樂高8258產(chǎn)品結構優(yōu)化改造

曾正文

2009年，樂高公司推出以卡車起重機為原型，產(chǎn)品編號為8258的機械模型作為當年科技系列（Technic）的旗艦產(chǎn)品。這款模型車輛設計有霸氣紅色外觀、V8配置模擬發(fā)動機、兩組包含2個動力環(huán)的動能分配器（換擋撥動裝置）、并配備有X1電機和稀有鐵鉤零件。該產(chǎn)品設計新穎，一上市就受到樂高粉絲們的熱烈追捧。但經(jīng)過本人對該產(chǎn)品的反復研究和實踐，雖說設計完美，但也存在著一些缺陷。

一、樂高8258產(chǎn)品缺陷分析

1、第一級吊臂極限位置打齒。該車共設計有四個技術動作（電機驅(qū)動控制），分別是第一級吊臂收放、第二級吊臂收放、吊臂塔臺旋轉(zhuǎn)、駐鋤的支出和收回。對于其他三個功能，樂高官方分別在動能傳動鏈中設計有三個離合齒輪。唯獨第一級吊臂收放功能缺少這樣的設計。

先從動能的傳遞說起。X1電機輸出的動能經(jīng)過一組90°嚙合的齒輪組傳到車中段底盤的幾個齒輪，然后被分開傳到了兩根帶有動力環(huán)的十字軸上，這時動能才被送達到由兩組換擋撥動的“分配站”。將左邊（靠車頭一側）撥片一端上撥，根據(jù)杠桿原理，左邊動力環(huán)被撥片另一端壓下來與下面的深灰色16齒齒輪卡扣。這個齒輪將動能傳遞給旁邊的淺灰色16齒齒輪。由于旁邊距離2個單位的一根淺灰色長粱（作用是固定傳動前助鋤的齒輪）的限制，只能通過12齒齒輪和20齒齒輪組合才能將動能往旁邊的長黑色十字軸送。而離合齒輪只有24齒這個規(guī)格，其半徑大于1個單位，會與淺灰長梁發(fā)生干涉。黑色十字軸直接通過一個萬向節(jié)連接控制第一級吊臂的大La（直線伸縮桿），往上沒有加離合齒輪的空間。動力從電機出來經(jīng)過各種齒輪多個角度層層傳遞，損失了不少，當?shù)竭_輸出口時扭矩已經(jīng)減小很多，遠不及大La離合扭矩。而當大La極限位置時，阻力會突然變大，傳過來的動能又不足以通過大La離合摩擦來消耗，造成傳動鏈中間嚙合強度較小的齒輪組發(fā)生打齒。同樣的問題也出現(xiàn)在42043控制貨斗的功能上。最后結果是整個第一級吊臂的傳動鏈沒有安裝一個離合齒輪，而且傳動齒輪較多動能損耗大不足以達到大La離合扭矩，從而導致技術動作極限位置時傳動齒輪只有發(fā)生打齒來釋放動能。

2、后兩軸只有一軸驅(qū)動，每一軸只有2個輪胎，與現(xiàn)實不符。現(xiàn)實中前四后八的隨車吊，一般是后兩橋驅(qū)動，但樂高設計時在車后端為了容納xl電機，取消了一軸的驅(qū)動來節(jié)省空間，每軸也只有兩個輪子，這在實際運用中是存在缺陷的。

3、牽引盤功能欠缺。樂高只設計出牽引盤的外觀，沒有鎖扣等裝置，不能完全實現(xiàn)牽引功能。

4、其他設計缺陷。車門僅作為裝飾部件不可打開，座位大小比例不合適等細節(jié)設計不到位。

二、樂高8258優(yōu)化方案

1、關于吊臂打齒。優(yōu)化方案是替換淺灰色長粱，騰出空間給離合齒。基本思路是走“換長粱、加離合”。用2根L型零件和一根較短粱再加一些連接件構成的結構錯開會發(fā)生干涉的空間。從設計來看，其改造將會與離合發(fā)生干涉的連接結構向上被移了一個單位，但仍保證黃色直角連接處的2個16齒淺灰色齒輪有固定位。當與離合發(fā)生干涉的那根粱被替換后，中間1個灰色齒輪就只有一端是固定的。連接這個齒輪的十字軸長度較長，齒輪不是那么容易移位，所以加固必要性不大。但另一個16齒淺灰色齒輪就只用了一個米色無阻尼43093連接，兩端固定位間距也較短，很容易發(fā)生移位。解決這個問題方法是用編號為32013的紅色零件。齒輪用一根3單位帶帽截止軸就可以兩邊都固定了，接著是吊臂上的齒輪對應改動。理論上，在經(jīng)過動力環(huán)的前提下離合齒越往前放越好。離合向動能傳輸鏈上游放置才避免極限位時的打齒而不是離合現(xiàn)象出現(xiàn)。簡單來說，如果離合組放置離電機輸出端太遠的話，動能經(jīng)過層層損失，到達離合齒的等就很少了，甚至達不到讓離合齒離合的扭矩，這樣離合齒就沒有起到應有的作用。

2、增加驅(qū)動軸和輪胎數(shù)。車體后端主要分布有一塊X1電機、牽引盤、差速器和車軸。首先是對X1電機的位置進行調(diào)整調(diào)整（加裝的差速器占了電機原有的固定位）。本人將X1向上移了幾個單位，雖然一部分露出車體，但有牽引盤的遮擋，不算太突兀。緊接著的工作是X1電機的固定。如圖A是X1電機輸出動力的一個傳動截面。由于X1扭矩巨大，3個齒輪之間總是發(fā)生打齒現(xiàn)象。解決歷程如下：如圖B，最早本人想到的穩(wěn)固結構來固定兩端，但由于空間限制（結構必須在同一個單位平面），豎著的長粱沒有辦法安置。只能靠像左面那兩根軸套來固定。但由于X1扭矩實在是很強大，加上軸套固定法的最大穩(wěn)固力不是軸套本身的抗拉力而是軸與粱的最大靜摩擦力，所以X1使得齒輪嚙合受力時掙脫固定零件束縛而打齒的現(xiàn)象仍然頻發(fā)。最后，問題依賴于一個零件而得到解決：如圖C，淺灰色栓垂直連接件（編號55615）。這個一體化零件使3個孔位依靠零件抗拉力而穩(wěn)固，受力時發(fā)生形變的程度比用多個零件組成的結構的形變程度小得多，因而再也沒有打齒的現(xiàn)象發(fā)生。連接效果如圖D。通過一些小零件就把車身和車尾連接好了。

3、牽引盤的改裝。可以用皮筋零件做一個簡單的自鎖裝置，該設計的牽引板車配合完成牽引盤自鎖功能。

4、部分細節(jié)優(yōu)化。一是車門的開合功能實現(xiàn)及座位大小調(diào)整。座位可以選擇產(chǎn)品編號為42043的設計大小。在8258車門周圍更換3個藍色長栓就可以實現(xiàn)開合功能，但開合角度較大時兩個面板之間會發(fā)生干涉并磨損，而且對車頭穩(wěn)固性有一定影響，還需改善。二是在鐵鉤上加裝動滑輪，原版套件配有的吊線比較短，所以改動滑輪需要加長，動滑輪零件編號4185;三是擋泥板加寬，順帶設計有類似42043的止輪塊的放置槽;四是發(fā)動機散熱風扇外觀優(yōu)化。用編號為41530的8葉螺旋槳零件代替原配的編號為44374的3葉帶孔臂零件，使得V8的散熱風扇看起來更為粗獷，增加真實感;五是統(tǒng)一車頂燈顏色，加固電池盒外面板固定，加固車尾駐鋤固定

三、樂高8258產(chǎn)品優(yōu)化引發(fā)的思考

1、科技系列理想扭矩不等式：A.傳動齒輪打齒>B.傳動鎖死（憋電機）>C.傳動（電機）輸出>D.La（推桿）打齒>E.離合組離合。解釋：A>B：在極限位或卡死時整個傳動沒有打齒（即齒輪嚙合良好）而是卡住電機，電機有限流保護所以短時間卡死不會造成大問題。但齒輪多次打齒后形狀改變影響傳動，而且一股傳動齒輪位于結構內(nèi)部不易更換;B>C.沒有打齒和離合發(fā)生;C>D、E：電機啟動限流保護時的傷害還是大于后兩者的離合磨損的，電器零件比較貴，應減少損耗;D>E純粹是本人個人覺得La離合聲音有點接近打齒聲，聲音不好聽。有兩點值得一提：一是小La離合扭矩比離合齒離合扭矩小，但仍有用離合齒輪“保護”小La的例子，比如42030裝載機的轉(zhuǎn)向改造;二是多個離合齒輪串聯(lián)在同一根十字軸的離合齒組離合扭矩是可以疊加的。

2、樂高科技系列常見問題解決：大La本身有極限位置離合保護，為什么多此一舉要添加離合齒輪？經(jīng)過本人多次實際操作來看，使大La自動離合的扭矩是相對比較大的，像編號為8264套件設計的這種大La直接連電機倒沒什么問題，m電機扭矩大過離合扭矩。但8258吊臂的動力從電機出來經(jīng)過各種齒輪多個角度層層傳遞，損失了不少。當?shù)竭_輸出口時扭矩已經(jīng)減小很多了，遠不及大La離合扭矩。這樣當大La極限位時，阻力會突然變大，而傳過來的動能又不足以通過大La離合摩擦來消耗，所以中間參與傳動的嚙合強度較小的齒輪組會發(fā)生打齒。同樣的問題也出現(xiàn)在42043控制貨斗的技術動作上。

3、技術動作相互共振問題。問題描述：兩根La動力都來源于同一根動力環(huán)，如果沒有連接到La時（即之間連接斷開），深灰色16齒齒輪會因為微小摩擦力被帶動，這很好理解。但所有齒輪裝配完畢時，掛檔操作一個La，另一組齒輪也會運作帶動另一根La產(chǎn)生一定的技術動作（速度緩慢但在運作）。16齒齒輪與十字軸之間的摩擦力顯然小于帶動La及一系列連接齒輪所需的動力，難道是因為共振帶動的？更奇怪的是，當掛檔的La極限位離合齒輪發(fā)揮作用時，另一根受“共振”的La轉(zhuǎn)速和扭矩都會明顯增大，從整體來看，好像是電機要找一個泄口來消耗本該給掛檔La的動能。但從局部傳動來說，這兩個功能是沒有硬性齒輪相連的，只有一個動力環(huán)在電機和兩個功能間充當動能分配器。