小伙伴们有没有发现！很多机械装置都有传动的部分。比如手表里的齿轮，一个接一个地转动。

骑自行车时，我们坐在中间蹬，链条会把力传到后轮转起来。

汽车发动机更是皮带、链条和齿轮传动全都有……

汽车发动机

老老实实自己转自己的不好吗，到底为什么要传来传去？

嘿，以手表举例。手表只有一个动力源——发条，一个发条可以通过很多齿轮来带动三根指针转动。

不同的齿数又能保证转速不同，比例精确在:60:1。

手表齿轮

这些都是靠机械传动完成。

而且，就连小时候玩的陀螺也有传动！用绳拉的就是线传动，齿条拉就是齿轮传动。

动画《爆旋陀螺》的齿轮传动陀螺

RoboMaster比赛也不例外，为了保证公平，机器人的尺寸会被限制。

比赛前，英雄机器人要被塞进一个××mm的盒子里，如果塞不进就不给上场。（这是检录环节之一）

英雄机器人

但是，轮子要电机、云台要电机、登岛的履带要电机，取弹结构也要电机……为了把一堆电机塞进小小的空间里，队员们使出了浑身解数。

比如不让电机和被驱动机构直接连接。有队伍因为庞大的履带结构占用太多位置，就把云台电机装在云台侧面，再用传动连接。

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云台电机安装在云台旁边

还可以用小电机驱动重机构。物理课上我们学过P=Mω，同样功率下，转得越慢，扭矩越大。

有了传动装置降速，可以让电机扭矩增大，达到四两拨千斤的效果。

甚至可以一个电机驱动多个机构。

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一个电机驱动四个爪子

机械传动的方式有很多种，常见的有带传动、链传动、齿轮传动和摩擦轮传动等。

其中，带传动结构简单，便宜又轻巧，在比赛中用得很广。

带传动是一种挠性传动。相比坚硬的齿轮，它更加柔软，安装的时候不用对得很准，甚至还有些许缓冲减震的奇效。

带传动

带传动通常由带轮（主动轮和从动轮）和传动带组成。为了保证足够的预紧力，有时还会安装一个惰轮来充当张紧轮。

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画面中央就是一个用作张紧轮的惰轮

带传动又有摩擦型和啮合型。摩擦型带传动安装方便又便宜，但是容易打滑，所以传动比不太稳定。

摩擦型在受力过大时会打滑

以保护机械

机器人运动往往要对角度和速度精准控制，所以大家都用传动比更加稳定的啮合型带传动——同步带传动。

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全机大量采用同步带传动

同步带传动个的传动带上都有很多等距分布的横向齿，带轮上有齿槽，它们相互啮合就不会打滑，传动比很稳定。

同步带传动

而且啮合的带轮受到的磨损并不严重，一般用铝合金制成，所以同步带传动的整体重量比其他机械传动轻。

但要驱动起机器人这样的庞然大物，传动带可不是一根橡胶带这么简单。

传动带中除了胶帆布(1)、顶胶(2)之外，还常有尼龙或者钢丝做成的芯绳(3)来增加强度，底部还有增大摩擦的底胶(4)。

传动带

不过，带传动虽然平稳轻巧、安装方便，但也相对脆弱。如果承受了太大的载荷，可能就会听到队友传来一句：“你的同步带断了！”

所以，如果扭矩较大的话，传动带就要做得很宽，或者考虑选择结构更加紧凑的链传动。

与带传动相似，链传动也是一种远距离的挠性传动，由链条和链轮组成。

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链传动的组成

如下图，链条由内板（RollerLinkPlate）、外板（PinLinkPlate）、销（Pin）、衬套（Bushing）和滚子（Roller）组成。

与链轮接触的主要就是滚子。

链条的组成

与同步带传动相比，链传动价格便宜，结构紧凑，坚固耐用，可以传递较大扭矩。

但也有坏处，链传动磨损比较大，所以链条和链轮还必须是钢制的，整体就很重。

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采用链传动能让结构更加紧凑

最常见的链传动当属自行车了，毕竟要经历日晒雨淋，用传动带的话很容易就老化失效。

自行车链条饱受摧残

我们还会发现，链条动起来会“咔啦咔啦”地响，有种要散架的感觉，还会降低传动效率和控制精度。

所以，齿形链了解一下（它又叫无声链）。虽然它有点贵，但是传动更加平稳，噪声更小，还能承受急刹车等反复冲击。

齿形链（无声链）

常见于摩托车上

而且，为了防止比赛时候掉链子，齿形链上会有导板，配合链轮轮齿上开出导向槽，可以起到导向作用，防止链子发生侧向窜动。

导向板（GuideLink）和导向槽（GuideGroove）

链传动虽然整体小于同等工作状态下的同步带，但同时也更重。在选择链传动时，也要考虑重量问题。

齿轮传动是两个齿轮契合在一起转动，传动距离短，但相比带传动和链传动在效率、空间、运动性能等方面更有优势。

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利用齿轮传动驱动取弹机构的变形

通过巧妙的设计，齿轮可以在很小的空间内产生很大的传动比（能把很小的力矩提升很多倍），而且传动比非常稳定，适合高精度的控制。

行星齿轮箱能在极小的空间内将力矩提升

密封起来之后又能保持很好的耐用性，甚至连着用很多年都不会坏。所以大家都会选择齿轮来设计电机减速器。

装有减速器的RoboMasterM电机甚至可以驱动大卡车！

小车上的电机能拉动卡车

除了常见的圆柱齿轮，还可以用锥齿轮和蜗轮蜗杆来改变传动轴方向，将电机竖放来充分拓展空间。

锥齿轮

蜗轮蜗杆（这种传动效率较低）

齿轮能够提供精确且稳定的传动比，传动效率甚至可达99%，是所有机械传动中最高效的。

它精确传动的秘诀在于外轮廓那流畅的线条。标准的渐开线齿廓的齿轮，能保证每一个触点的法线都与基圆完美相切，往复旋转皆如丝般顺滑。

渐开线齿轮

想要驾驭这种流畅，就需要高超的机加工水准。

下图是一种专门用来制造齿轮的滚齿铣刀，精度非常高，价格也很高贵。

齿轮加工用的滚齿铣刀

对于重要场合下使用的齿轮，还要求表面坚硬而内心强韧。

如果表面不够坚硬，就容易磨损；如果内心不够强韧，就容易断裂，材料要求真的很严格。

淬火使钢坚硬，但也会让它变脆

硬和韧如何尽量兼得呢？

在精密机械中，齿轮材料经常会采用昂贵的合金钢，有时还会进一步采用渗碳、渗氮或者表面淬火的工艺来获得表硬芯韧的齿轮。

只对齿轮表面淬火

就不会影响芯部韧性

除了表面处理工艺，还可以使用硬质的材料嵌套强韧的材料来达到同样效果。

美国国家航空航天局为了生产更强大的航空器，把齿轮中间的钢换成了强韧又轻盈的碳纤维，在减重20%的同时保持了良好的力学性能。

NASA的钢-碳纤混合齿轮

理论上，齿轮既平稳又耐用，占用空间小，传动效率高，简直是机器人比赛的必备良药。

但是齿轮加工、安装精度要求极高，稍微歪一点都会让传动效果大打折扣。对于表面精度不高的齿轮，传动效率甚至远低于同步带传动和链传动。

很多时候齿轮材料还有特殊要求，这使得齿轮机构设计的成本大大提高。

设计齿轮结构时，应该把后期安装和维护的成本也纳入考虑。甚至可以另辟蹊径，只在不易受冲击的结构上安装廉价、轻巧的尼龙齿轮。

尼龙齿轮

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选择合适的机械传动装置需要考虑的方面很多。

除了尺寸、重量、功率、效率和运动性能之外，安装和维护的成本也是一个合格的机甲大师必须考虑的项目。

齿轮传动虽然在性能上很有优势，但是安装和维护的成本也相对较高，在成本上优势更明显的同步带传动和链传动也有自身的用武之地。

只有权衡利弊，综合考虑成本等各方面因素，才能成为真正的真知灼见者！

本期作者

华南理工大学华南虎

RoboMaster校机器人队

RoboMaster是一个全球的机器人赛事，今年5月在佛山/西安/北京举办分区赛。

比赛时战况超激烈，近千台机器人打起架来，拦都拦不住。它们背后的研发者，是各种牛啤的高校，像华盛顿大学、香港科大、上海交大等近所。

RoboMaster

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