齿轮，可以说是乐高机械组的灵魂，作为一个机械组玩家，非常有必要了解齿轮的一些基本信息，下面就针对乐高中各种齿轮零件及其相关支持做一个介绍。
本文的主要内容包括：
一、齿轮介绍
二、基本规则
三、齿轮种类
四、齿轮比
五、效率
六、齿隙
一、齿轮介绍
齿轮的作用是什么？一个常见的答案是：将驱动力从电机传输到最终的机械结构。回答的没错，但并不全面。齿轮的基本目的是以尽可能最好的方式改变电机的特性以适应我们的需求。传输驱动力实际上只是此过程的一个方面。
齿轮可以用于各种驱动力，无论是电动机、手动曲柄、风力涡轮机、磨轮等等。对于乐高积木来说，最常见的驱动力来自于电机，这是乐高机械组（Technic）最常见的方式。
对于给定的电机，都有其特定的机械功率。不同的电机功率不尽相同。电机的机械功率由两个因素决定：转速和扭矩（点击查看乐高不同电机功率介绍）。这是我们可以使用齿轮进行传输的两个属性。
转速就是电机在给定时间内产生的驱动轴的转数。转速越高，我们得到的旋转就越多。在力学中，通常用 RPM 作为单位，即每分钟转数（Rotations Per Minute）。1 RPM 意味着电机驱动轴每分钟转一圈——当然这个速度非常慢。大多数乐高电机的转速都超过 100 RPM。
扭矩是驱动轴旋转的力度。扭矩越高，想要阻止驱动轴转动就越困难。因此，提供高扭矩的电机通常比其他电机更受欢迎，因为与低扭矩电机相比，它们可以驱动更重的车辆或更复杂的机构。扭矩以 N.cm 为单位测量，我们需要知道的是 N.cm 越大，电机的扭矩越强。
对于给定的电机，其扭矩是恒定的——它不能在不改变电机结构的情况下改变。而电机的转速则取决于电机的供电电压。电压越高，速度越高，因此可以通过改变电源电压来增加电机的转速，进而提升其机械功率。乐高电机的官方标准是9V电压，相当于六节AA电池的电压。另外乐高还有可充电电池提供 7.4V的电压。那么根据上述理论，乐高充电电池供电的电机的机械功率将低于由6节 AA 电池供电的电机，但在实际情况中，由于AA电池的电压随着使用时长会逐渐降低，而乐高充电电池的电压基本维持不变，因此实际情况可能会与理论计算有些差别。有时我们会利用12V的电压来驱动乐高电机，以产生更高的机械功率，但需要注意的是乐高电机的设计电压为9V，而不是12V，这可能会对电机造成致命的损坏。在本文档中，我们假设所有电机都以相同的电压运行，无论是 9V 还是更低。您可以找到对特定乐高电机性能的详尽描述 需要注意的是，它们是为 9V 而不是 12V 设计的，这可能会对电机造成致命的损坏。
我们如何利用电机的速度和扭矩？这要根据不同的情况来决定。对于跑车模型——通常希望它既轻便又快速，这就意味着我们希望得到较高的速度，但不需要很大的扭矩。在使用齿轮时，我们就可以将扭矩转化为速度。这里需要提到两个简单有用的规则：
– 如果用一个小齿轮驱动一个大齿轮，会增加扭矩但降低速度（我们称之为齿轮减速） – 如果用一个大齿轮驱动一个小齿轮，会增加速度但降低扭矩（我们称之为齿轮加速 ）
根据上述规则，就可以根据我们的需求来配置齿轮。其基本规律是：速度和扭矩成反比。这就是说，降低一倍的速度，就可以加大一倍的扭矩。
现在我们知道齿轮的作用了，下面我们来介绍一些基本理论。
二、基本规则
当有不少于两个齿轮啮合时，每个齿轮都设置在一个单独的轴上。最靠近电机的齿轮称为驱动齿轮。从中获得驱动力的齿轮称为从动齿轮。在下图中，驱动齿轮和从动齿轮分别标记为绿色和红色。
几乎每个机构都有其驱动齿轮和从动齿轮。你只需要记住，驱动齿轮是驱动力来自的齿轮，而从动齿轮是驱动力被转移到的那个齿轮。
在上图中，我们将带有驱动齿轮（绿色）的轴称为输入轴，将带有从动齿轮（红色）的轴称为输出轴。大多数机构通常只有一个输入轴（因为很难用一个电机驱动多个输入轴），但可能有多个输出轴。常见的差速器是单输入/多输出的一个很好的例子：
如果有多个齿轮一一啮合，那么只有第一个是驱动齿轮，只有最后一个是从动齿轮。中间的所有齿轮都称为空转齿轮。它们的存在不会影响扭矩和速度的转换方式：只有驱动器和从动齿轮决定了这一点。
在上图中，大的灰色齿轮在一侧与驱动齿轮啮合，在另一侧与从动齿轮啮合。这是典型的空转齿轮形式：同时与许多齿轮啮合。空转齿轮通常同时与两个齿轮啮合，而主动齿轮和从动齿轮只啮合一个。这是识别空转齿轮的简单方法，但也有例外。
上图显示了两组齿轮。左组包含一个驱动齿轮、一个从动齿轮和中间的两个齿轮，每个齿轮只与一个齿轮啮合。这两个齿轮设置在同一轴上，这意味着它们可以是空转齿轮（如果它们是分开的轴，则肯定不是），并且它们的尺寸相同，这意味着它们肯定是空转齿轮。这是因为设置在同一轴上的许多相同尺寸的齿轮总是像一个齿轮一样工作——无论是 2 个齿轮还是 200 个齿轮。如果它们在同一轴上但具有不同的尺寸时，则它们不是空转齿轮。这是因为它们的尺寸差异会影响驱动齿轮和从动齿轮之间的扭矩和速度转换方式。更准确地说，齿轮的大小会影响它传递的扭矩——我们看到齿轮共享同一个轴，所以它们的速度肯定相等，但它们的大小明显不同。
考虑到这种分类，我们现在可以准确了解乐高齿轮的类型。
三、齿轮种类
乐高在 Technic 系列中发布了大量各种类型的齿轮。以下是常见的一些齿轮：
上图中，有 13 种经典的圆形齿轮，还有一种特殊齿轮称为蜗轮，或者叫蜗杆齿轮。此外，圆形齿轮可分为两类：方形齿的规则齿轮和圆形齿的锥齿轮。实际上，第一组的任何齿轮都可以与第二组的任何齿轮一起使用。锥齿轮的独特属性是它们可以平行和垂直方式啮合。由于它们的尺寸，它们与连杆（Liftarm）一起使用也更方便。但是，它们不适合与乐高链条一起使用。
让我们对上面的齿轮做一个简单介绍：
8 齿齿轮——目前最小的齿轮，也是非常脆弱的齿轮。不适合高扭矩，但比较适合用于减速功能。
12 齿齿轮 （单锥齿轮） ——目前最小的锥齿轮。它对于减速或加速并不是真正有用，但对于差速机构是不可替代的，并且当需要在有限空间内以垂直方式传输驱动时非常受欢迎。在高扭矩下很容易损坏，这导致在某些卡车中完全没有差速器。
12 齿齿轮（双锥齿轮） ——目前最小的双锥齿轮。它比单锥齿轮坚固得多，最常与 20 齿双锥齿轮一起使用。
14齿齿轮——12齿单锥齿轮的前身。这是第一个专为差速机构设计的齿轮，但事实证明它非常脆弱，后来被 12 齿版本所取代。它不再用于官方乐高模型中，并且不受建造者的欢迎。
16 齿齿轮（普通齿轮） ——相当坚固且有用的齿轮。这是可以用乐高链条操作的最小的齿轮，并且由于其方便的尺寸而广受欢迎。
16 齿齿轮（带离合器） – 几乎只有深灰色，专为变速箱设计的齿轮。它比普通版本弱，并且不能很好地与乐高链条配合使用（由于牙齿较短，有打滑的倾向）。相反，它具有独特的通过传动驱动环啮合或脱离的能力。没有环，它在轴上保持松动，但它可以与旧式半轴套（带齿的轴套）啮合，从而固定在轴上。
20 齿齿轮（单锥齿轮） – 12 齿单锥齿轮的加大版本。由于其纤薄的结构使其在高扭矩下容易折断，因此很少见且不太受欢迎。通常与12齿双锥齿轮或20齿双锥齿轮啮合。
20 齿齿轮（双锥齿轮） ——非常受欢迎、坚固且可靠的齿轮。最常与 12 齿锥齿轮一起使用，但也可用于不同的设置。
24 齿齿轮（普通齿轮） ——另一种流行、坚固且可靠的齿轮。该装备至少有三种不同的变体，最新的是最强的。有史以来最有用的齿轮之一。
24齿齿轮（带离合器）– 24 齿齿轮的特定版本，与带离合器的 16 齿齿轮无关。它的中间总是白色和深灰色，如果施加足够高的扭矩，它具有独特的能力，可以在车轴周围无害地滑动。它使它成为一种非常有用且备受追捧的装备。大多数情况下，它用于端到端应用，即电机只能运行到某个点的应用。这包括例如几乎所有的转向机构，其中车轮只能转动有限的角度。在这种类型的机构中，当到达终点时，该齿轮滑动，因此电机可以在机构停止时继续运行。另一个例子是带有电动绞盘（例如 8297）的官方乐高套装中的绞盘，该齿轮用于确保在到达绞盘绳末端时不会损坏电机。请注意，此齿轮在非常特定的扭矩下打滑 – 在大多数情况下，您希望它仅在极高扭矩下打滑（例如，确保转向机构在到达终点时停止转动，而不是在车轮遇到障碍物）。这可以通过在驱动器齿轮之后使用这个齿轮来实现：
24 齿齿轮（带冠） ——一个非常古老的设计，是普通齿轮中第一个可以垂直啮合的齿轮。锥齿轮的到来使它成为目前最不受欢迎的齿轮之一；它很弱，使用起来不方便。尽管如此，由于其不寻常的形状，它有时还是很有用的。
蜗轮——具有许多独特属性的齿轮。首先，它只能用作驱动齿轮，不能用作从动齿轮。它对于需要举起某物并保持举起的状态非常有用；在这种情况下，蜗轮就像一把锁，可以保持提升状态而不至于被负载施加的反作用力驱动。蜗轮的这种特性有很多可能的应用，例如许多类型的起重机或叉车、铁路护栏、吊桥、绞车，以及几乎所有需要在电机停止后保持稳定的结构。
其次，蜗轮对于减速非常有效。理论上 8 齿齿轮的效率是 8 倍，因为蜗轮每转一圈，从动齿轮只旋转一个齿。因此，只要需要非常高的扭矩或低速并且使用空间很小，就可以使用蜗轮进行减速。
最后，当蜗轮旋转时，它有推压从动齿轮并沿其自身轴滑动的趋势。通常这种趋势必须通过蜗轮周围的坚固外壳来阻止，但有某些机制使用它来将蜗轮从一个地方移动到另一个地方，例如气动自动阀或自动交通系统。
蜗轮可与所有列出的齿轮一起使用。最常见的用途是将其与 24 齿齿轮啮合：
但它可以很容易地与任何其他设备一起使用。您可以在此处看到一些带有从动齿轮封闭在坚固外壳内的蜗轮示例。通过适当的间距，它也可以与锥齿轮一起使用：
在上图中，使用了两个 12 齿双锥齿轮。但它可以只是一个双锥齿轮，也可以是两个单锥齿轮，甚至是一个单锥齿轮。甚至可以使用蜗轮来驱动齿条，这可能会产生例如非常紧凑的悬臂延伸机构：
36 齿齿轮（双锥齿轮） ——目前生产的最大锥齿轮，也是唯一没有单锥齿轮的齿轮。一种方便且令人惊讶的强大装备，但很少见。通常为黑色。
40 齿齿轮（普通齿轮） ——目前生产的最大的普通齿轮。由于其巨大的尺寸而很少使用，但有时确实很有用。
四、齿轮比
齿轮比是指两个相互啮合的齿轮之间的齿数关系，其传动比很简单：
从动轮齿数：从动轮齿数
由于每个齿轮的齿之间的间距相等，因此计算齿数是计算齿轮周长的简单方法。齿轮比基本上是齿轮周长之间的关系。
我们需要齿轮比做什么？基本上可以轻松计算机构的最终速度及其提供的扭矩。考虑一个 8 齿驱动齿轮和 24 齿从动齿轮。我们从第 1 部分知道这是减速结构：我们获得了一些扭矩，但我们失去了一些速度。齿轮比为 24:8，等于 3:1。请注意，以 1 结尾的方式计算比率是一种常见的做法。为什么？因为从 3:1 的比例我们可以很容易地看出这意味着转速降低了三倍，这意味着驱动齿轮/输入轴每转三圈，其从动齿轮/输出轴的转动一圈。由于速度与扭矩成反比，因此此时扭矩增加了三倍。
反之：如果我们有一个 20 齿的驱动齿轮和 12 齿的从动齿轮。齿轮比为 12:20，等于 0.6:1。这意味我们获得了 40% 的速度，但我们失去了 40% 的扭矩。
如果我们有 1:1 的齿轮比，则速度和扭矩保持不变。
我们已经可以计算出两个啮合齿轮的齿轮比，但是如果机构中有更多的齿轮呢？在这种情况下，我们忽略所有空转齿轮并计算所有驱动器/从动齿轮对的比率。然后，为了得到整个机构的最终传动比，我们只需将这些传动比相乘即可。
现在我们可以计算齿轮比，让我们回到第 2 节中惰轮和非惰轮的例子：
上图左侧的齿轮组，它由两对齿轮组成：8齿驱动齿轮和16齿从动齿轮，16齿驱动齿轮和20齿从动齿轮（假设我们还不知道这组中是否有空转齿轮；我们分别计算每对齿轮的比率）。第一对比例为2:1，第二对比例为1.25:1。如果我们将这些相乘，我们得到的最终比率等于 2.5:1。2.5:1 等于 20:8 – 这只是第一档和最后一档的比率。如您所见，空转齿轮根本没有改变传动比，这就是我们可以忽略它们的原因。
上图右侧的齿轮组 ，它由另外两对齿轮组成：8齿主动齿轮和16齿从动齿轮，24齿主动齿轮和20齿从动齿轮。第一对的比例还是 2:1，但第二对的比例是 0.833:1。如果我们将这些相乘，我们得到的最终比率等于 1.66:1 – 这不等于 2.5:1（仅第一档和最后一档的比率）。其中间的齿轮不是空转齿轮 ，它影响了整个齿轮组的最终传动比，其不能被忽视。
对于蜗杆齿轮，我们如何计算比率？计算方法更加简单：
从动轮齿数：1
这是因为正如前面提到的，蜗轮旋转一圈，从动齿轮旋转一个齿。因此，使 24 齿齿轮旋转一次需要蜗轮旋转 24 圈，因此我们得到的比率为 24:1。
您可以使用专用计算器来计算乐高机械装置的比率。
五、效率
现在需要研究一点点理论知识。我们使用的每个齿轮都有一定的重量并会产生一些摩擦，如果我们想让齿轮旋转，就必须克服这些摩擦。因此，我们机构中的每个齿轮都会消耗部分驱动电机的动力，齿轮的效率告诉我们传递了多少动力以及损失了多少动力。不幸的是，计算每个齿轮单独的效率极其困难，目前为止没有针对乐高齿轮效率的可靠的计算方法。但我们能够了解效率是如何损失的，并得到获得更高效率的两条基本原则：
– 齿轮越少越好
– 齿轮越小越好
完全克服效率损失是存在理论上的可能。在实际中，只要有齿轮，就会有损失。
前面的章节我们指导可以利用齿轮来提高速度。例如你可以借助 1:6 的齿轮比，讲理论速度提高6倍。但是，由于效率损耗，最终速度和扭矩的乘积将小于电机原始速度和扭矩的乘积。效率损耗总是伴随着齿轮使用，如果你想改变电机的速度和扭矩，必然会伴随着一些效率损耗。
在两种情况下，传动效率是至关重要的。其一是由动力输送环构成的变速箱。这种变速箱由一系列带咬合扣的16齿齿轮组成，当所有这些齿轮都被驱动时，只有一部分是在传输真正的动力。这意味着其中有一部分齿轮——当变速箱超过4档时则是大部分齿轮——都在做无用功。它们被称作“僵尸齿轮”，甚至比空转齿轮都不如，因为空转齿轮至少在需要将动力从一处传输至另一处时起作用，而“僵尸齿轮”则完全用不着。而且在变速箱钟它们还必须存在，因为每个档位都需要用到一套齿轮。这意味着一个特定齿轮可以在1档、2档和3档中作为僵尸齿轮，但在4档中作为传输动力的齿轮存在。所以一个带有很多僵尸齿轮的变速箱总是在低档位时表现更出色，因为低档位时使用更多降速系统——这使驱动马达只需要使用一小部分动力来满足主要任务（驱动），而可以有充足的动力来驱动这些僵尸齿轮。
第二种情况是带蜗杆装置，此前提到过，由于蜗杆装置可以提供很高的降速比而收到欢迎。但这也是传动效率最差的齿轮——有人预测由于摩擦阻力和沿轴滑动的可能性，蜗杆至少会消耗1/3的电机动力（摩擦阻力也是蜗杆不能作为从动齿轮的重要原因）。如果在大扭矩下长时间工作，摩擦力甚至达到足以让蜗杆发热的程度。在某些场合下，蜗杆是不可替代的，但通常也只会在不得不用的时候才选择它们。
六、齿隙
齿轮的齿隙通常是一个复杂的因素（详情可百度〉。针对乐高结构我们可以简单的假设齿隙就是啮合的两个齿轮间的空隙。完美的情况是没有空隙，两个齿轮完全紧密啮合。但不幸的是这个情况对于标准齿轮来说很难达到（螺旋齿则更加容易实现这点，不过乐高机械组目前还没有这种齿轮），所以乐高齿轮间通常会产生齿隙。对于齿隙的规则如下：
标准齿轮间产生的齿隙比锥齿轮更大。 齿轮越小齿隙越大。 齿隙是任意两个啮合齿轮之间的空隙累计。
所以你能轻松猜到，在产生齿隙方面，8齿齿轮绝对是个“危险人物”，而在所有标准齿轮中，40齿齿轮产生的齿隙最少。在锥齿轮之间，（齿隙的）差距比标准齿要来的小， 这是由于它们特别的设计，相比之下，“恐怖”的标准8齿间产生的齿隙要锥齿轮大好几倍。 如前文中提到的，齿隙是啮合的两个齿轮接触齿的空隙总和，所以说将标准齿和锥齿轮组合是个好主意一一齿隙会相应减少。
那蜗杆的情况又如何呢？蜗杆证明它是没有齿隙的。但这并不意味带蜗杆的齿轮系统就没有齿隙，因为从动齿轮还是有齿隙的（即蜗杆系统的齿隙是由从动齿决定的）。 所以一个带16齿从动齿轮的蜗杆系统的齿隙肯定要大于带24齿从动齿轮的系统。而通常我们都建议用斜面齿与蜗杆配合，因为它们的齿隙相对较小。
为什么齿隙是一件坏事呢？以一个带大轮子的、用27:1传动比降速后的马达驱动的转向系统为例一一这意味着这儿使用了3对8齿传动+24齿从动的齿轮组。3个8齿总共产生了巨大的齿隙，这不仅会降低传动的准确性，而且会使转向轮产生一定的自由空间，所以在遇到障碍时，轮子会滑动一定的角度。
通常来说，齿隙对于车辆而言并不是一个真正的问题（除非齿隙非常大），但如果我们需要准确度，齿隙就是一个麻烦。最好的避免方法是用气动装置取代齿轮，或使用线性驱动器（linear actuators），这是由乐高产的齿隙最小的装置。
参考 http://sariel.pl/2009/09/gears-tutorial/