机构设计：齿轮、凸轮与连杆
基础所有动态产品都遵循能量输入、运动控制、输出作功的框架；齿轮、螺杆、杠杆连杆、凸轮随动件和齿条小齿轮各自转换运动，设计师按需求挑选合适机构。
- 动态系统都符合能量输入、运动控制、输出作功的框架
- 齿轮以齿数比改变转速与力矩，外啮合时方向相反
- 螺杆与蜗杆减速比大兼自锁，适合承重与防倒滑
文体小知识：科技知识说明文把齿轮、凸轮、连杆等机构逐一分类，配合输入、控制、输出的框架，令读者懂得按需要选择机构。
§课文原文 Passage
1一件会动的产品，背后必有一套机构在转换运动。中三用一个框架理解它们：能量输入、运动控制、输出作功。输入可以是手摇柄或电动机的旋转，控制部分由齿轮、螺杆、连杆、凸轮等部件改变运动的速度、方向或类型，输出则是搅拌、升降、夹紧等实际工作。
2齿轮藉齿数比改变转速与力矩，是传动的主力；螺杆机构每转一圈只前进一个螺距，减慢速度并集中力量，蜗杆更具有自锁特性，反向受力不会倒退。杠杆与连杆用几何关系传递和放大运动，雨伞骨架与剪式升降台都是例子。
3凸轮与随动件把旋转变成按轮廓设计的往复运动，汽车引擎的气阀就是靠凸轮轴精确开关；齿条与小齿轮则令旋转与直线运动互相转换，钻床工作台与大型闸门都用到它。每种机构都有独特性格，设计师的工作是按需求挑选。
4设计动态产品时，先写清输入与输出，再按运动转换、速度、负荷、自锁与成本挑选机构，必要时串联几个机构各展所长，最后绘出机构简图验证。掌握这套方法，你就能把会动的意念变成可靠的设计。
1重点摘要 Summary
所有动态产品都遵循能量输入、运动控制、输出作功的框架；齿轮、螺杆、杠杆连杆、凸轮随动件和齿条小齿轮各自转换运动，设计师按需求挑选合适机构。
2生字卡 Vocabulary
藉齿与齿啮合传递旋转的轮状部件，可改变转速、方向和力矩。
主动齿轮与从动齿轮转速的比，由两轮齿数决定。
螺旋杆与螺母配合，把旋转变成缓慢而有力的直线运动。
螺旋杆与蜗轮啮合的传动，减速比大并且能够自锁。
绕支点转动、放大或传递力与运动的杆件。
由多根杆件和枢轴组成、把运动由一处传到另一处的组合。
旋转时以特殊轮廓推动随动件，把旋转变成预定往复运动的部件。
沿凸轮轮廓滑动或滚动、按轮廓起伏运动的部件。
小齿轮转动令齿条直线移动的机构，把旋转与直线运动互相转换。
机构在反向受力时不会倒退的特性，例如蜗杆传动。
3逐步讲解 Steps
- 输入、运动控制与输出作功中三把机构设计收进一个清晰框架：能量输入、运动控制、输出作功。输入是动力来源，例如手摇柄或电动机的旋转；运动控制是中间的机构，负责改变运动的速度、方向或类型；输出是机构最后完成的工作，例如升降、夹紧或搅拌。分析任何动态产品，先问三个问题：输入是什么运动、需要什么输出、中间怎样转换。举个例子：手摇搅拌器的输入是手的慢速旋转，经齿轮增速后，输出是搅拌叶的快速旋转，可以把奶油打发；输入小而慢，输出快而多圈，这就是机构转换的功劳。
- 齿轮与传动比齿轮是最常用的运动控制部件，两轮啮合时转速与齿数成反比：主动轮二十齿、从动轮六十齿，传动比为一比三，输出转速减为三分之一，力矩却大约增加三倍；把两轮角色对调就变成增速。齿轮还可以改变旋转方向：两轮外啮合时转动方向相反。举个例子：电动螺丝批内部用齿轮组把电动机的高转速减慢，换来足够扭力旋入螺丝；单车的大齿盘与飞轮之间改变链条位置，就等于改变传动比，上斜时用小齿盘带大飞轮更省力，这正是传动比的生活应用。
- 螺杆机构与自锁螺杆机构把旋转运动转成缓慢而有力的直线运动：螺杆每转一圈，配合的螺母只前进一个螺距的距离，所以减速比大、力量集中。蜗杆是它的近亲，杆上的螺旋与蜗轮啮合，单头蜗杆转四十圈蜗轮才转一圈，而且反向推动时不会倒退，这种自锁特性令它适合承重场合。举个例子：工作台的老虎钳转动手柄，钳口缓慢而有力地夹紧工件，松手也不会弹开；很多升降台和可调校角度的椅背都用螺杆，因为它能够停在任何位置并锁定。
- 杠杆与连杆中一学过杠杆的三点：支点、施力点、负荷点；中三把它扩展成连杆组合——几根杆件用枢轴连接，把一处的运动按照几何关系传到另一处，还可以把直线运动与摆动互相转换。四连杆机构是最经典的组合，改变各杆长度就能得到不同轨迹。举个例子：雨伞的开合骨架是连杆，推动伞柄时几组连杆同时伸展；剪式升降台用交叉连杆把短行程放大成大升幅；蒸气火车头车轮旁的连杆把活塞的往复运动变成车轮旋转，都是杠杆连杆的应用。
- 凸轮与随动件凸轮是一个轮廓特殊的旋转部件，紧贴它的是随动件：凸轮转动时，随动件按轮廓的起伏上下往复，于是旋转运动就被转换成预先设计好的往复运动。改变凸轮轮廓，就改变随动件的行程和节奏：圆形偏心凸轮产生平滑往复，蛋形凸轮行程大，心形凸轮可以令回程均匀。举个例子：汽车引擎的凸轮轴按精确时序开关气阀；自动售卖机内的凸轮定时把货品推落取货口；设计与科技室常做的凸轮玩具，转轴上装一个蛋形凸轮，上面的木偶便会规律地跳动。
- 齿条与小齿轮齿条是一根切有齿的长条，与小齿轮啮合：小齿轮正转或反转，齿条便直线前进或后退，于是旋转运动与直线运动可以互相转换，行程只受齿条长度限制，适合长距离直线移动。举个例子：钻床的工作台靠手柄升降，内部就是小齿轮带动齿条；大型闸门用齿条小齿轮推动开关；部分汽车的转向系统转动方向盘时，小齿轮推动齿条左右移动，带动车轮转向，这套机构直接可靠，是把旋转变成直线的首选之一。
- 按需求挑选机构组成动态产品设计动态产品时，先写清输入与输出，再按四项准则挑选机构：运动转换方向是否对路、需要增速还是减速、是否要自锁或承受大负荷、空间和成本是否许可；还可以把几个机构串联，令它们各展所长。举个例子：设计一部自动晾衣架，输入是电动机旋转，输出是横杆缓慢下降——选择蜗杆减速箱获得自锁，停电时衣架不会坠下，再配合绳轮把旋转变成直线升降；确定方案后画出机构简图，标明每个部件的运动类型，动态产品的设计便有了蓝图。
4图解 Diagrams
5例题示范 Example
例题：学校礼堂想改用电动升旗装置——按下开关，国旗平稳上升，中途停电也不能倒滑。试设计这套机构。
- 分析需求 → 输入：电动机旋转；输出：旗绳缓慢直线上升约四米半；特别要求：停电时不得倒滑
- 候选比较 → 齿轮组减速稳定但会倒滑；齿条小齿轮行程受限；蜗杆传动大幅减速并且自锁
- 选定组合 → 蜗杆配四十齿蜗轮，蜗轮轴上装绳轮卷起旗绳，自锁之余把旋转变成直线运动
- 验算速度 → 电动机每分钟一千二百转，经四十比一减速后绳轮每分钟三十转，绳轮周长零点二米，旗每分钟上升约六米，约四十五秒升到杆顶
- 答案：方案选用蜗杆传动配绳轮。蜗杆的大减速比把电动机的高速变成缓慢而有力的旋转，绳轮再把旋转转成旗绳的直线运动，升旗速度平稳得体；最关键的是蜗杆的自锁特性——反向力不能推动它，所以停电或松开开关时，国旗停留在原位不会倒滑下来，符合安全要求。这个设计示范了选择机构的思路：先列输入、输出与特殊要求，再比对各机构的特性，最后验算速度是否合适。
6常见错误 Mistakes
75 题快测 Quick check
Q1主动齿轮二十齿，从动齿轮六十齿，传动比是多少？输出转速怎样？
Q2为什么升降台常用螺杆机构而不是齿轮组？
Q3凸轮轮廓改变时，随动件的运动有什么变化？
Q4钻床工作台的升降手柄用了哪种机构？
Q5设计动态产品时，挑选机构要考虑哪些准则？
8重点回顾 Recap
- 动态系统都符合能量输入、运动控制、输出作功的框架
- 齿轮以齿数比改变转速与力矩，外啮合时方向相反
- 螺杆与蜗杆减速比大兼自锁，适合承重与防倒滑
- 凸轮把旋转变成预定往复，齿条小齿轮把旋转变成直线
- 按运动转换、速度、负荷、自锁与成本挑选并串联机构