乐高搭建案例

师景阳

夏天来了，想必在凉爽的房间里吹着空调或风扇是一件非常享受的事情吧！当我们享受夏日的同时，你是否想过这些在我们身边，默默为我们提供清凉的电器是怎么工作的呢？也许我们已经对它们非常熟悉了，但对于有旺盛好奇心的孩子来说，这些电器便是天然的游乐场。许多人在童年的时候，都有对着风扇说话，让风把声音吹得抖动起来的经历，还有很多孩子尝试用手捏住摇头风扇后方的摇摆按钮，想知道它为什么会不停地旋转。

孩子们的好奇心是科技教育不断前进的源泉，而让孩子对他好奇的东西进行重构是学习机械结构的好方法。我们将用乐高机械件搭建一个摇头风扇，让孩子们在搭建的过程中学习机械知识和原理。

机械结构分析

要搭建出摇头风扇，首先我们要知道它是怎么工作的。有些人可能会认为，摇头风扇内部装有专门用于摇头控制的电机，以达到控制摇头的目的。实际上，机械式的摇头风扇并没有那么复杂，下面这个图很好地呈现出机械式摇头风扇的工作方式——原来，它的动力源自于主电动机的转动，并通过一系列的连接件让电机的转动变化成风扇的摇动。在这个案例中，电机的转动经过3个机构的变化才实现了风扇的摇头转动。

下图是用乐高搭建摇头风扇转动部分的核心零件。我们可以看到，它可以分为横向轴和竖向轴2个部分，横向轴连接的是风扇的电机;竖向轴上连接着2个齿轮，代表的是电风扇后方的摇头开关。下图处于“拔起”的状态，即停止摇头，当把竖向轴按下时，齿轮会向下移动1个轴套的距离，与横轴上的齿轮啮合，风扇就可以摇头了。

减速机构

我们知道风扇中电机的转动速度是非常快的（把手伸进风扇里的好奇孩子应该更深有体会，但是千万不要特意这样做），而我们并不希望让风扇疯狂地摇头，而是想让它缓慢地转动。这就需要用到减速机构将速度降下来。这里用到的机构有蜗杆减速机构和齿轮减速机构。

首先是蜗杆减速机构，在电动机后方的轴上连接的螺旋状的齿轮便是蜗杆。蜗杆，是指具有1个或几个螺旋齿，并且与蜗轮啮合而组成交错轴齿轮副的齿轮。它可以用于改变转动的方向和减速的效果。我们可以把蜗杆看成只有1个齿的齿轮，蜗杆旋转1圈，与之连接的齿轮转动1齿，它的减速效率是很高的。当按下摇头开关时，蜗杆与24齿齿轮啮合，这时候相当于电机转动24周，齿轮才会转动1周。

即使有了蜗杆减速机构，它的转速依旧非常快。这时候我们可以运用齿轮减速机构进一步降低旋转速度。齿轮减速机构是齿轮变速机构的一种，生活中齿轮变速机构的应用非常多，汽车的变速箱就是齿轮变速的例子。如果你熟悉汽车的话，你会发现挂高挡能让车的速度变得更快，而挂低挡能让车变得更有力量，这是因为在挂挡时改变了变速箱中齿轮啮合的组合，从而实现了变速的效果。

提到齿轮变速机构，我们不得不提一个概念：传动比。所谓传动比，是指在2个啮合的平面齿轮中，主动轮齿数和从动轮齿数的比值。下图的3个大齿轮是主动轮，齿数分别是16齿、24齿和40齿，它们分别与1个8齿的从动轮啮合，它们的传动比就分别是2：1、3：1和5：1。可以想象，如果主動轮转动了l周，8齿的从动轮就要分别转动2周、3周和5周。换句话说，传动比=从动轮转速：主动轮转速。高传动比的齿轮变速机构能提高转速，而低传动比齿轮变速机构能降低转速。

在摇头风扇中，齿轮减速机构体现在开关下方的黄色小齿轮与最下方黑色齿轮的啮合上。当按下摇头风扇的开关时，8齿的小齿轮与24齿大齿轮啮合，小齿轮是主动轮，大齿轮是从动轮，它们的传动比是1：3.也就是说，当小齿轮转动3周时，大齿轮才转动1周。

由于黄色8齿齿轮与24齿齿轮同轴，所以它们的转速是一致的，从上方2个减速机构我们不难得出，电动机转动24周时，黄色小齿轮才转动1周;当电动机转动72周时，下方的黑色大齿轮才转动1周，也就是说，风扇才完成了1个摇头周期（由于力矩的改变，转动起来也不那么费力了），这个速度能让我们更好地享受风扇带来的丝丝凉意。

曲柄摇杆机构

完成从齿轮转动到风扇摇头转变的是连接在齿轮下方的3根连杆，它们构成了曲柄摇杆机构。曲柄摇杆是指具有1个曲柄和1个摇杆的铰链四杆机构。在这个案例中，白色梁一端是固定在风扇上方的，而另一端具有旋转的自由度。红色的梁并非固定在黑色齿轮的正下方，而是与齿轮边上的孔连接（这里可能看不太清楚），构成曲柄机构。齿轮转动时，在绿色梁（摇杆）的带动下，整个机构呈现往复摇头的效果。

搭建方式

在科技学堂微信公众号（sciclass）上回复关键词“摇头风扇”，即可下载详细的搭建说明书。