機構設計：齒輪、凸輪與連桿
基礎所有動態產品都遵循能量輸入、運動控制、輸出作功的框架；齒輪、螺桿、槓桿連桿、凸輪隨動件和齒條小齒輪各自轉換運動，設計師按需求挑選合適機構。
- 動態系統都符合能量輸入、運動控制、輸出作功的框架
- 齒輪以齒數比改變轉速與力矩，外嚙合時方向相反
- 螺桿與蝸桿減速比大兼自鎖，適合承重與防倒滑
文體小知識：科技知識說明文把齒輪、凸輪、連桿等機構逐一分類，配合輸入、控制、輸出的框架，令讀者懂得按需要選擇機構。
§課文原文 Passage
1一件會動的產品，背後必有一套機構在轉換運動。中三用一個框架理解它們：能量輸入、運動控制、輸出作功。輸入可以是手搖柄或電動機的旋轉，控制部分由齒輪、螺桿、連桿、凸輪等部件改變運動的速度、方向或類型，輸出則是攪拌、升降、夾緊等實際工作。
2齒輪藉齒數比改變轉速與力矩，是傳動的主力；螺桿機構每轉一圈只前進一個螺距，減慢速度並集中力量，蝸桿更具有自鎖特性，反向受力不會倒退。槓桿與連桿用幾何關係傳遞和放大運動，雨傘骨架與剪式升降台都是例子。
3凸輪與隨動件把旋轉變成按輪廓設計的往復運動，汽車引擎的氣閥就是靠凸輪軸精確開關；齒條與小齒輪則令旋轉與直線運動互相轉換，鑽床工作台與大型閘門都用到它。每種機構都有獨特性格，設計師的工作是按需求挑選。
4設計動態產品時，先寫清輸入與輸出，再按運動轉換、速度、負荷、自鎖與成本挑選機構，必要時串聯幾個機構各展所長，最後繪出機構簡圖驗證。掌握這套方法，你就能把會動的意念變成可靠的設計。
1重點摘要 Summary
所有動態產品都遵循能量輸入、運動控制、輸出作功的框架；齒輪、螺桿、槓桿連桿、凸輪隨動件和齒條小齒輪各自轉換運動，設計師按需求挑選合適機構。
2生字卡 Vocabulary
藉齒與齒嚙合傳遞旋轉的輪狀部件，可改變轉速、方向和力矩。
主動齒輪與從動齒輪轉速的比，由兩輪齒數決定。
螺旋桿與螺母配合，把旋轉變成緩慢而有力的直線運動。
螺旋桿與蝸輪嚙合的傳動，減速比大並且能夠自鎖。
繞支點轉動、放大或傳遞力與運動的桿件。
由多根桿件和樞軸組成、把運動由一處傳到另一處的組合。
旋轉時以特殊輪廓推動隨動件，把旋轉變成預定往復運動的部件。
沿凸輪輪廓滑動或滾動、按輪廓起伏運動的部件。
小齒輪轉動令齒條直線移動的機構，把旋轉與直線運動互相轉換。
機構在反向受力時不會倒退的特性，例如蝸桿傳動。
3逐步講解 Steps
- 輸入、運動控制與輸出作功中三把機構設計收進一個清晰框架：能量輸入、運動控制、輸出作功。輸入是動力來源，例如手搖柄或電動機的旋轉；運動控制是中間的機構，負責改變運動的速度、方向或類型；輸出是機構最後完成的工作，例如升降、夾緊或攪拌。分析任何動態產品，先問三個問題：輸入是什麼運動、需要什麼輸出、中間怎樣轉換。舉個例子：手搖攪拌器的輸入是手的慢速旋轉，經齒輪增速後，輸出是攪拌葉的快速旋轉，可以把奶油打發；輸入小而慢，輸出快而多圈，這就是機構轉換的功勞。
- 齒輪與傳動比齒輪是最常用的運動控制部件，兩輪嚙合時轉速與齒數成反比：主動輪二十齒、從動輪六十齒，傳動比為一比三，輸出轉速減為三分之一，力矩卻大約增加三倍；把兩輪角色對調就變成增速。齒輪還可以改變旋轉方向：兩輪外嚙合時轉動方向相反。舉個例子：電動螺絲批內部用齒輪組把電動機的高轉速減慢，換來足夠扭力旋入螺絲；單車的大齒盤與飛輪之間改變鏈條位置，就等於改變傳動比，上斜時用小齒盤帶大飛輪更省力，這正是傳動比的生活應用。
- 螺桿機構與自鎖螺桿機構把旋轉運動轉成緩慢而有力的直線運動：螺桿每轉一圈，配合的螺母只前進一個螺距的距離，所以減速比大、力量集中。蝸桿是它的近親，桿上的螺旋與蝸輪嚙合，單頭蝸桿轉四十圈蝸輪才轉一圈，而且反向推動時不會倒退，這種自鎖特性令它適合承重場合。舉個例子：工作檯的老虎鉗轉動手柄，鉗口緩慢而有力地夾緊工件，鬆手也不會彈開；很多升降台和可調校角度的椅背都用螺桿，因為它能夠停在任何位置並鎖定。
- 槓桿與連桿中一學過槓桿的三點：支點、施力點、負荷點；中三把它擴展成連桿組合——幾根桿件用樞軸連接，把一處的運動按照幾何關係傳到另一處，還可以把直線運動與擺動互相轉換。四連桿機構是最經典的組合，改變各桿長度就能得到不同軌跡。舉個例子：雨傘的開合骨架是連桿，推動傘柄時幾組連桿同時伸展；剪式升降台用交叉連桿把短行程放大成大升幅；蒸氣火車頭車輪旁的連桿把活塞的往復運動變成車輪旋轉，都是槓桿連桿的應用。
- 凸輪與隨動件凸輪是一個輪廓特殊的旋轉部件，緊貼它的是隨動件：凸輪轉動時，隨動件按輪廓的起伏上下往復，於是旋轉運動就被轉換成預先設計好的往復運動。改變凸輪輪廓，就改變隨動件的行程和節奏：圓形偏心凸輪產生平滑往復，蛋形凸輪行程大，心形凸輪可以令回程均勻。舉個例子：汽車引擎的凸輪軸按精確時序開關氣閥；自動售賣機內的凸輪定時把貨品推落取貨口；設計與科技室常做的凸輪玩具，轉軸上裝一個蛋形凸輪，上面的木偶便會規律地跳動。
- 齒條與小齒輪齒條是一根切有齒的長條，與小齒輪嚙合：小齒輪正轉或反轉，齒條便直線前進或後退，於是旋轉運動與直線運動可以互相轉換，行程只受齒條長度限制，適合長距離直線移動。舉個例子：鑽床的工作台靠手柄升降，內部就是小齒輪帶動齒條；大型閘門用齒條小齒輪推動開關；部分汽車的轉向系統轉動方向盤時，小齒輪推動齒條左右移動，帶動車輪轉向，這套機構直接可靠，是把旋轉變成直線的首選之一。
- 按需求挑選機構組成動態產品設計動態產品時，先寫清輸入與輸出，再按四項準則挑選機構：運動轉換方向是否對路、需要增速還是減速、是否要自鎖或承受大負荷、空間和成本是否許可；還可以把幾個機構串聯，令它們各展所長。舉個例子：設計一部自動晾衣架，輸入是電動機旋轉，輸出是橫桿緩慢下降——選擇蝸桿減速箱獲得自鎖，停電時衣架不會墜下，再配合繩輪把旋轉變成直線升降；確定方案後畫出機構簡圖，標明每個部件的運動類型，動態產品的設計便有了藍圖。
4圖解 Diagrams
5例題示範 Example
例題：學校禮堂想改用電動升旗裝置——按下開關，國旗平穩上升，中途停電也不能倒滑。試設計這套機構。
- 分析需求 → 輸入：電動機旋轉；輸出：旗繩緩慢直線上升約四米半；特別要求：停電時不得倒滑
- 候選比較 → 齒輪組減速穩定但會倒滑；齒條小齒輪行程受限；蝸桿傳動大幅減速並且自鎖
- 選定組合 → 蝸桿配四十齒蝸輪，蝸輪軸上裝繩輪捲起旗繩，自鎖之餘把旋轉變成直線運動
- 驗算速度 → 電動機每分鐘一千二百轉，經四十比一減速後繩輪每分鐘三十轉，繩輪周長零點二米，旗每分鐘上升約六米，約四十五秒升到桿頂
- 答案：方案選用蝸桿傳動配繩輪。蝸桿的大減速比把電動機的高速變成緩慢而有力的旋轉，繩輪再把旋轉轉成旗繩的直線運動，升旗速度平穩得體；最關鍵的是蝸桿的自鎖特性——反向力不能推動它，所以停電或鬆開開關時，國旗停留在原位不會倒滑下來，符合安全要求。這個設計示範了選擇機構的思路：先列輸入、輸出與特殊要求，再比對各機構的特性，最後驗算速度是否合適。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1主動齒輪二十齒，從動齒輪六十齒，傳動比是多少？輸出轉速怎樣？
Q2為什麼升降台常用螺桿機構而不是齒輪組？
Q3凸輪輪廓改變時，隨動件的運動有什麼變化？
Q4鑽床工作台的升降手柄用了哪種機構？
Q5設計動態產品時，挑選機構要考慮哪些準則？
8重點回顧 Recap
- 動態系統都符合能量輸入、運動控制、輸出作功的框架
- 齒輪以齒數比改變轉速與力矩，外嚙合時方向相反
- 螺桿與蝸桿減速比大兼自鎖，適合承重與防倒滑
- 凸輪把旋轉變成預定往復，齒條小齒輪把旋轉變成直線
- 按運動轉換、速度、負荷、自鎖與成本挑選並串聯機構