創客教育材料漫談

陳染

如果你想做出可動的創客作品，你一定會用到傳動件。所謂傳動件，是指為傳遞動力而設計的零件。它的傳動形式包括機械傳動、流體傳動和電力傳動3種類型。在這篇文章中我們將主要認識創客教育中常用的機械傳動材料。我們將在以后的專欄文章中進一步認識流體傳動材料和電力傳動材料。

機械傳動是最常見的傳動形式，它可以細分為摩擦傳動和嚙合傳動2大類，它們最大的區別就在于傳遞動力的方式。摩擦傳動依靠機械間的摩擦力傳遞動力，而嚙合傳動是通過齒輪鏈接主動件和從動件，實現動力傳遞。例如，生產線上傳動帶通過皮帶和皮帶輪的摩擦傳遞動力，這就是摩擦傳動；單車的牙盤上的齒和鏈條互相嚙合，轉動牙盤，鏈條也會跟著運動，這就是嚙合傳動。

傳動件可以單獨運作，也可以與其他傳動件組成運動系統，由一個或多個傳動件組成的運動系統稱為傳動機構。下面，我們就通過幾個創客作品案例，認識創客教育中傳動件和傳動機構的作用，以及怎樣設計和制作傳動件。

凸輪機構

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”就是以這個學生們熟悉的題材設計的作品。搖動底座右側的手柄，金色飛賊的翅膀就會一上一下地扇動，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的手柄，另一端用串珠緊固，軸的中部固定著1個塑料瓶蓋。仔細觀察你會發現，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。當手柄轉動的時候，軸和瓶蓋也跟隨轉動，由于軸的位置不在瓶蓋的正中心，所以轉動時瓶蓋便會把圓形紙板頂起或放下，使圓形紙板做上下往復運動，帶動金色飛賊的翅膀上下扇動。

這個創客制作中，軸、瓶蓋和圓形紙板構成了偏心輪機構，偏心輪機構是一種特殊的凸輪機構。而凸輪機構由凸輪、從動件和機架3個基本部分組成，它能夠將轉動轉變為直線的往復運動。例如，活塞式發動機用凸輪機構控制氣門的啟閉就是利用它能夠將轉動轉變為直線運動的原理。

如果創客作品對精準度要求不高，用塑料瓶蓋或者紙板可以設計成簡易的凸輪機構，甚至還可以將多個凸輪連在一根軸上，做成凸輪軸?！靶∏蚺罉菣C”就是用多個瓶蓋制成凸輪，轉動手柄，軸帶動凸輪轉動，凸輪機構帶動上方的樓梯上下往復運動，將彈珠從最低的臺階運送到平臺上部。如果對精度有更高要求，我們可以使用激光切割或3D打印制作凸輪，也可以購買現成的凸輪進行創客作品設計。

齒輪機構

《小王子》是圣埃克蘇佩里創作的童話，數十年來廣受學生歡迎，成為了一代童話文學的經典作品?！靶⊥踝拥男乔颉本褪且浴缎⊥踝印窞轭}材設計的創客作品。轉動下方的竹簽，小王子就會圍繞著星球旋轉，似乎回到了他獨一無二的玫瑰身邊。在前面的專欄文章（本刊2018年第4期）中，我們介紹了這個作品上半部分的制作，這里我們關注作品底座的運動機構。

我們可以看到作品的底座上運動機構同樣由竹簽、紙板、瓶蓋制成。竹簽構成了作品的主軸，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，主軸轉動時，2個瓶蓋以相反的方向運動。

瓶蓋和竹簽設計的結構，實際上充當了齒輪的功能，相當于一個空間齒輪機構，它能夠用于傳遞2個相交軸之間的運動和動力。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力。與其他傳動機構相比，齒輪的傳動比精確，更適合用于精密機械的設計。齒輪對機械強度和設計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。

平面齒輪是最基礎的齒輪，它能夠在同一平面上傳輸動力，而不能改變動力的方向。平面齒輪有不同的規格，區別在于直徑和齒數的不同，我們能夠用它改變轉動速度和扭矩。這里要提到一個概念，叫傳動比。嚙合傳動的傳動比相當于輸出軸齒輪齒數和輸入軸齒輪齒數的比例。如果輸入軸和輸出軸的2個嚙合齒輪的齒數相同，它們的傳動比就是1：1，意味著輸出軸只改變了轉動方向，而不改變轉速和扭矩；如果輸入軸齒輪的齒數是8，輸出軸齒輪的齒數是24，它們的傳動比就是3：l，意味著輸出軸的轉速是輸入軸的1/3，扭矩是輸入軸的3倍，我們能用這種方式降低轉動速度；反過來，如果輸入軸齒輪齒數是24，輸出軸齒輪齒數是8，那么它們的傳動比就是1：3，輸出軸的轉速是輸入軸的3倍，扭矩是輸入軸的1/3，我們可以用它增加轉動速度。圓柱齒輪在生活中有廣泛的應用，例如，汽車的有級變速器就是通過不同齒輪的嚙合改變傳動比，實現速度和扭矩的變化的。

樂高機械件設計的作品“電動陀螺”就是用平面齒輪進行變速的例子。它是1個2級加速的機構，電機輸出軸上40齒大齒輪與第2個軸上8齒的小齒輪構成了1級加速，它們的傳動比是1：5。第2根軸上還聯動著另一個40齒大齒輪，與陀螺上的另一個8齒齒輪嚙合構成第2級加速，傳送比同樣是1：5，這意味著陀螺的最終轉速是電機軸轉速的25倍。

錐齒輪機構是另一種常見的齒輪機構，也是一種空間齒輪機構。在2根相交軸上，1對錐齒輪互相嚙合，構成了一個錐齒輪機構。錐齒輪機構能夠將動力從一個方向轉變到另一個方向。生活中運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的方式代替鏈條，這種方式大大降低了共享單車的維護成本。軸傳動的核心就是2個錐齒輪機構，它能夠將牙盤的動力傳遞到后輪。

“旋轉木馬”是一個用錐齒輪機構設計的創客作品案例，它的中心由1個水平旋轉的錐齒輪和3個垂直旋轉的錐齒輪構成，電機驅動水平錐齒輪旋轉，木馬上的垂直錐齒輪也一起旋轉，旋轉的動力通過曲柄滑塊機構轉化為上下往復運動。

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，創客教師需要熟悉不同的齒輪機構，在設計作品時就可以更得心應手。

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在科技學堂公眾號（sciclass）中回復關鍵詞“傳動件”，認識更多緊固件創客案例。