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从零讲:机器-人-机构设计之齿轮咕噜叫

转载 2015-08-04 20:21:34

月落灵犀星满天,咖啡灯火对字联;台北城外寒冬日,老爷钟声敲响堂考验自己一下,可认得上图是什么吗?这里介绍一下上图照片里是什么,这是带有钟摆的机械式老爷爷钟之俯视照片,这个在电子钟充斥现代社会的生活中非常不易见到吧!这么古老的大钟曾经深远影响着人们生活,老爷爷钟里的齿轮咕噜咕噜叫着整点时间一到就敲响钟鸣不时唤起旅人过客印记在脑海里的经典回忆经文人墨客传颂成曲机械式古老大钟传奇故事的传唱源自于上上世纪年代的英国小镇,有一间名为佐治的酒店,是由Jenkins两兄弟共同拥有经营的。在酒店的大堂着一个摆钟,摆钟一直正常运作,忠实地为过客报时然而当其中一个兄弟世后,摆钟似有灵性能感受主人的悲伤便开始运作不正常。尽管酒店的职员、钟表维修员尽力修理它,摆钟故障率越发越。当另外的一个兄弟也离世后,那个摆钟居然也停止了运作。据说,在1875一位美国作曲Henry Clay Work,当在英国旅行曾住过那间酒店,来年他有感于所听闻的老爷爷钟故事,进而创作此曲「My Grandfather's Clock」,并传唱至今

真实齿轮组图与区分齿轮旋向示意图

我们常常能够见到齿轮,就是一种轮边具有齿状凸出物的轮状机械零件,齿轮一般并不单独使用,而是将好几个齿轮兜在一起构成齿轮组,并藉由齿轮间相互合,可传递动力给另一齿轮,如右图上方所示齿轮真实面貌。靠着轮齿间相互啮合,使得当一齿轮转动时,另一和它啮合着的齿轮也随着转动。这是旋转运动的一种传动方法,当齿数多的齿轮带动齿数少的齿轮,可以让齿数少者转动速度加快,但是扭力却会减小;倘若由齿数少的齿轮带动齿数多的齿轮,这时,往往可以传送较大动力,但会让齿数多者的转速变慢。至于怎么区分齿轮旋向,用手动或由电动机带动的主动轮的转向和与之啮合着的从动轮的转向是相反的。然而如右图下方所示由三个齿轮所组成的齿轮组,中间齿轮称为惰轮,当左边齿轮旋转经惰轮传动给右边齿轮后,这时的左右齿轮旋向仍然维持不变,在本系列博文【翻转教学法】头张照片里由德国人创新制作的齿轮组式放缩尺,正是用了由三个齿轮相互合而成的齿轮组,来取代连杆式平行运动机构

齿轮组机构引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,共同一起动手操作积木。首先,从零开始思考,新款机构动力车在车轮、平台、动力三方面,由于有着相同平台化的底盘骨架,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,就只剩下动力单方面着眼进行设计,这样就可以快速有效地把齿轮组机构设计安装在新款车的框架里,这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘,当然还要经过多番的尝试与犯错,以下就是创新智造出来具有齿轮组机构特色的新款机构动力车,但又把车剖成两半,并把有关齿轮组机构在动力车内互动的连杆机构实际设计内容,完全暴露出来,现在呈半剖面图看得透彻,这样会比较理解齿轮组机构与不同连杆机构的设计特征。

后轮驱动齿轮组机构动力车半剖面图 

上图可以看到上头斜平布置的是根直线运动的触发连杆,其作用相当于水平运动的滑块,该滑块铰链一根五孔斜杆,该斜杆末端处铰链一根斜置三孔摇杆,加上触发连杆滑动处占了一个孔位,使得这里的摇杆长度可视作四孔距离,此车机构的三孔摇杆末端充当绿色大齿轮的卡榫,而此绿色大齿轮又啮合这台车的动力灰色中齿轮,而这台车的动力灰色中齿轮是安排在后轮轴上。该动力中齿轮是与一颗绿色大齿轮啮合再一起反向连动,而瓦特连杆的小浮杆下端铰链处正好卡住了绿色大齿轮,连带也卡住前轮轴上的中齿轮,这样就形成处于待命状态的情况。

下图是运用瓦特连杆特色设计而成的新款机构动力车的半剖面机构,这个部分完全呈现出瓦特连杆的设计特征,也就是在中框架上的范围内,是存在着瓦特连杆,这里是用三孔距离当两个等长摇杆的长度,也都与小浮杆中央点保持着三孔距离,而小浮杆成垂直竖立状,下端铰链处可以当卡榫之用,而这台车的动力灰色中齿轮是安排在前轮轴上。该动力中齿轮是与一颗绿色大齿轮啮合再一起反向连动,而瓦特连杆的小浮杆下端铰链处正好卡住了绿色大齿轮,连带也卡住前轮轴上的中齿轮,这样就形成处于待命状态的情况。另一方面,为了让这部机构动力车有个触发杆,于是在瓦特连杆下头摇杆换成往外多伸长出来的连杆,则可当下押触发连杆之用。注意上下图都是由相同一大一中两齿轮啮合的齿轮组,同样是灰色动力中齿轮与一颗绿色大齿轮啮合再一起反向连动,而且齿轮组摆法一样置入到相同骨架底盘及相同孔位里,上下两个齿轮组根本无法区分彼此,然而上图是一台后轮驱动车,详情请参阅本系列博文【真假难辨猜一猜】;至于下图则是一台前轮驱动车,详情请参阅本系列博文【瓦特连杆】,相同齿轮组怎么会有前驱后驱那么大的区别呢?这个问题值得探索下去。

前轮驱动齿轮组机构动力车半剖面图  

齿轮组的设计可以非常复杂,这里举两个例子就能明白了。首先介绍第一个例子,有一种间歇性传动是由旋转运动所产生,早先是日内瓦钟表厂设计出来的,于是命名为日内瓦机构。它是由刻有径向传动槽的随动轮、销子、驱动器所组成,常用于自动化机械,其驱动器是一个装有销子的转轮。当销子伸入随动轮的传动槽中,随动轮就能开始转动。若有四槽,则转动90°后滚子脱离传动槽,随动轮随即暂停转动,要等驱动轮再旋转270°后,销子才能伸入次一个传动槽。当暂停传动时,驱动轮的圆面密切配合随动轮的弧面,使随动轮能保持稳定的停止状态。

第二个例子,就拿笔者用积木制作的老爷钟核心秒摆机构来说明,后头附有此机构由台湾东吴大学物理系萧先雄教授分析的秒摆实验影像记录。在物理学的世界中,摆钟统合着很重要的物理时间观与牛顿重力观,详情请参阅本系列博文【重力摆与科教】,爷爷摆钟就有一个运用擒纵机构进行间歇性传动并带动齿轮组转动时间指针的机器。虽然这个机构有些复杂,却可以完全用积木完成制作,观看后头所附影像记录里的秒摆机构,就是个实例。由于受限于重力摆与体积过大因素这个秒摆机构不适合融入设计到机构动力车里头,因此就此打住

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