越靠近齒輪，其支撐作用就越有效。在齒輪的兩側(cè)設(shè)置支撐軸承（就像藍(lán)色的磚塊）效果要好于把軸承設(shè)置在齒輪的一側(cè)。一對(duì)直齒輪的作用之一，就是讓輸出軸與輸入軸以反方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)在動(dòng)畫演示中可以清楚地看到。直齒輪是Technic組建中最常見的齒輪。
在科技系列（Technic）和專家搭建系列（Expert Builder Line）出現(xiàn)之前，就已經(jīng)有直齒輪了，它們出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)60和70年代，是9到42齒的大型齒輪（如下圖）。本文對(duì)此不作詳細(xì)介紹。
下圖是“標(biāo)準(zhǔn)”的直齒輪。3個(gè)淺灰色的（8齒、24齒和40齒）出現(xiàn)于1977年，目前仍在生產(chǎn)。16齒的淺棕色齒輪1979年面世。深灰色的24齒齒輪，出現(xiàn)于1998年，是老式24齒齒輪更強(qiáng)壯的替代品。白色的24齒齒輪是“離合”齒輪，當(dāng)扭矩超出限值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，在1997年開始被使用。所有這些直齒輪都具有相同的齒形，任意兩個(gè)齒輪都可以配合使用。同時(shí)，這些齒輪的齒數(shù)都是8的倍數(shù)，在計(jì)算齒數(shù)比時(shí)，非常方便。
“雙錐面”齒輪也可以當(dāng)做直齒輪使用。我們將在錐齒輪部分詳細(xì)介紹它們?！半p錐面”齒輪的輪齒比普通直齒輪更寬，因此能傳遞更大的扭矩。
錐齒輪
錐齒輪用在兩根軸不平行的情況中。錐齒輪可以在兩根軸成任意角度的情況下使用，但是LEGO的錐齒輪只使用于兩根軸垂直的情況。在下面動(dòng)畫演示中，安裝在黃色軸上的紅色齒輪是驅(qū)動(dòng)輪，安裝在綠色軸上的藍(lán)色齒輪是從動(dòng)輪。兩個(gè)齒輪的齒數(shù)相同，這兩根軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也相同。錐齒輪的輪齒形狀復(fù)雜，在支撐軸上產(chǎn)生的力也很復(fù)雜。因此，相對(duì)于直齒輪來(lái)說(shuō)，在錐齒輪的支撐軸上使用合適的軸承更為重要。一般來(lái)說(shuō)，每根軸至少需要2個(gè)軸承支撐來(lái)平衡齒輪的載荷（盡管每個(gè)軸銷都可能降低使用效率）。軸承越靠近齒輪，其支撐作用就越有效。在動(dòng)畫演示中，使用了一個(gè)特殊的齒輪箱來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)支撐作用。Technic組件中錐齒輪是第二大常用齒輪類型。
下面的圖片中，是基本的錐齒輪。淺灰色的14齒錐齒輪生產(chǎn)與1980年，已經(jīng)使用了很多年，是老款差速器組件的一部分。1995年，這個(gè)淺灰色的錐齒輪被12齒錐齒輪所代替，就是下圖中的淺棕色齒輪。這個(gè)齒輪強(qiáng)度更高，被用于新款的差速器中。20齒的深灰色錐齒輪并不常見，1999年開始生產(chǎn)。
下圖展示的“雙錐面”齒輪，是因?yàn)辇X輪的兩面都被設(shè)計(jì)成了斜面，這就使得它比常規(guī)的錐齒輪有更廣泛的應(yīng)用范圍。它的厚度是普通錐齒輪的兩倍，會(huì)占用更大的空間?！半p錐形”齒輪從1999年開始生產(chǎn)，有12齒、20齒和36齒3種規(guī)格。
渦輪
可以把渦輪想象成只有1個(gè)齒的齒輪。樂高的渦輪是與直齒輪配合使用的，兩根軸相互垂直。渦輪具有一些和其他齒輪不同的特性。首先，渦輪只有1個(gè)齒，渦輪組的齒數(shù)比就是配合齒輪的齒數(shù)，如，1個(gè)渦輪和40齒的直齒輪配合使用，齒數(shù)比就是40:1，因此使用渦輪可以實(shí)現(xiàn)很大程度的減速。其次，與其它齒輪相比，渦輪的摩擦力較大（傳動(dòng)效率也較低），這是因?yàn)闇u輪的齒面與相配合的齒輪齒面之間是滑動(dòng)摩擦，負(fù)載越大，摩擦力也越大。最后，渦輪不能（一般來(lái)說(shuō)）被反向驅(qū)動(dòng)。在動(dòng)畫演示中，是綠色軸上的蝸輪在驅(qū)動(dòng)紅色軸上的藍(lán)色直齒輪，但是如果你轉(zhuǎn)動(dòng)紅色軸，蝸輪是無(wú)法被驅(qū)動(dòng)的。這個(gè)特點(diǎn)在需要鎖止位置的場(chǎng)合很有用，比如使用曲柄升降閘門時(shí)。最后要注意的是，蝸輪會(huì)沿著支撐軸產(chǎn)生推動(dòng)渦輪移動(dòng)的軸向力（如動(dòng)畫演示中的綠軸），因此需要在軸上設(shè)置防止其滑動(dòng)的裝置，動(dòng)畫演示中黃色的齒輪箱就是一種方法。
1個(gè)渦輪的長(zhǎng)度比2個(gè)樂高單位略短一些?？梢园讯鄠€(gè)渦輪連成一列，做成更長(zhǎng)渦輪螺桿。也可以用渦輪和齒條配合使用，但這并不是合理的搭配。
齒條
可以把齒條理解為將一個(gè)直齒輪展平。使用齒條，可以把直齒輪或小齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。這里沒有傳統(tǒng)意義上的齒數(shù)比，但驅(qū)動(dòng)輪的齒數(shù)越少，傳遞給齒條的功率就越大。齒條的橫向移動(dòng)距離與小齒輪的齒數(shù)成正比。齒條一般被用于小車的轉(zhuǎn)向控制結(jié)構(gòu)中，也會(huì)被用于其他方面，如吊車的伸縮吊臂中。
齒條有多種長(zhǎng)度類型。最常見的是4個(gè)樂高單位長(zhǎng)度的齒條，要通過(guò)方梁上的來(lái)固定。通過(guò)首尾相連的方式可以得到長(zhǎng)度更長(zhǎng)的齒條。有一系列偶數(shù)長(zhǎng)度的齒條（8、10、12、14個(gè)樂高單位長(zhǎng)度），兩端有向下的光銷孔。還有2.4個(gè)單位長(zhǎng)度的齒條，兩端有球頭關(guān)節(jié)。最后一個(gè)是13個(gè)樂高單位長(zhǎng)度的齒條，兩端有十字軸連接孔。
差速器齒輪架
工作狀況
這些年來(lái)，樂高共發(fā)布了3種差速器齒輪架。淺灰色差速器齒輪架的于1980年發(fā)布，與14齒的舊款錐齒輪配合使用，齒圈上有28個(gè)齒。1994年深灰色舊款差速器齒輪架出現(xiàn)，取代了淺灰的那款，深灰色的這款與12齒錐齒輪配合使用，大尺寸的一端齒圈上有24個(gè)齒，小尺寸一端齒圈上有16個(gè)齒，這款差速器齒輪架上還設(shè)有與驅(qū)動(dòng)環(huán)相配合的凹槽。圖中右側(cè)的深灰色齒輪架是最新款的，于2008年發(fā)布，大齒圈上有28個(gè)錐齒，與12齒的錐齒輪配合使用。
驅(qū)動(dòng)環(huán)
驅(qū)動(dòng)環(huán)（動(dòng)畫演示中的紅色零件）可以與空轉(zhuǎn)齒輪結(jié)合在一起，也可以相互脫離開（所謂空轉(zhuǎn)齒輪，就是指齒輪不會(huì)與承載它們的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)）。驅(qū)動(dòng)環(huán)在帶脊線的軸連接器（動(dòng)畫演示中的灰色零件）上滑動(dòng)，這種軸連接器是在1993年第一次出現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)環(huán)內(nèi)壁上有小的凸起，可以把驅(qū)動(dòng)環(huán)與帶脊線的軸連接器鎖定，并能在一定外力作用下沿軸向滑動(dòng)。驅(qū)動(dòng)環(huán)“抓”住軸連接器上的縱向凹槽，讓驅(qū)動(dòng)環(huán)與軸連接器一起轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)上的中間環(huán)槽施加外力，驅(qū)動(dòng)環(huán)就可以沿軸向?qū)崿F(xiàn)雙向滑動(dòng)。驅(qū)動(dòng)環(huán)兩側(cè)均有四個(gè)凸起，這四個(gè)凸起與16齒的空轉(zhuǎn)齒輪相結(jié)合，就可以帶動(dòng)空轉(zhuǎn)齒輪與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
下圖的動(dòng)畫演示中，展示了新型的驅(qū)動(dòng)輪與兩側(cè)的空轉(zhuǎn)齒輪結(jié)合和脫離的過(guò)程。驅(qū)動(dòng)輪是動(dòng)畫演示中的紅色零件，畫面中下面的軸用灰色的軸連接器連接起來(lái)，驅(qū)動(dòng)輪與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。初始狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)環(huán)與兩側(cè)的灰色齒輪和綠色齒輪均處于脫離狀態(tài)，這兩個(gè)齒輪都在軸上滑動(dòng)，沒有和軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。接著，驅(qū)動(dòng)環(huán)與綠色齒輪結(jié)合，驅(qū)動(dòng)了藍(lán)色齒輪，使其轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)轵?qū)動(dòng)環(huán)是使用四個(gè)凸起（而不是輪齒）與空轉(zhuǎn)齒輪結(jié)合，因此驅(qū)動(dòng)環(huán)與空轉(zhuǎn)齒輪間存在一定的齒側(cè)間隙，這樣即使驅(qū)動(dòng)環(huán)和空轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)速不一，也能實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合。
