有效利用传动原理，可以起到事半功倍的效果。但是，很多人并不是专业人士，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，和你一起动手设计，可以让你在一小时内，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。
▲图1 一个8 齿和24 齿的齿轮
1.简介
齿轮是机器中很重要的部件，它几乎是机器的象征。只要一看到齿轮，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，去探索齿轮的一种非常有用的特性：将一种力魔法般地转换成另外一种力。并且介绍一些新的概念—速度、力、扭矩、摩擦力；还有一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。
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）。一般用时至少需要两个齿轮，如图1 所示，为两个普通的乐高齿轮：左边是8 齿齿轮，右边是24 齿齿轮。齿轮的最重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24 齿的齿轮可以表示为24t。
回到例子中，我们使用了8 齿和24 齿的两个齿轮，分别固定在一根轴上。两轴与一带孔梁相配合，两孔间距两个乐高单位（一个乐高单位就相当于相邻两孔间距），现在一手拿住梁，另一手轻轻地转动其中一根轴，注意其第一个特性：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他轴上。第二个特点是你不需要用很大的力去转动它们，因为齿轮间配合相当紧凑，摩擦力很小，这也是乐高工艺系统大特性之一：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：也是最重要的特性，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。
3. 加速和减速传动
在上面的例子中，我们先转动大齿轮（24 齿），它的每一个齿都与8 齿的两个齿啮合的很好。当转动24 齿，每一次在齿轮的接触面一个新齿取代前一个齿时，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一圈（360 °）。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∶8。经过简化，得到3:1。从数字来看，24 齿齿轮1 转就相当于 8 齿齿轮的3 转。
▲图2 1∶5 传动比
▲图3 3∶1 的传动比
由此，我们得到一种加速的方法（从技术角度来讲应称为角速度，而不是速度）。这时候你可能会想到在竞速小车上使用巨大的传动比。遗憾的是，在力学中有得必有失，获得了速度，同时就减少了扭矩，简单地说，就是在力量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。
齿轮有一个有趣的特性：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。当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。
4. 齿轮传动机构
最大的乐高齿轮是40 齿的，而最小的是8 齿的。这样，使用两个齿轮传动时，最大可以得到1∶5的传动比,如图2。
▲图4 垂直齿轮配合
如果还想得到更高的传动比，应该使用多级变速系统（加速或减速），我们称它为齿轮传动链，如图3。在这个装置中，第一级传动比为3∶1，第二级传动比为3∶1，这样，总的传动比就为9∶1。
齿轮传动链可能会产生让你难以置信的能量，因为它能将扭矩转化为角速度，两个1∶5 的传动比产生1∶25 的传动比，3 个1∶5 的传动比产生1∶125 的传动比。但必须小心使用，因为乐高组件可能因为机器人不能产生某种动作而损坏。换句话说，如果某一样组件卡住了，乐高马达的速度乘上125 产生的速度足以扭曲梁，扭断轴或者打破齿轮的齿。
▲图5 16 齿齿轮图
5. 齿轮的配合
乐高齿轮组件包含许多不同类型的齿轮，前面已介绍了8 齿、24 齿、40 齿的齿轮，现在我们了解其他类型的齿轮，讨论如何根据它们的尺寸和形状来使用。8 齿、24 齿、40 齿的齿轮的半径分别为0.5、1.5、2.5 个乐高单位（从齿心到半齿的距离），当两者配合时，连接两齿轮轴的距离就等于它们半径之和，可以看到这三种齿轮之间配合的距离都是整数倍，这样可以配合得很好。8 齿与24 齿齿轮的距离是2 个乐高单位， 8 齿与40 齿齿轮的距离是3 个乐高单位，24 齿与40 齿齿轮的距离是4 个乐高单位，这种配合很容易与标准栅格结构上的其他组件连接，因为每一层为两个乐高单位（图4 所示）。
另一个普通齿轮是16 齿齿轮（如图5），它的半径是1 个乐高单位，两个这样的齿轮以两个乐高单位的距离可以配合地很好。但与其他齿轮配合会有一点问题，因为它与其他齿轮的配合距离会产生半个乐高单位，不过有一种特殊的梁（1×1 带孔梁，1×2 带孔梁） 可以解决这个问题（如图6）。
我们已说过，标准栅格的使用非常灵活，可以用多种方式解决问题，而不需求助于特殊部件。如图7所示。
▲图6 16 齿齿轮与24 齿齿轮的配合
▲图7 对角线配合
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