（1）臂/梁的分类与详解

一、什么是孔臂/梁？

孔臂，也叫科技梁，是机器人等级考试实操搭建中非常重要的材料，主要用于结构搭建，所有实操模型都是使用不同类型的孔臂进行连接，搭建出稳定、坚固的框架结构。

二、孔臂/梁的分类

孔臂/梁的作用和钢结构建筑里各式各样的型材是一样的，有多种样式，常见的有直线型厚孔臂、拐弯孔臂、L形厚孔臂、T型孔臂、孔臂圈等几大类。另外根据厚薄程度，还有薄孔臂；根据是否带轴栓，还有带轴栓孔臂。下面我们就逐一介绍其特征，以及应用场景。

1、直线型厚孔臂

直线型厚孔臂是一根两头为半圆形的直梁，又叫孔梁、科技梁、带孔臂、厚连杆、直梁。（说明：孔臂名字的叫法非常多，我尽量把我知道的都罗列出来，避免大家在其他不同的课程、视频、资料或网店看到后对不上号，下面其他类型孔臂的介绍中，我也都会把所有的叫法尽量详细的列出来。）

乐高、小米的厚孔臂圆孔直径均为5mm，两个圆孔之间的中心距为8mm。下图是5单位厚孔臂示意图，5单位厚孔臂又可以叫5孔直梁、5孔梁、1×5科技梁、1×5带孔臂、5孔厚连杆。

厚孔臂是以孔的数量命名的，下图厚孔臂由上到下，依次为2孔、3孔、5孔、7孔、9孔、10孔、11孔、13孔、15孔。

厚孔臂在机器人搭建中起到哪些作用呢？在机器人实操模型中，厚孔臂起到类似结构梁的作用，主要用于模型的承重骨架，用来支撑模型。厚孔臂可搭建中小跨度结构，在同一平面的多根厚孔臂连接，可组成模型的面结构。厚孔臂如果水平放置，则承受竖向荷载和梁的自重，达到支撑模型的效果。厚孔臂在荷载作用中主要承受弯矩和剪力，有时也承受扭矩。

下图是之前搭建的实操之一的电动缝纫机模型，使用多根不同规格的厚孔臂搭建了缝纫机稳定牢固的机身、机头结构。想了解这篇文章可以点击这里：机器人（二级）电动缝纫机搭建与滑杆机构原理（10）

2、拐弯孔臂与双拐弯孔臂

拐弯孔臂带有127.5°钝角，常见的有4×4、4×6、3×7这三个型号，拐弯孔臂又叫弯梁、带孔弯臂、机械折臂。下图是4×6拐弯孔臂示意图。拐弯孔臂根据两边孔的数量命名，数量少的在前。

拐弯孔臂与双拐弯孔臂的比较：

（1）下图右边两个分别是4×6拐弯孔臂、4×4拐弯孔臂；

（2）下图左边那个最大个头的拐弯孔臂则形状比较特殊，其拥有135°的折角，所以它叫双拐弯孔臂，也叫双弯梁、11×5带孔弯臂、大弯梁。

在机器人实操模型中拐弯孔臂运用的也是非常广泛的，因为拐弯孔臂特殊的形状，可以使模型在整体结构造型上更加灵活多变。

下图是之前搭建的实操之一的电动挖掘机模型，使用拐弯孔臂来连接和固定挖掘机臂与机身。想了解这篇文章可以点击这里：机器人（二级）电动挖掘机搭建与平面连杆机构介绍（8）

而实操模型直升机中，双拐弯孔臂则实现了机身腹部结构的搭建，由于双拐弯孔臂两端的孔是轴栓孔，可以和轴配合，极大地增强机身的稳定性与牢固程度。想了解这篇文章可以点击这里：全国青少年机器人技术等级考试（二级）直升机搭建与原理（1）

3、 L形厚孔臂

L形厚孔臂，带有90°直角，所以也称直角梁，或角梁。L形厚孔臂根据两边孔的数量命名，数量少的在前。常见的L形厚孔臂有下面两款：

(1)下图左一为3×5L形厚孔臂，也叫3×5 角梁、2+5 L型厚连杆。

(2)下图右一为2×4L形厚孔臂，也叫2×4 角梁、1+4 L型厚连杆，又因为这个2×4L形厚孔臂带有轴栓孔，所以也叫L形带轴栓厚孔臂。

在机器人实操模型中，L形孔臂也是非常常见的材料，与拐弯孔臂功能类似，L型孔臂形状有助于模型在整体结构造型上更加灵活多变，也可以起到加固结构的作用。

下图是之前搭建的实操之一的电动稻草人模型，使用L形孔臂将稻草人的身体和底座牢牢的固定在一起。想了解这篇文章可以点击这里：机器人（二级）跳舞稻草人搭建实操（7）

4、T型孔臂

T型孔臂，又叫T形厚连杆，T形梁。T型孔臂的命名是因为其外形像大写的字母T。T型孔臂两侧挑出部分称为翼缘，中间部分称为梁肋，也叫腹板。下图为3x3T型孔臂。

T型结构相当于是将矩形结构中对抗弯强度不起作用的受拉区挖去后形成的，所以与原有矩形抗弯强度完全相同外，其既可以节约材料，又减轻构件的自重，提高了跨越能力。

下图是之前搭建的实操之一的电动梦幻旋转杯模型，使用T型孔臂将电机固定在机架之上。想了解这篇文章可以点击这里：机器人（二级）梦幻旋转杯搭建与行星齿轮（6）

5、孔臂圈

孔臂圈多为浅灰色，又称框架连杆、孔臂圈梁、方框梁，下图左一为正口型，右一为H型，均为常见的孔臂圈。

两个孔臂圈摞起来比较一下，中间部分是完全一样的，所以你也可以理解为H型是正口型的特殊型号。

孔臂圈是一种中、小跨度的面结构材料，在同一平面内由多根厚孔臂连接而成，可组成模型的面结构。而与厚孔臂不同的是，孔臂圈在四个方向均有孔，所以在机器人等级考试每一个实操搭建中，孔臂圈都会优先被选做最基本的结构材料，出现在各种模型的框架结构中。

下图是之前搭建的实操之一的后轮驱动小车模型，用两个孔臂圈连接起来搭建了小车的底盘平台，非常牢固。想了解这篇文章可以点击这里：机器人等级考试（二级）后轮驱动车搭建、参观军事博物馆（3）

6、带轴栓孔臂与薄孔臂

（1）下图均为带轴栓的孔臂。带孔栓的孔臂，可以用在牢固性比较高的连接处。

（2）图中、图右为薄孔臂，图左为厚孔臂，可以比较一下厚度看。薄孔臂比较少见，在机器人技术等级考试中应用比较少。

图中：3*5三角带轴栓薄孔臂

图右：1*3 带轴栓孔臂

图左：2×4L形厚孔臂

带轴栓的孔臂可以和轴进行非常牢固的连接，增强结构的稳定性与牢固程度。下图是之前搭建的实操之一的石油开采机模型，运用了多个带轴栓的孔臂来加固结构，避免机头在做上下反复采油的激烈运动时带来的对结构的破坏，想了解这篇文章可以点击这里：机器人技术等级考试（二级）石油开采机搭建与曲柄连杆运用（4）

这篇文章对孔臂/梁的每个分类都进行了详细的说明，介绍了每个不同类别的孔臂的特点以及应用场景，希望对学习机器人搭建的孩子有所帮助。

（2）十字轴的分类与详解

十字轴，因其横截面是十字形，故称十字轴，也叫十字棒。

十字轴是一种连接和传动的零部件，可以支撑转动部件（比如齿轮），并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩。十字轴因其圆柱形外观，以及十字形横截面，在积木搭建中，不但可穿在车轮轴心、齿轮孔心、电机轴心中，而且其十字形横截面可以保证与十字孔零件连接时可以同步转动，而不会打滑。

下图是青少年机器人技术等级考试一级、二级用到的十字轴，下面我就分类讲解一下。

1、限位十字轴（2号轴）

红色的2号十字轴是这一堆灰色、黑色轴里颜色最靓的仔，它是积木里最短的轴。因为2号轴较短，所以常常用来将两个连接器连接在一起，或者是连接连轴器、直角交换器等。

2号十字轴比较短小，所以插入十字孔后，再拔出比较困难，因此两端设计了缺口，是为了方便拔出。

2、单数十字轴（灰轴）

单数十字轴基本都是灰色的，故又叫灰轴，比如我们最常见的3号轴、5号轴、7号轴、9号轴，见下图。

应用场景：

（1）动力转动，轴在电机和齿轮的带动下，进行动力的传递，下图直升机模型中，前部电机的动力通过轴和齿轮的组合，一步步传递到直升机的尾翼。全国青少年机器人技术等级考试（二级）直升机搭建与原理（1）

另外，十字形横截面保证轴和电机连接后，可以被电机带动，从而同步转动，如下图：

（2）轴的圆柱形外观刚好可以和孔臂的孔吻合，方便和孔臂配合使用，可以在孔臂的孔里转动，比如车轮的轴。青少年机器人技术等级考试（二级）仿生机械尺蠖实操与原理（2）

（3）轴十字形横截面保证轴和连接器连接后，不会转动，起到固定的作用。机器人等级考试（二级）后轮驱动车搭建、参观军事博物馆（3）

3、双数十字轴（黑轴）

双数十字轴基本都是黑色的，故又叫黑轴，比如我们最常见的4号轴、6号轴、8号轴、10号轴、12号轴。上面介绍过的2号十字轴，属于比较特殊的双数轴，此外还有不常见的20号轴等。

黑轴的用途和灰轴没有区别，之所以按单双数分为不同颜色，主要是为了在使用过程中更容易区分不同的型号。

4、带截止十字轴（钉头轴）

带截止轴的一端有一个帽，这个帽跟插销一样，可以起到固定轴的作用，防止轴横向移动，因其形状像钉子，故又叫钉头轴。常见的有3号带截止轴、4号带截止轴、5号带截止轴、8号带截止轴。

5、凸点十字轴（可插入销孔）

介绍一个特别的3号带截止轴-凸点十字轴，其帽上带有空心凸点，插入销孔中后，凸点的摩擦力可以带动轴转动。

6、中间带截止十字轴

中间带截止轴是一个特殊的4号带截止轴，其中间一段是平滑无沟槽的设计，这个设计很有趣，可以防止穿在轴上的齿轮受力后产生横向移动。当然，我们常用轴套解决轴上齿轮的横向移动偏离问题，不过效果肯定不如中间截止轴好。

7、中间带堵头截止十字轴

中间带堵头截止轴是一个特殊的深灰色的5.5号中间带截止轴，其中间有一个堵头，堵头一端长4.5cm，另一端长1cm。中间堵头轴常用在车轮安装上，比如四驱车或挖掘机的车轮，可以防止车轮行驶中在轴上产生横向位置偏移。另外，也可以用在差速器设计上。

8、轴套与半轴套

轴套可以将轴固定在指定位置，功能和带截止轴的堵头类似，只是轴套更为灵活，但是没有带截止轴固定效果好。轴套是灰色的，还有一种半轴套，也叫1/2轴套，是黄色的。

套在十字轴上的轴套道和半轴套，和十字棒的十字横截面结合得非常好。

轴套还有一个特别的作用，就是作为滑轮和皮带轮使用，它的侧面有一条缝隙，可以用来穿过橡皮筋或细绳。下图挖掘机中半轴套作为皮带轮使用。机器人技术等级考试（二级）石油开采机搭建与曲柄连杆运用（4）

这篇文章则对十字轴的每个分类都进行了详细的说明，介绍了每个不同类别的十字轴的特点以及应用场景。

（3）销的分类与详解

今天介绍机器人等级考试实操中一个非常重要的零件——销，它是积木中的螺丝钉，不但可以把两个、或者三个零件连接起来，也可以作为转动的轴心，用途广泛。销的种类非常多，有摩擦销、光滑销、轴销，更有各种不同的单位，为了在搭建过程中更好地使用销，我们逐一介绍各种不同的销以及使用场景。

下图是常见的销，以及带销的连接器。

1、摩擦销

摩擦销的圆柱表面上分布有多个小凸起颗粒，主要来加大销和连接件之间转动的摩擦阻力，适用于2或3个部件之间的静态连接。

摩擦销分为短摩擦销和长摩擦销。

（1）短摩擦销

短摩擦销，即2单位摩擦销，又叫1×2摩擦销，多为黑色，所以也叫黑销。黑销是销类家族里，用得最广泛的一种。

搭建时如果遇到对稳定度要求比较高的部件连接，切记一定要用黑销。有的孩子会发现黑销比较难拔，所以会偷巧用更容易拔出的光滑销，造成搭建之后结构不稳定。

下图是短摩擦销（黑销）连接两根孔臂的例子，两根孔臂围绕黑销的转动的话，摩擦阻力是比较大的，所以具有一定的稳定性。

（2）长摩擦销

长摩擦销，即3单位摩擦销，又叫1×3摩擦销，多为蓝色，所以也常叫蓝销，或蓝色3单位销，也有叫长两头栓摩擦销。与短摩擦销不同，长摩擦销则用于3个零件之间的静态连接，其他特征则与短摩擦销一样。

下图的长摩擦销连接了3根孔臂的例子，可以支撑起来一定的角度，因为销的转动摩擦阻力比较大。

2、光滑销

也叫光销，与摩擦销相比，光滑销圆柱表面光滑，摩擦阻力非常小，用于需要转动的部件之间连接。光滑销除了短光滑销、长光滑销外，还有1/2销和1/4销。

（1）短光滑销

短光滑销，即2单位光滑销，又叫1×2光滑销，多为灰色，所以也常叫灰销。灰销的圆柱表面非常光滑，销和连接件之间可以转动摩擦阻力非常小，适用于2个部件之间的动态连接。

下图是短光滑销连接两根孔臂的例子，两根孔臂围绕短销的转动摩擦阻力非常小，孔臂可以灵活的转动，所以更多是用在连杆的设计中。

在六足步行机器人搭建中，其六足需要灵活的运动，用到了不少的光滑销，下图中红色圆圈内的都是光滑销，均处在需要灵活转动的关节位置，而蓝色圈起的摩擦销，则处在需要固定的位置上。机器人（二级）仿生六足步行机器人搭建及三角步态模拟（11）

（2）长光滑销

长光滑销，即3单位光滑销，又叫1×3光滑销，多为米色，所以也常叫米色销。与短光滑销相比，它可以将3个带销孔的零件动态连接起来。

下图是长光滑销连接三根孔臂的例子，孔臂围绕长销的转动摩擦阻力非常小，孔臂可以灵活的转动，同样也无法形成稳定的支撑。

（3）1/2销和1/4销

1/4销在机器人技术等级考试实操搭建中用不到，我们重点介绍1/2销。1/2销是为薄壁零件的连接设计的（薄壁零件厚度为1/2单位）。

下图是1/2销连接了3个薄壁零件的例子，因为1/2销是光滑销，三个薄壁可以灵活转动。

3、轴销

轴销，又叫十字销，以常见2单位的轴销为例，其一半（1个单位）是轴，另一半（一个单位）是销，所以也叫半十字轴半销。根据销的那一段表面是否有小凸起颗粒，可分为摩擦轴销和光滑轴销。下图是光滑轴销和摩擦轴销的比较，注意观察摩擦轴销上有小凸点。

我们用光滑轴销和摩擦轴销，分别连接直线型孔臂和L型孔臂轴孔测试一下。

（1）轴的一头插入L型孔臂的轴孔内，因为十字截面和轴孔完全契合在一起，所以这一段是完全固定不动的。

（2）销的一头插入直线型孔臂的孔洞里，摩擦销与孔洞的摩擦力会对销转动产生较大阻力，需要一定的力量才能转动；光滑销与孔洞的摩擦阻力比较小，销会很灵活的在孔洞力转动。

除了2单位轴销，还有3单位轴销，也叫1×3十字轴带短销，但这个不常见，如下图。

4、带轴套销

带轴套销，也叫转十字插销，就是2单位摩擦销加上了十字轴孔。轴套端可以插入十字棒，见下图。

因为轴套比较大，所以也叫大头销，这里有个讨巧的地方，就是比较难插拔的地方，可以用这个大头销，因为捏住这个大头插拔很方便。

这篇文章则介绍了最常用的销的分类。

（4）连接器

本文会介绍20种常见的连接器。连接器也叫接插件，或连接件，可以实现不同构件之间的结合，是构件之间的桥梁。连接件形式和结构非常多样，下图是青少年机器人技术等级考试（一、二级）实操中经常用到的连接器。

1、十字轴连接器

十字轴连接器是一种双头轴套结构的连接器，即两头都可以插入十字轴，可以用来连接两根十字轴。

例子：下图的直升机搭建模型中，用了两个十字轴连接器将3根传动轴连接起来，实现了较远距离的精准传动，将动力转递到直升机的尾翼。

2、肘形连接器

肘形连接器，即45度连接器，可以将两根十字轴以45度角的方式连接起来，组成拐角的连接构件。

例子：下图是后驱车的防滚支架上的45度连接器，将两根十字轴成45度角连接起来，搭建成防滚支架。45度连接器中间的圆孔，则可以插入十字轴，形成横向连接支撑。另外，中间的圆孔也可以插入销栓，与其它构件进行连接固定。

3、180度连接器

180度连接器可以将两根十字轴以直线的方式连接起来，中间的圆孔可以插入十字轴形成支撑，或者插入销栓与其它构件连接固定。

例子：如下图，180度连接器将两根短轴连接成了直线，与十字轴连接器相比，中间多出来的这个销栓孔，让它可以其它连接在其它构件上。

4、双接口连接器

双接口连接器又叫1号栓连接器，一个销栓孔，一个轴孔，下图左是双接口连接器，右是插入了十字轴和光滑销的双接口连接器。

例子：下图是石油开采机里的双接口连接器。销栓孔固定在石油开采机的驴头上，注意这里用的是光滑销，因此双接口连接器可以在驴头上下摆动时，双接口连接器轴孔始终朝下，下面插入的轴（采油管）可以完成上下往复运动。

5、正交连接器

正交连接器，也叫两十字孔连接器，两个十字孔，一个销轴孔，正向相交。

例子：下图是直升机的两个正交连接器，红色的是三孔正交连接器，黑色的是我们正在介绍的正交连接器。我们使用了两根短十字轴穿过两个轴孔，把正交连接器固定在孔臂梁上，然后再用一个摩擦销，其一头插在正交连接器销孔，一头插在马达销孔上。这样就通过一个正交连接器，把马达固定在了直升机的孔臂梁上。

6、三孔正交连接器

三孔正交连接器，也叫1×2正交连接器，与普通的正交连接器相比，它有两个并列的销孔，一个轴孔，如下图。

例子：在六足机器人搭建中，三孔正交连接器实现了马达和横梁的连接固定。三孔正交连接器通过销固定连接在孔臂梁上，通过十字轴固定在马达上。

7、十字轴交叉连接器

十字轴交叉连接器，又叫直接连接器、带轴孔连接器。可以交叉方式插入两根十字轴。下图是将两根十字轴交叉连接的例子。

8、开口销连接器

开口销连接器，又叫轴栓连接器，可以两头插入销，从而把两个销连接起来。

例子：下图是连接了两个光滑销的例子。

9、1×3轴栓连接器

1×3轴栓连接器有一个轴孔，三个销栓孔，正向相交。

例子：下图是机器人实操中直升机的起落架，使用了一个1×3轴栓连接器，通过两个或三个摩擦销固定在孔臂梁上，轴孔则连接了两个正交连接器，正交连接器则插入和孔臂梁通向的十字轴作为起落架。

10、1×1轴栓连接器（十字圆孔连接器）

1×1轴栓连接器，又叫十字圆孔连接器，即有一个轴孔，一个销栓孔，正向相交。

例子：在机器人后驱车实操中，用了十字圆孔连接器，把45度连接器安装在底盘（孔臂圈）上。如下图所示，先用十字轴连接在孔臂圈上，再用销连接上45度连接器，这样一个45度连接器就被固定在孔臂圈上方了。

11、1×2轴栓连接器

1×2轴栓连接器，即有一个轴孔，两个销栓孔，正向相交。1×2轴栓连接器在使用上，与上面的1×3、1×1轴栓连接器接近，它介于这两者之间，可以根据需要使用，不再举例子。

12、双头销栓连接器

双头销栓连接器，两头各自一个摩擦销，中间一个销栓孔。可以同时连接三个零件。

这是稻草人搭建的例子，双头销栓连接器用来把稻草人的双臂固定在身躯之上。机器人（二级）跳舞稻草人搭建实操（7）

13、两孔平板连接器

两孔平板连接器，相同方向的销孔、轴孔各一个，如下图。

例子：六足机器人中用来作为曲柄做圆周运动。两孔平板连接器的十字轴孔连接在带有动力的传动十字轴上，这样传动轴可以带动两孔平板连接器做圆周运动；两孔平板连接器的销孔则用光滑销，连接在摇杆上，这样可以带动摇杆摆动。

注意，这里一定要使用光滑销，摇杆才能跟随两孔平板连接器的圆周运动进行反复摆动。机器人（二级）仿生六足步行机器人搭建及三角步态模拟（11）

14、衣架薄壁

衣架薄壁，外观看像一个衣架，厚度只有正常孔臂厚度单位的一半，属于比较特殊的可做为连接件使用的薄孔臂。

例子：在挖掘机的搭建中，衣架薄壁被用来悬挂支重轮，如下图。

15、薄四孔平板连接器

薄4孔平板连接器和上面介绍的衣架薄壁类似，属于比较特殊的可做为连接件使用的薄孔臂，不再做举例了。

16、凸轮

用在凸轮机构上的，外观有独特的曲线。这篇文章详细介绍了凸轮：机器人技术等级考试（二级）舂米机搭建实操与凸轮机构原理（5）

例子：电动缝纫机中的滑杆机构是由滑块、滑杆、回转体和机体组成的一种机械装置，而凸轮在这个机构里起到了回转体的作用，如下图。

17、1×3带孔摇臂

这个在搭建中作为摇柄使用，机器人技术等级考试一级实操会用到，二级实操因为都是电机带动，所以用不到摇臂。摇臂比较简单，不再举例。

18、三向连接器

三向连接器，又叫三向十字连轴器，中心是一个轴孔，外圈有三个方向的十字轴，如下图。

例子：在直升机搭建实操中，用来做螺旋桨非常合适，如下图，主螺旋桨、尾桨都是用三向连接器搭建的。

19、四头销栓连接器

这个销栓连接器，有个四头光滑销，两个销栓孔，用于销之间的连接，外观非常独特，如下图。

例子：在石油开采机搭建中，四头销栓连接器连接了两根孔臂，搭建了一个工作平台，如下图。

20、1×2轴栓连接器

1×2轴栓连接器有一个销栓孔，一个光滑销，可以连接销和孔臂。

例子：在电动尺蠖的搭建中，用来把电机固定在孔臂上，销连接在电机上，销孔则插入一个摩擦销连接在孔臂上，如下图。

常用的20个连接器介绍完了，销插入连接器或孔臂后，有时会不易拔出，可在网上买一个拔销栓的钳拔器，才几块钱，拆积木的时候很方便。

（5）12种齿轮及相关装置

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。

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。

（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）。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

（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。

（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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

（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。

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。