乐高动力组搭建攻略

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乐高 动力组 搭建

《财富》杂志和英国玩具零售协会曾将乐高积木评为“世纪玩具”,乐高甚至击败了人们长久以来喜爱的泰迪熊。为什么?玩乐高不仅能带来喜悦,而且还有真正的教学意义。比起其他的玩具,乐高还能让您的想象力得以用实物表现出来。

乐高科技系列是在传统乐高体系的扩展一个全新的搭建领域,增加了很多新的挑战。它的三大核心内容是真实性功能性挑战性(乐高集团称之为AFC战略),可以让玩家使用电机、齿轮、轮胎、轴、连杆等等元件搭建出有实际功能的真正的模型。

一  认识乐高科技系列基础零件

1.零件尺寸

乐高模型和颗粒不是常见的英寸或厘米来度量,而是用特殊的单位来度量的,这种单位叫做凸粒。一个凸粒的长度就是最小颗粒的宽度,即8毫米。在衡量不是颗粒的乐高元件,如减震器和轴的时候,我们也用凸粒作为单位。

因此当乐高颗粒的单位被省略时,我们可以默认它的单位就是凸粒,如1x1砖型颗粒、2x2瓦片颗粒等。

2.动力组件

 

动力组件由电池盒电机遥控器信号接收器等元件组成。动力组件可以让我们更加灵活地控制电机,更加精确地控制速度,还能实现多个元件之间的联动,大大丰富了乐高科技作品的玩法。

2.1  遥控

   

强大的遥控性能

每个信号接收器对应一个频道,两个输出都连上电机,在这样的情况下,1个遥控器可以同时独立控制4个信号接收器上的8个电机

两组对应关系

颜色对应:

相同的颜色对应一组控制关系,也就是说,红色拨杆可以控制连接在红色接口上的电机,同时蓝色拨杆可以控制连接在蓝色接口上的电机。反之则不能控制。

数字对应:

只有当遥控器和信号接收器上的频段数字一致时,遥控器才能正常使用。所以当遥控器同时控制四组信号接收器时,需要调整频段到相应位置。

2.2  电机

乐高科技系列常用的电机被称作Power Functions(动力组件),简称PF ,常用型号又分为M号和L号。

如图所示,PF L电机的转速比PF M电机慢一点点,但是扭矩几乎是M电机的180%,也就是说力量更大可以驱动更重的装置

所以对于比较轻的装置,常用的选择是M电机,比较重的装置,常用的选择是L电机。

PF 伺服电机是专门用来转向的,只能从中心位置顺时针或者逆时针旋转90度。它的低速设计使得它可以直接用于大多数转向系统,中间不再使用传动装置进行减速,它的大扭矩可以保证它不会轻易停转。

在实际搭建电机上,三种电机的轴孔都是一个乐高单位深度,M电机的正面有4个销孔,L电机的销孔有12个,正面、左侧、右侧各4个,伺服电机的销孔有14个,正面6个,左侧、右侧各4个。

如图所示,M电机只能从正面进行搭建,结构比较单一,稳定性不高。

L电机可以从正面、左侧、右侧进行三个方向上的搭建连接,搭建可能性更多,稳定性更好。

伺服电机也可以从正面、左侧、右侧进行三个方向上的搭建连接,相比而言,伺服电机的正面可以搭建更多结构,这样能够保证转向系统有足够的空间进行搭建。右边的图示说明了如何使用遥控进行转向。

因为乐高遥控器的拨杆只能前后拨动,所以通过前后拨杆控制左右转向可能对于大多数人来说不太适应,我们可以对遥控器做一个小小的改进,让左右转向更符合大多数人的驾驶习惯。

3.轴相关

3.1 常见轴 

注意,带堵头的改良轴是新款轴,有很多实际的应用。堵头不能通过销孔或轴孔,因此可以避免轴的不必要的滑动。

3.2 轴套

它是套在轴上使用的小元件,如:半轴套,常规轴套,带长销的轴套。它们可以用来保持两个或多个其他元件之间的距离。它们可以避免元件从轴上滑落或者起到固定轴的作用。

带长销的轴套可以看做是长销和常规轴套的组合,它比常规销更容易拔出,所以我们可以用它来暂时连接几部分模块。

3.3 万向节

万向节最大的优点就是可以像曲柄轴一样沿着一条线运动。此外,这个角度可以在任意时候改变,而不会影响它传输的速度和扭矩。万向节唯一的缺陷在于,如果它们弯曲45度以上,在传递运动时会产生波动,这种波动会随着角度一起增加,最终引起震动,直到万向节最后完全锁定在90度。

4.齿轮相关

 

齿轮为什么重要?最直观的答案就是它能将动力从电机传送到接收机械上。不过,这个答案虽然很正确,但却不全面。齿轮最重要的作用在于它能传输我们需要的动力输入的属性,而传输动力只是这个过程的副产物。

4.1  基础概念

减速运动与加速运动

用小齿轮驱动大齿轮,可以增加扭矩,减慢速度。这也称作减速运动。

用大齿轮驱动小齿轮,可以加快速度,减小扭矩。这也称作加速运动。

主动齿轮、从动齿轮和中间齿轮,输入轴、中间轴、输出轴

我们来看一个关于齿轮传输动力的简单例子,如图所示,电机通过两个齿轮与轮子连接。离动力输入端(电机)最近的齿轮,被称为主动齿轮。从主动齿轮接收动力的齿轮,被称为从动齿轮。

除了主动齿轮和从动齿轮,还有一种中间齿轮。在一系列齿轮中,第一个齿轮就是主动齿轮,最后一个齿轮就是从动齿轮。所有中间的齿轮都被称作中间齿轮。它们不影响动力传输的扭矩和速度。

当齿轮旋转时,它们所在的轴也会随之转动。因此,随着齿轮的旋转,主动齿轮所在的轴被称作输入轴,从动齿轮所在的轴被称作输出轴,中间齿轮所在的轴被称作中间轴。在变速箱的设计中,这些概念需要被严格区分开,不然很容易混淆。

齿轮比

齿轮比,是指两个相互作用的齿轮的齿数之间的关系。相互作用的齿轮是指两个啮合的齿轮,或者以其他方式连接的两个齿轮,如用链条、履带连接,或由橡皮圈连接的两个皮带轮。两个用链条、履带、橡皮圈连接的齿轮的齿轮比与那些直接啮合的齿轮的齿轮比是完全一样的。

齿轮比=从动齿轮的齿数:主动齿轮的齿数。例如齿轮比=24:8=3:1,意味着主动齿轮旋转3圈,从动齿轮才转1圈。

齿轮比也可以改写成分数,如

如果齿轮比大于1,则是减速运动,如果齿轮比小于1,则是加速运动,如果齿轮比等于1,则是等速运动。

如果一个机械结构中存在多组齿轮比,只需将每组齿轮比相乘,即可得到最终的齿轮比。

如图所示,它是由两组完全相同的齿轮组成,都是有12齿的主动齿轮和20齿的从动齿轮。每组齿轮比均为20:12,将这两组齿轮比相乘,可以得到最终的齿轮比为2.779:1,结果大于1,为减速齿轮组。

齿轮清单

8齿齿轮:最小的乐高齿轮,因为齿轮较小,不能承受太大的扭矩,常用在减速运动中。

12齿单面锥齿轮:经常用在差速器结构中。

12齿双面锥齿轮:常与20齿双面锥齿轮合用。

16齿齿轮:这是一款相当结实而且用途广泛的齿轮,它是能用于乐高链的最小的齿轮。

带离合的16齿齿轮:这是一种专为变速箱设计的齿轮,常与动力传输环搭配使用。

24齿齿轮:这是乐高科技齿轮西系列中最为结构、常用的齿轮。

带离合的24齿齿:这个零件的特殊性能就是当扭矩足够大时,能沿着轴滑动而不产生任何有害影响。它常被用在点对点传输动力的结构中,例如电机转到某点时就停止。

24齿冠齿轮:它的特点是垂直啮合。

36齿齿轮:这是最大的锥齿轮,非常结实。

40齿齿轮:这是现有的最大的齿轮。

差速锁包含了左右两边两个齿轮,16齿和24齿,都只能在水平方向啮合,其中24齿齿轮可以由乐高链驱动。此外,两个齿轮都可以连接动力传输环,锁住差速器,“差速锁”由此得名。所以它同时具有差速器和固定轴的作用,在越野车上用途很多。

差速器:一个典型的差速器结构,差速器上的28齿单面锥齿轮由20齿双面锥齿轮驱动,内部连接只能连接3个12齿单面锥齿轮,整体安装在5x7框架中。

转盘:分为大转盘和小转盘。转盘主要用于上下分离的运动。大转盘上下两面都可以驱动,小转盘只能驱动外部带齿的那一面。

轮形结:它的优点在于比同等大小的齿轮更为结实,可以应对较大扭矩的情况,常用在垂直啮合的搭建中。

蜗杆:这种特殊的齿轮有很多独特的特性:1、任何齿轮都不能驱动蜗杆,蜗杆只能用作主动齿轮;2、蜗杆的齿槽较深,轴孔较长,啮合非常稳定,在实际运动中具有锁定效果,一旦蜗杆停止转动,能够保持从动齿轮稳定,这个特点在搭建起重机、叉车、吊桥、绞车和其他需要在电机停止时保持稳定的机械结构时,都非常有用;3、蜗杆的齿数实际上是1,所以蜗杆在啮合其他任何齿轮时都是减速运动,同时扭矩非常大,而且所占空间小。

齿条可以应用在转向、开关门、塔吊等线性运动系统中。

二  乐高科技动力组搭建策略


1.搭建顺序

一般乐高装置的搭建是按照从下到上、从内到外、从功能结构到装饰结构的顺序搭建的,但是乐高科技系列装置有它的特殊性,那就是动力组件尤其是电机的核心位置。所以在乐高科技动力组装置的搭建中,建议首先从电机开始搭建,这样更容易找到突破口。

其次是要有分块的逻辑,即将装置分为几个逻辑模块搭建,最后再进行模块之间的连接,这样做的好处是可以分散观察的压力,每次都能集中注意力在关键结构上。

最后注意观察装置的对称性。常见的对称性是轴对称、中心对称和旋转对称,这样就可以节省精力,只要搭建出其中一个,其他的对称结构只需按照对称性调整一些细节就行。

2.连接结构

乐高搭建的基本手法就是连接,所以连接件在乐高科技零件中是种类最多、最容易混淆的。

利用连接件,我们可以将梁、杆、轴、电机等核心元件连接起来。

因为乐高科技零件的连接孔分为两种:轴孔和销孔。所以连接可以区分为轴-轴孔连接,销-销孔连接,轴-销孔连接

在所有的连接件中,最常用的就是。销的长度和形状多种多样,相应的摩擦力大小也各不相同,这一点区别很重要,因为差别很小(销管上有很多凸起的就带有摩擦力,反之,则不带摩擦力),需要近距离观察,当然熟练之后也可以通过颜色区分。

虽然销看着简单,但它却是连接科技系列结构必不可少的零件。大型的科技系列套装中常会有几百个销。它们真的非常重要!

3.加固结构

乐高科技装置的零件都是按照最为稳固的方式连接的,其结构也符合力学原理,即使如此,因为任何结构中总存在薄弱环节,再加上受力不均,薄弱的环节可能会发生断裂或脱落,导致动力传输中断,整个乐高科技装置就会宕机。

差速器的加固:

由于轴和12齿单面锥齿轮的连接不够紧密,在实际运转中,轴容易从差速器中脱落。我们可以尝试在轴上装轴套进行加固。

轮胎的加固:

轮胎在运转的中会和轴产生摩擦,长期的摩擦会使轮胎从轴上脱落,此时我们可以使用轴套进行加固。

总而言之,加固结构对于保证装置的实用性来说非常重要,而且加固结构没有固定的套路,“不管黑猫白猫,能抓到老鼠就是好猫”,保证实用性才是终极要求。

4.拆除结构

搭建的过程不是一帆风顺的,如果我们搭错了结构,就会涉及到拆除结构。另一种情形就是零件不够,需要从另一个装置上拆取。

拆除结构的过程与搭建结构的过程是恰恰相反的,涉及到的常用零件也是连接件,但是搭建容易拆除难,尤其是一些非常小的连接件,插进去比较省力,拔出来就很费劲了。

这时我们需要一些小技巧。

拆除结构的本质实际上对连接件的拆除。按照前面对连接件的分类,拆除连接件也可以分为轴的拆除和销的拆除。

轴的拆除:以轴拆轴

一些较长的轴因为便于施加力量,拔出比较容易,难度在于拔出较短的轴。这是我们可以用较长的轴顶出较短的轴。短轴被顶出,长轴又插进去了,但是拔出长轴比拔出短轴要容易得多。

销的拆除:以销拆销

拆除销的思路与拆除轴的思路基本一致,但是使用的工具略有不同,因为销的长度区别不大,用一根短销顶出另一根短销实际上是在原地踏步,此时我们需要用到前面提到过的“带长销的轴套”。使用“带长销的轴套”替换短销后,因为上面的“轴套”的摩擦力比较大,所以更容易拔出。使用3个乐高单位长度的“长销”也可以起到这种效果,但是“带长销的轴套”上的轴套能提供更大的摩擦力,所以效果会更好一些。

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