師景陽

夏天來了，想必在涼爽的房間里吹著空調(diào)或風扇是一件非常享受的事情吧！當我們享受夏日的同時，你是否想過這些在我們身邊，默默為我們提供清涼的電器是怎么工作的呢？也許我們已經(jīng)對它們非常熟悉了，但對于有旺盛好奇心的孩子來說，這些電器便是天然的游樂場。許多人在童年的時候，都有對著風扇說話，讓風把聲音吹得抖動起來的經(jīng)歷，還有很多孩子嘗試用手捏住搖頭風扇后方的搖擺按鈕，想知道它為什么會不停地旋轉。

孩子們的好奇心是科技教育不斷前進的源泉，而讓孩子對他好奇的東西進行重構是學習機械結構的好方法。我們將用樂高機械件搭建一個搖頭風扇，讓孩子們在搭建的過程中學習機械知識和原理。

機械結構分析

要搭建出搖頭風扇，首先我們要知道它是怎么工作的。有些人可能會認為，搖頭風扇內(nèi)部裝有專門用于搖頭控制的電機，以達到控制搖頭的目的。實際上，機械式的搖頭風扇并沒有那么復雜，下面這個圖很好地呈現(xiàn)出機械式搖頭風扇的工作方式——原來，它的動力源自于主電動機的轉動，并通過一系列的連接件讓電機的轉動變化成風扇的搖動。在這個案例中，電機的轉動經(jīng)過3個機構的變化才實現(xiàn)了風扇的搖頭轉動。

下圖是用樂高搭建搖頭風扇轉動部分的核心零件。我們可以看到，它可以分為橫向軸和豎向軸2個部分，橫向軸連接的是風扇的電機;豎向軸上連接著2個齒輪，代表的是電風扇后方的搖頭開關。下圖處于“拔起”的狀態(tài)，即停止搖頭，當把豎向軸按下時，齒輪會向下移動1個軸套的距離，與橫軸上的齒輪嚙合，風扇就可以搖頭了。

減速機構

我們知道風扇中電機的轉動速度是非常快的（把手伸進風扇里的好奇孩子應該更深有體會，但是千萬不要特意這樣做），而我們并不希望讓風扇瘋狂地搖頭，而是想讓它緩慢地轉動。這就需要用到減速機構將速度降下來。這里用到的機構有蝸桿減速機構和齒輪減速機構。

首先是蝸桿減速機構，在電動機后方的軸上連接的螺旋狀的齒輪便是蝸桿。蝸桿，是指具有1個或幾個螺旋齒，并且與蝸輪嚙合而組成交錯軸齒輪副的齒輪。它可以用于改變轉動的方向和減速的效果。我們可以把蝸桿看成只有1個齒的齒輪，蝸桿旋轉1圈，與之連接的齒輪轉動1齒，它的減速效率是很高的。當按下?lián)u頭開關時，蝸桿與24齒齒輪嚙合，這時候相當于電機轉動24周，齒輪才會轉動1周。

即使有了蝸桿減速機構，它的轉速依舊非?？臁＿@時候我們可以運用齒輪減速機構進一步降低旋轉速度。齒輪減速機構是齒輪變速機構的一種，生活中齒輪變速機構的應用非常多，汽車的變速箱就是齒輪變速的例子。如果你熟悉汽車的話，你會發(fā)現(xiàn)掛高擋能讓車的速度變得更快，而掛低擋能讓車變得更有力量，這是因為在掛擋時改變了變速箱中齒輪嚙合的組合，從而實現(xiàn)了變速的效果。

提到齒輪變速機構，我們不得不提一個概念：傳動比。所謂傳動比，是指在2個嚙合的平面齒輪中，主動輪齒數(shù)和從動輪齒數(shù)的比值。下圖的3個大齒輪是主動輪，齒數(shù)分別是16齒、24齒和40齒，它們分別與1個8齒的從動輪嚙合，它們的傳動比就分別是2：1、3：1和5：1。可以想象，如果主動輪轉動了l周，8齒的從動輪就要分別轉動2周、3周和5周。換句話說，傳動比=從動輪轉速：主動輪轉速。高傳動比的齒輪變速機構能提高轉速，而低傳動比齒輪變速機構能降低轉速。

在搖頭風扇中，齒輪減速機構體現(xiàn)在開關下方的黃色小齒輪與最下方黑色齒輪的嚙合上。當按下?lián)u頭風扇的開關時，8齒的小齒輪與24齒大齒輪嚙合，小齒輪是主動輪，大齒輪是從動輪，它們的傳動比是1：3.也就是說，當小齒輪轉動3周時，大齒輪才轉動1周。

由于黃色8齒齒輪與24齒齒輪同軸，所以它們的轉速是一致的，從上方2個減速機構我們不難得出，電動機轉動24周時，黃色小齒輪才轉動1周;當電動機轉動72周時，下方的黑色大齒輪才轉動1周，也就是說，風扇才完成了1個搖頭周期（由于力矩的改變，轉動起來也不那么費力了），這個速度能讓我們更好地享受風扇帶來的絲絲涼意。

曲柄搖桿機構

完成從齒輪轉動到風扇搖頭轉變的是連接在齒輪下方的3根連桿，它們構成了曲柄搖桿機構。曲柄搖桿是指具有1個曲柄和1個搖桿的鉸鏈四桿機構。在這個案例中，白色梁一端是固定在風扇上方的，而另一端具有旋轉的自由度。紅色的梁并非固定在黑色齒輪的正下方，而是與齒輪邊上的孔連接（這里可能看不太清楚），構成曲柄機構。齒輪轉動時，在綠色梁（搖桿）的帶動下，整個機構呈現(xiàn)往復搖頭的效果。

搭建方式

在科技學堂微信公眾號（sciclass）上回復關鍵詞“搖頭風扇”，即可下載詳細的搭建說明書。