本文将会介绍12种常用的齿轮以及差速、变速装置。分别是：（1）正齿轮（2）双锥面齿轮（3）单锥面齿轮（4）蜗轮（5）齿条（6）冠状齿轮（7）离合齿轮（8）差速器（9）转盘（10）空心齿轮（11）履带齿轮（12）变速齿轮与变速箱。
齿轮在我们日常生活中无处不在。齿轮除了平稳、精准传送动力，实现加速、减速、增减扭矩的作用外，也可以搭建传动链或履带装置，或与差速器、变速箱配合，达到差速、变速效果。下图是常见的各种不同齿轮。
青少年机器人技术等级考试中用到的各种不同齿轮
1、正齿轮
正齿轮又叫直齿轮，或中齿轮，是一种高副机构。齿是指齿轮外径上一圈呈辐射状排列的凸起，齿的数量就是齿数。齿槽是指齿轮两相邻齿之间的空隙部分。齿轮的齿和配对齿轮的齿槽啮合在一起，带动运转，将动力从一根轴传递到另一根轴，从而达到传送动力的目的。
下图是青少年机器人技术等级考试实操中，常用的4种正齿轮，从左至右，依次为：8齿、16齿、24齿、40齿。
8齿、16齿、24齿、40齿正齿轮
（1）正齿轮可构建加速或减速装置
如下图所示，24齿正齿轮和8齿正齿轮互相啮合。24齿正齿轮与8齿正齿轮齿数比（半径比、直径比、周长比）3:1，传动力（扭矩）比为3:1，转速比为1:3。
如果24齿正齿轮是主动轮，则加速3倍，是加速装置，同时传动力（扭矩）减少1/3。如果8齿正齿轮是主动轮，则减速1/3，是减速装置，同时增加3倍传动力（扭矩）。24齿正齿轮和8齿正齿轮互相啮合
（2）正齿轮孔梁安装的16倍啮合原则
如果在孔梁上安装加速或减速装置，相邻齿轮的齿数之和必须是16的整数倍，两个齿轮才能互相啮合在一起。例如：
24齿正齿轮和16齿正齿轮无法在孔梁上完成啮合，24+16=40，不是16的整数倍。见下方左图。24齿正齿轮和8齿正齿轮可以在孔梁完成啮合，24+8=32，是16的整数倍。见下方右图。16倍啮合原则
（3）正齿轮互相啮合的同一平面原则
正齿轮只能在同一平面上完成装配，轴平行传递动力，且两齿轮转动方向相反。如下图，8齿轮和24齿轮转动方向相反，24齿和40齿轮转动方向相反，但8齿和40齿则同向转动，且他们只能安装在同一个平面上。
同一平面原则
（4）正齿轮+链条可组合成适合远距离传递动力的传动链
如果要实现远距离传递，要借助传动轴或链条。由两个正齿轮带动的传动链，也遵循必须同一平面原则，且传动链也可以做到准确无误传递动力。
与两个齿轮直接啮合时转动方向相反不同，传动链中两个齿轮是同方向转动的。下图的正齿轮带动链条，完成远距离传送动力，但传动链会有比较大的噪音。
正齿轮带动链条完成远距离传送动力
（5）40齿正齿轮在曲柄机构上的运用
40齿正齿轮，具有41.7mm的大外径，除了传送动力外，还有一个非常特别的用途，就是用在各种曲柄机构中，实现曲柄的圆周运动。
下图是石油开采机的曲柄连杆机构中，40齿正齿轮依靠轴的转动，带动插在其上的曲柄做圆周运动。在机器人二级考试实操中，除石油开采机外，挖掘机、稻草人、缝纫机也都用40齿正齿轮实现曲柄的圆周运动。
用40齿正齿轮实现曲柄的圆周运动
2、双锥面齿轮（双面斜齿轮）
双锥面齿轮的齿是梯形的，它又叫双面斜齿轮，双锥面齿轮既可以与正齿轮一样，实现平行轴之间传送动力，又可以在垂直轴之间传送动力，可以满足更复杂的机械结构设计场景。
下图是青少年机器人技术等级考试实操中，常用的3种双锥面齿轮，从左至右，依次为：12齿、20齿、36齿。
12齿、20齿、36齿双锥面齿轮
（1）下图为双锥面齿轮之间的垂直轴方式传动，改变了动力的传递方向。
双锥面齿轮垂直轴方式传递动力
（2）下图为旋转的杯子模型，与正齿轮一样，双锥面齿轮之间也可以进行平行轴方式传递动力。但因其轮齿比正齿轮宽，因此传递的扭矩比同等规格的正齿轮更大。
双锥面齿轮之间进行平行轴方式传递动力
3、单锥面齿轮（单面斜齿轮、锥形齿轮）
单锥面齿轮，又叫斜齿轮、锥形齿轮，多为米色，其外形是一个锥形，只能垂直传动，而不能其它任何角度啮合。在青少年机器人技术等级考试中，常用的单锥面齿轮有2种不同齿数，分别是：12齿、20齿。
12齿、20齿单锥面齿轮
（1）尺蠖模型里，12齿与20齿单锥面齿轮之间的垂直啮合，将电机的传动力改变为横向传动。
12齿与20齿单锥面齿轮垂直啮合
（2）石油开采机中，12齿单锥面齿轮与20齿双锥面齿轮之间的垂直啮合。
12齿单锥面齿轮与20齿双锥面齿轮垂直啮合
4、蜗轮
蜗轮是螺旋形的齿轮，涡轮并不能单独使用，常与蜗杆（十字轴）组成涡轮蜗杆齿轮机构。
因为蜗轮只有一个齿，所以它和任意齿数的齿轮啮合，都是一个降速装置，但动力也相应增加，所以常用在在对动力有一定要求，但又低速运动的模型中。
涡轮与蜗杆
下图是六足机器人模型，涡轮与其下马的24齿正齿轮正交传动，那么你能算出来它们之间的速度比和传动力比吗？
因为蜗轮是1齿的齿轮，且两者正交传动，所以蜗轮和24齿正齿轮之间的速度比为1：24，传动力比为24：1。这么来看，涡轮蜗杆机构和六足步行机器人简直是再完美不过的搭配了。机器人（二级）仿生六足步行机器人搭建及三角步态模拟（11）
涡轮蜗杆机构还有一个特别之处，虽然蜗杆可以带动涡轮转动，但涡轮却无法带动蜗杆转动，所以其下方的24齿正齿轮不能反过来带动涡轮蜗杆机构，这个功能叫自锁，也是很有用的。
涡轮蜗杆机构在六足步行机器人上的运用
5、齿条
齿条是呈直线的齿轮，可以把直齿轮旋转运动转换成直线运动，齿条直线移动距离与正齿轮的齿数成正比，且齿数越少，传递给齿条的功率就越大。齿条经常被用在转向控制机构、吊车伸缩吊臂机构中。
（1）下图是我之前搭建的一款小米起重机，吊臂上的齿条在齿轮的带动下前后移动，带动吊臂伸缩。
小米起重机吊臂上的齿条装置
（2）下图是小米起重机上装配的转向控制机构，其齿轮带动齿条左右移动，从而带动前轮同步左右转向。
小米起重机转向机构中的齿条装置
6、冠状齿轮
冠状齿轮有24个突出的尖角齿，浅灰色为主，它可以与直齿轮配合，进行垂直动力传动。
冠状齿轮与单锥面齿轮功能一样，但其出现更早，随着单锥面齿轮的出现，冠状齿轮用的就少了。
我买的这套器材里，也不含冠状齿轮。不过青少年机器人技术等级考试的教材中，却介绍使用了冠状齿轮，为了让孩子更容易理解和区分，我单独在网上买了几个冠状齿轮。下图是使用冠状齿轮和正齿轮搭建的垂直轴动力转递模型。
24齿冠状齿轮（冠齿轮）
7、离合齿轮
离合齿轮的中心轴孔在扭矩达到其极限值时就会打滑，因此能够在出现意外的时候，保护马达、机械机构等不被损坏。什么场景下会遇到这种意外？
比如小齿轮带动大齿轮的时候，传动力变大，扭矩增加，如果机构出现故障卡死，齿轮还在强行转动，必然会损坏装置，严重的会烧毁马达。如果在关键部位安装一个离合齿轮，就可以避免这种情况发生。
如下图所示，积木里的离合齿轮是一个白色的24齿正齿轮，灰色轴孔的扭矩小，黑色轴孔的扭矩大。内部孔轴上橡胶的摩擦力会限制其最大扭矩，一旦扭矩超过其极限值，离合结构就会打滑，齿轮停止转动。积木中常见的离合齿轮扭矩一般在2.5-5Ncm之间，Ncm是指扭矩单位：牛顿厘米。
扭矩极限值不同的两个离合齿轮
8、差速器
差速器与3个12齿单锥面齿轮组合而成的差速装置，可以使两端产生不同的转速，主要用在同轴方式搭建的小车模型上。
如下图所示，向前直线行驶的时候，两端阻力相等，差速器外壳与轴一起转动，壳内的三个单锥面齿轮仅是随壳公转，自己并不转动，两端转速相等。
如果拐弯的时候，内侧一端阻力增加，两端半轴受力不均衡，差速器壳内中间的那个锥面齿轮受到挤压则会自行转动，降低内侧一段轴的速度，形成差速，也就是外侧转速更快，转向就变得更加顺利。
简单的差速器模型
9、转盘
转盘是一个可以承受一定负载的可旋转零件，常用来搭建比如转向机构、差速器、行星齿轮机构、起重机底盘机构等。
转盘有大转盘和小转盘之分，大转盘外齿圈有56个齿，内齿圈有24个齿；小转盘则迷你很多，外齿圈有28个齿。下图是一个大转盘，内齿圈已经嵌入了一个24齿的正齿轮，正齿轮插入了一根十字轴。
内圈嵌入了正齿轮的转盘
在旋转的杯子搭建实操中，我们用了转盘搭建了行星齿轮机构。机器人（二级）梦幻旋转杯搭建与行星齿轮（6）
行星齿轮机构
10、空心齿轮
之前我们介绍的齿轮，其圆心的孔都是十字孔，用来插入十字轴，这样齿轮的转动可以带动十字轴的转动，而轴的转动也可以带动齿轮的转动。而空心齿轮则不同，其圆心是中空的孔，所以它并不能和轴互相传递动力，它的用途也很简单，仅作为齿轮转动的中转。
空心齿轮
11、履带齿轮
履带齿轮分为6齿、12齿两种，其齿面宽大，在积木模型搭建中，专门用来带动履带运转。
下图是挖掘机模型的履带装置，黑色12齿大履带齿轮作为驱动轮，两个灰色6齿小履带齿轮分别作为支重轮、导向轮。
挖掘机模型中的大、小履带齿轮
12、变速齿轮与变速箱
变速齿轮是用在车辆变速箱装置上的，装配一个变速箱需要拨片、动力环及相关轴套、变速齿轮等零件。
下图是变速箱所需配件：
（1）红色的拨片与动力环配合使用，让动力环与变速齿轮分开或锁合。
（2）灰色的动力环及白色轴套，目前有2单位与3单位两种，其中3单位是新款。
（3）红色的变速齿轮，1个动力环可以在两端安装2个变速齿轮。
拨片、变速齿轮、动力环及轴套
下面我们搭建一个最简单的变速箱，并给A变速齿轮搭配16齿从动齿轮；给B变速齿轮搭配36齿从动齿轮。这样可以分别传递不同的扭矩，得到不同的转速，达到变速的效果。
（1）下图为变速箱的分离状态，即A、B两个变速齿轮均与动力环分离。动力环不会带动任何一个变速齿轮转动。
变速箱的分离状态
（2）下图为变速箱的锁合状态，即动力环与A变速齿轮锁合在一起，动力环可以带动A变速齿轮转动，A变速齿轮则带动16齿从动齿轮转动。
如果要加速（减少扭矩），就通过拨片将动力环移动锁合到A变速齿轮，可带动16齿从动轮转动。如果要减速（增加扭矩），就通过拨片将动力环移动锁合到B变速齿轮，可带动36齿从动轮转动。变速箱的锁合状态
根据上面的例子，我们可以看到，变速箱存在两个状态：
（1）分离状态。动力环居中，两端变速齿轮均与动力环分离，变速齿轮不会跟随动力环转动，动力环随轴同角速度转动。此状态下无动力输出。
（2）锁合状态。动力环平移到其中一端，该端的变速齿轮与动力环锁合，该变速齿轮被带动，向外输出动力。
变速箱的原理并不复杂，我们给不同的变速齿轮搭配不同齿数的从动齿轮，使用拨片移动动力环的位置，选择锁合不同端的变速齿轮，从而带动不同齿数的从动齿轮，达到加速（减少扭矩）或减速（增加扭矩）的效果。
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齿轮传动的原理很早就被我们人类发现并运用在生活中，亚里士多德的《机械问题》中就介绍了用青铜、铸铁齿轮传递旋转运动的问题。而在我国东汉初年就有使用齿轮的记载了，北宋时期制造的水运仪象台，已经运用了非常复杂且成熟的齿轮系统。而在青少年机器人技术等级实操考试中，齿轮更像是一个作品的灵魂，只有对不同齿轮的特点、用途理解清楚，才能更好的完成作品的搭建。
本篇文章介绍了常用的齿轮分类及使用场景，也介绍了与齿轮相关的变速箱，差速器等装置。至此，我们已经在前后5篇文章里，分别介绍了孔臂、十字轴、销、连接器、齿轮这五大类零件，希望可以帮到学习机器人搭建的孩子和家长。
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