【转帖】差速器原理及乐高指南车搭建-LEGO系列-乐乐镇的故事

【转帖】差速器原理及乐高指南车搭建科技系列

无聊东风 2012-4-13 53338

乐高指南车视频

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差速器原理讲座（英文，在后半部非常经典）

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使用齿轮和减速器结构就能实现指南车的功能。差速器由①半轴齿轮、②行星齿轮、③行星轮架（差速器壳）等零件组成。轮子的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。当车辆直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在车辆转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加。差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。

例如把一粒豆子放进一个碗内，豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁，因为碗底是能量最低的位置（位能），它自动选择静止（动能最小）而不会不断运动。同样的道理，车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。

当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。

只要在差动输出轴上放一个指示方向的小人就能实现“指南”。但要设计好齿轮以及齿轮的半径之比（见图示），同时做车子的时候两轮直径要与轮距相等。

指南车发明的传说 关于指南车的发明，最早的记录还得从5000年前黄帝大战蚩尤的传说说起。据说黄帝和蚩尤作战三年，进行了72次交锋，都未能取得胜利。在一次大战中，蚩尤在眼看就要失败的时候，请来风伯雨师，呼风唤雨，给黄帝军队的进攻造成困难。黄帝也急忙请来天上一位名叫旱魃的女神，施展法术，制止了风雨，才使得军队得以继续前进。这时诡计多端的蚩尤又放出大雾，霎时四野弥漫，使黄帝的军队迷失前进的方向。黄帝十分着急，只好命令军队停止前进，原地不动。并马上召集大臣们商讨对策。应龙、常先、大鸿、力牧等大臣都到齐了，唯独不见风后。有人怀疑风后是不是被蚩尤杀害了。黄帝立即派人四下寻找，可是找了很长时间，仍不见风后的踪影，黄帝只好亲自去找。当黄帝来到战场上时，只见风后独自一人在战车上睡觉。黄帝生气地说：“什么时候，你怎么在这里睡觉？”风后慢腾腾地坐起来说：“我哪里是在睡觉，我是正在想办法。”接着，他用手向天上一指，对黄帝说：“你看，为什么天上的北斗星，斗转而柄不转呢?我们能不能根据北斗星的原理，制造一种会指方向的东西，有了这种东西就不怕迷失方向了。”黄帝把风后的这个想法告诉众臣，大家议论了一番，都认为这是一个好办法。然后，就由风后设计，大家动手制作。经过几天几夜奋战，终于造出了一个能指引方向的仪器。风后把它安装在一辆战车上，车上安装了一个假人，伸手指着南方。然后告诉所有的军队，打仗时一旦被大雾迷住，只要一看指南车上的假人指着什么方向，马上就可辨认出东南西北。 指南车的详细记载 不过其后又有历史典籍显示三国时马钧是第一个成功地制造指南车的人。《宋史·舆服志》则详细地记载了燕肃和吴德仁所造指南车的结构和技术规范，成为世界史上最宝贵的工程学文献。燕肃的指南车是一辆双轮独辕车，车上立一木人，伸臂指南。车中，除两个沿地面滚动的足轮(即车轮)外，尚有大小不同的7个齿轮。《宋史·舆服志》分别记载了这些齿轮的直径或圆周以及其中一些齿轮的齿距与齿数。由齿数、转动数，并保证木人指南的目的，可见古人掌握了关于齿轮匹配的力学知识和控制齿轮离合的方法。车轮转动，带动附于其上的垂直齿轮 (称“附轮”或“附立足子轮”) ，该附轮又使与其啮合的小平轮转动，小平轮带动中心大平轮。指南木人的立轴就装在大平轮中心。当车转弯时，只要操作车上离合装置，即竹绳、滑轮(分别居于车左或车右的小轮) 和铁坠子，就可以控制大平轮的转动，从而使木人指向不变，例如，当车向右转弯，则其前辕向右，后辕必向左。此时只要将绕过滑轮的后辕端绳索提起，使左小平轮下落，从而与大平轮离开；同时使右小平轮上升，从而与大平轮啮合，大平轮就随右小平轮而逆转。由于各个齿轮匹配合理，车轮转向的弧度与大平轮逆转弧度相同，故木人指向不变。其后，吴德仁鉴于燕肃所制的指南车不能转大弯，否则指向就失灵这一大缺点，重新设计制作指南车。吴德仁指南车基本原理与燕肃一致，只是在附设装置方面较为复杂。他的车分上下两层。上层除木人指南外，绕木人还有二只龟、四只鹤和四个童子。上层13个相互啮合的齿轮就是为它们设的。下层的齿轮装置与结构如前所述，是他发明了绳轮离合装置，以保证车转大弯也不影响木人指向。李约瑟博士在对指南车的差动齿轮作详细研究后指出：无论如何，指南车是人类历史上第一架有共协稳定的机械(homoeostatic machine) ；当驾车人与车辆成一整体看待时，它就是第一部摹控机械。指南车是我国古代的文化瑰宝之一，是中国古代科技成果的杰出代表。但是，从宋代以后，指南车就失传了。而指南针迅速推广，造成明清两代人们普遍将指南车与指南针混为一谈，形成了一场为时达数百年之久的误传。实际上，指南针是利用磁铁的指极性，而指南车是利用机械装置实现定向性的，两者的原理和构造完全不同。 采用差动齿轮原理的指南车基本参数有： 1、齿轮的啮合齿数比 2、两个车轮的间距和横轴K的距离的比例 3、齿轮以及齿轮的半径之比在实际应用过程中，除了上述的关键设计参数之外，各个元件之几何尺寸的制造与组装公差必须掌握的极其精确，尤其是一些关键尺寸必须对于车体中心高度对称。试想横轴Ｋ与车轴之间的距离相差千分之一的话，仅仅是此部分的误差就会造成车每自转或公转一圈就会使指标产生０.３６度的偏向；因此只要旋转十几周就会有５度以上的差距，此时以肉眼可明显辨别，根本不用任何精密仪器。另外，在运动时指南车的车轮若发生打滑现象，则会严重影响指标的指向。所谓的打滑就是指当车轮在行进时，车轮中心之线性位移量与车轮角位移量及车轮半径之乘积不相等的现象。此种现象发生在车的行进过程中，发生的程度很小而很难以肉眼察觉到，但在本设计中微小的打滑现象已经严重影响了指标的指向。为了避免此种现象的发生，可以考虑用高摩擦系数的材料做车轮，以增加车的摩擦，尽量减小误差。此外，由于车的自重，可能使车轮有着微小的变形，虽然对指标的影响不大，但是由于累计误差最后严重干扰指标的指向，所以我们建议用高强度材料来做车轮，以减小此类误差。

最新回复 (120)

楚沐猴 2012-4-13

2楼

真是很用心的帖子，楼主辛苦
拒绝融化の冰 2012-4-13

3楼

又学到了;) 。
黑手兔子 2012-4-13

4楼

又见科普专栏啊 :D
小毛 2012-4-13

5楼

有知识有历史有文化-----难得的好帖。赞！！！
nightlamp 2012-4-13

6楼

谢谢楼主的用心 :sweet_kis
Aster 2012-4-13

7楼

好贴，讲的很详细，受教。
ILEGO 2012-4-13

8楼

学习。未听过那个原理。又学到嘢了。
含笑饮毒酒 2012-4-13

9楼

学习了。
ericqqaazz 2012-4-14

10楼

:D 真有意思啊. 原来左右轮要差2格齿的, 学习了
dargen1949 2012-4-14

11楼

虽然还没入科技，但是真大开眼界，不观斯贴不知科技之深:burn:
拒绝融化的冰 2012-4-14

12楼

强啊:super: :super: :super:
zjwanglin 2012-4-14

13楼

非常感谢，马上到youtube上查找 liounet 在 2011-11-05上传 480P的FLV下载下来，也只有3.57MB :d
另外还有几个乐高有关的视频，下载 :p

原来是非常有名的：我是齒輪達人
[url]http://etoe.mlc.edu.tw/materialf/10042/index.html
在文章、链接，还有教学活动设计，基本上都是针对小学年级的，台湾友人真是走在前列
我们可以在此基础上再探索！[/SIZE][/COLOR]