陳染

如果你想做出可動(dòng)的創(chuàng)客作品，你一定會(huì)用到傳動(dòng)件。所謂傳動(dòng)件，是指為傳遞動(dòng)力而設(shè)計(jì)的零件。它的傳動(dòng)形式包括機(jī)械傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和電力傳動(dòng)3種類型。在這篇文章中我們將主要認(rèn)識(shí)創(chuàng)客教育中常用的機(jī)械傳動(dòng)材料。我們將在以后的專欄文章中進(jìn)一步認(rèn)識(shí)流體傳動(dòng)材料和電力傳動(dòng)材料。

機(jī)械傳動(dòng)是最常見的傳動(dòng)形式，它可以細(xì)分為摩擦傳動(dòng)和嚙合傳動(dòng)2大類，它們最大的區(qū)別就在于傳遞動(dòng)力的方式。摩擦傳動(dòng)依靠機(jī)械間的摩擦力傳遞動(dòng)力，而嚙合傳動(dòng)是通過齒輪鏈接主動(dòng)件和從動(dòng)件，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。例如，生產(chǎn)線上傳動(dòng)帶通過皮帶和皮帶輪的摩擦傳遞動(dòng)力，這就是摩擦傳動(dòng)；單車的牙盤上的齒和鏈條互相嚙合，轉(zhuǎn)動(dòng)牙盤，鏈條也會(huì)跟著運(yùn)動(dòng)，這就是嚙合傳動(dòng)。

傳動(dòng)件可以單獨(dú)運(yùn)作，也可以與其他傳動(dòng)件組成運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)件組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)稱為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。下面，我們就通過幾個(gè)創(chuàng)客作品案例，認(rèn)識(shí)創(chuàng)客教育中傳動(dòng)件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用，以及怎樣設(shè)計(jì)和制作傳動(dòng)件。

凸輪機(jī)構(gòu)

金色飛賊是《哈利·波特》里魁地奇比賽中最重要的得分球，它有金色的金屬球身和銀色的翅膀，飛行速度極快，很難抓到?！拔业慕鹕w賊”就是以這個(gè)學(xué)生們熟悉的題材設(shè)計(jì)的作品。搖動(dòng)底座右側(cè)的手柄，金色飛賊的翅膀就會(huì)一上一下地扇動(dòng)，就像要參加魁地奇比賽一樣。

金色飛賊的底座有1根竹簽制成的軸，軸的一端連接著搖動(dòng)的手柄，另一端用串珠緊固，軸的中部固定著1個(gè)塑料瓶蓋。仔細(xì)觀察你會(huì)發(fā)現(xiàn)，軸穿過塑料瓶蓋的部位并不在瓶蓋中心，而是偏離中心約0.5厘米。瓶蓋上方有1塊圓形紙板，紙板上的2根鐵絲連接著金色飛賊的翅膀。當(dāng)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，軸和瓶蓋也跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，由于軸的位置不在瓶蓋的正中心，所以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)瓶蓋便會(huì)把圓形紙板頂起或放下，使圓形紙板做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)金色飛賊的翅膀上下扇動(dòng)。

這個(gè)創(chuàng)客制作中，軸、瓶蓋和圓形紙板構(gòu)成了偏心輪機(jī)構(gòu)，偏心輪機(jī)構(gòu)是一種特殊的凸輪機(jī)構(gòu)。而凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架3個(gè)基本部分組成，它能夠?qū)⑥D(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。例如，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)用凸輪機(jī)構(gòu)控制氣門的啟閉就是利用它能夠?qū)⑥D(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的原理。

如果創(chuàng)客作品對(duì)精準(zhǔn)度要求不高，用塑料瓶蓋或者紙板可以設(shè)計(jì)成簡易的凸輪機(jī)構(gòu)，甚至還可以將多個(gè)凸輪連在一根軸上，做成凸輪軸?！靶∏蚺罉菣C(jī)”就是用多個(gè)瓶蓋制成凸輪，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，軸帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上方的樓梯上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將彈珠從最低的臺(tái)階運(yùn)送到平臺(tái)上部。如果對(duì)精度有更高要求，我們可以使用激光切割或3D打印制作凸輪，也可以購買現(xiàn)成的凸輪進(jìn)行創(chuàng)客作品設(shè)計(jì)。

齒輪機(jī)構(gòu)

《小王子》是圣?？颂K佩里創(chuàng)作的童話，數(shù)十年來廣受學(xué)生歡迎，成為了一代童話文學(xué)的經(jīng)典作品?！靶⊥踝拥男乔颉本褪且浴缎⊥踝印窞轭}材設(shè)計(jì)的創(chuàng)客作品。轉(zhuǎn)動(dòng)下方的竹簽，小王子就會(huì)圍繞著星球旋轉(zhuǎn)，似乎回到了他獨(dú)一無二的玫瑰身邊。在前面的專欄文章（本刊2018年第4期）中，我們介紹了這個(gè)作品上半部分的制作，這里我們關(guān)注作品底座的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

我們可以看到作品的底座上運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同樣由竹簽、紙板、瓶蓋制成。竹簽構(gòu)成了作品的主軸，它的中部同樣固定了塑料瓶蓋。與“我的金色飛賊”不同，竹簽穿過的是瓶蓋的中部，而瓶蓋的四周均勻粘貼了6根短竹簽?！靶乔颉毕路酵瑯右舱迟N著1個(gè)軸，軸上連接著同樣的瓶蓋和短竹簽，軸的上方連接著小王子。瓶蓋上的短竹簽互相嚙合，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，2個(gè)瓶蓋以相反的方向運(yùn)動(dòng)。

瓶蓋和竹簽設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上充當(dāng)了齒輪的功能，相當(dāng)于一個(gè)空間齒輪機(jī)構(gòu)，它能夠用于傳遞2個(gè)相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。齒輪是最廣為人知的連接件，它邊緣上的齒能夠與其他連接件嚙合傳遞動(dòng)力。與其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，齒輪的傳動(dòng)比精確，更適合用于精密機(jī)械的設(shè)計(jì)。齒輪對(duì)機(jī)械強(qiáng)度和設(shè)計(jì)精度有著較高的要求，不是很適合用手工的方式制作，我們可以采用現(xiàn)成的齒輪，也可以用激光切割或3D打印的方式制作齒輪。

平面齒輪是最基礎(chǔ)的齒輪，它能夠在同一平面上傳輸動(dòng)力，而不能改變動(dòng)力的方向。平面齒輪有不同的規(guī)格，區(qū)別在于直徑和齒數(shù)的不同，我們能夠用它改變轉(zhuǎn)動(dòng)速度和扭矩。這里要提到一個(gè)概念，叫傳動(dòng)比。嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比相當(dāng)于輸出軸齒輪齒數(shù)和輸入軸齒輪齒數(shù)的比例。如果輸入軸和輸出軸的2個(gè)嚙合齒輪的齒數(shù)相同，它們的傳動(dòng)比就是1：1，意味著輸出軸只改變了轉(zhuǎn)動(dòng)方向，而不改變轉(zhuǎn)速和扭矩；如果輸入軸齒輪的齒數(shù)是8，輸出軸齒輪的齒數(shù)是24，它們的傳動(dòng)比就是3：l，意味著輸出軸的轉(zhuǎn)速是輸入軸的1/3，扭矩是輸入軸的3倍，我們能用這種方式降低轉(zhuǎn)動(dòng)速度；反過來，如果輸入軸齒輪齒數(shù)是24，輸出軸齒輪齒數(shù)是8，那么它們的傳動(dòng)比就是1：3，輸出軸的轉(zhuǎn)速是輸入軸的3倍，扭矩是輸入軸的1/3，我們可以用它增加轉(zhuǎn)動(dòng)速度。圓柱齒輪在生活中有廣泛的應(yīng)用，例如，汽車的有級(jí)變速器就是通過不同齒輪的嚙合改變傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)速度和扭矩的變化的。

樂高機(jī)械件設(shè)計(jì)的作品“電動(dòng)陀螺”就是用平面齒輪進(jìn)行變速的例子。它是1個(gè)2級(jí)加速的機(jī)構(gòu)，電機(jī)輸出軸上40齒大齒輪與第2個(gè)軸上8齒的小齒輪構(gòu)成了1級(jí)加速，它們的傳動(dòng)比是1：5。第2根軸上還聯(lián)動(dòng)著另一個(gè)40齒大齒輪，與陀螺上的另一個(gè)8齒齒輪嚙合構(gòu)成第2級(jí)加速，傳送比同樣是1：5，這意味著陀螺的最終轉(zhuǎn)速是電機(jī)軸轉(zhuǎn)速的25倍。

錐齒輪機(jī)構(gòu)是另一種常見的齒輪機(jī)構(gòu)，也是一種空間齒輪機(jī)構(gòu)。在2根相交軸上，1對(duì)錐齒輪互相嚙合，構(gòu)成了一個(gè)錐齒輪機(jī)構(gòu)。錐齒輪機(jī)構(gòu)能夠?qū)?dòng)力從一個(gè)方向轉(zhuǎn)變到另一個(gè)方向。生活中運(yùn)用錐齒輪的場景很多，例如，與普通單車不同，許多共享單車采用了軸傳動(dòng)的方式代替鏈條，這種方式大大降低了共享單車的維護(hù)成本。軸傳動(dòng)的核心就是2個(gè)錐齒輪機(jī)構(gòu)，它能夠?qū)⒀辣P的動(dòng)力傳遞到后輪。

“旋轉(zhuǎn)木馬”是一個(gè)用錐齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)客作品案例，它的中心由1個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的錐齒輪和3個(gè)垂直旋轉(zhuǎn)的錐齒輪構(gòu)成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平錐齒輪旋轉(zhuǎn)，木馬上的垂直錐齒輪也一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

除了平面齒輪、錐齒輪之外，還有齒條、蝸桿等造型和功能各異的齒輪，創(chuàng)客教師需要熟悉不同的齒輪機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)作品時(shí)就可以更得心應(yīng)手。

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在科技學(xué)堂公眾號(hào)（sciclass）中回復(fù)關(guān)鍵詞“傳動(dòng)件”，認(rèn)識(shí)更多緊固件創(chuàng)客案例。