青少年机器人技术一级考试备考重点（四）：功与能量以及常用传动装置

随着机器人技术的飞速发展，越来越多的青少年开始关注并参与其中。青少年机器人技术考试作为一项评估学生机器人技术水平的重要考试，备受广大青少年和家长的关注。为了更好地备战青少年机器人技术一级考试，了解考试的学习要点和备考重点是非常必要的。本文将介绍青少年机器人技术一级考试的学习要点，包括机器人基础知识、编程基础知识、机械结构基础知识等。希望本文能够为广大青少年机器人爱好者提供帮助和指导，顺利通过一级考试，进一步提高机器人技术水平。

五、功与能量

这里我们介绍一个功的概念。当一个力作用在物体上的时候，如果这个力让物体在这个力的方向上移动了一段距离，那么这个力的作用就显示出了成效，在力学里就说这个力做了功。
功的大小是力乘以力的方向上移动的距离，单位是焦耳。因此功包含的两个必要因素就是：作用在物体上的力以及物体在这个力的方向上移动的距离。
在了解了功的概念后，我们来看一下之前学过的杠杆和滑轮，这两个机械机构中，只要省力就会费距离，费力就会省距离，且力和距离的乘积是固定的。
其实在力学中有一个重要的结论：任何机械都不省功。
功率。功率就是单位时间内所做的功，通常用P表示。
功率的单位是瓦特，因为功的大小是力乘以距离，而距离又等于速度乘以时间，所以功=力乘以速度乘以时间。

能量转化
一切物质都具有能量，能量以多种不同的形式存在；按照物质的不同运动形式分类，能量可分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能、光能、潮汐能等。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化。

动能是物体在运动时具有的能。
势能包括重力势能和弹性势能。
重力势能是物体由于被举高而具有的能量。
弹性势能是物体由于弹性形变而具有的能量。
机械能是动能和势能的总和。当物体下落时，高度越小，那么它的重力势能就越来越小，但是物体的速度会越来越快，则动能就越来越大。如果不考虑空气阻力的话，机械能是不变的，重力势能减小的部分都变成了动能。

在荡秋千时，从最低点到最高点的过程中，速度越来越小，而高度越来越大，这时动能转化为重力势能；到达最高点时，速度为零，动能为零，全部动能转化为重力势能。从最高点下降到最低点的过程中，速度越来越大，而高度越来越小，这时重力势能转化为动能，到达最低点时，速度最大，动能最大，重力势能最小。

能量守恒
能量不会凭空消失，也不会凭空产生，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中, 能量的总和保持不变。

六、常用传动装置

1.齿轮啮合
齿轮啮合方式
齿轮啮合方式常用两种：平行啮合、垂直啮合

齿轮传动的方向(垂直啮合不在同一Y面，不考虑方向)
(1)两齿轮平行啮合：两个齿轮转动的方向相反；当大齿轮作为主
动轮，顺时针转动时，小齿轮作逆时针转动。
(2)若多个齿轮啮合：接近的两个齿轮转动方向相反；而中间隔了
一个齿轮的1号和3号转动方向相同，如图7. 4所示。

图中，1号齿轮和2号齿轮啮合，转动方向相反；2号与3号齿轮啮合，转动方向相反，所以1号齿轮和3号齿轮的转动方向相同。齿轮传动的速度比

多个齿轮传动的速度比
在多个齿轮组成的齿轮组中，计算传动速度比大致分为以下两种情况
（1）齿轮并排依次啮合（各齿轮都不在同一轴上）。
根据两个齿轮啮合的速度比，如图7.4所示，大齿轮与小齿轮半径比为3：1,那么1号齿轮和2号齿轮的速度比为1：3,2号齿轮和3号齿轮的速度比为3：1,所以1号齿轮与3号齿轮的速度比为1：1。

说明：计算并排依次啮合的齿轮间输出的齿轮速度，可以越过中间所有
的传动过程，直接比较主动轮和输出轮的半径比或齿轮比。

（2 ）多重加速（减速）齿轮装置（有同轴带动的齿轮）这种情况如图

根据两个齿轮啮合的速度比，与把手同轴的大齿轮带动小齿轮，大齿轮与小齿轮半径比为3：1,那么大齿轮与小齿轮的速度比为1：3。而同一轴上的齿轮的转动速度相同（即角速度相同），中间轴上的大齿轮带动小齿轮，速度比为1：3。所以，主动轮与输出轮的速度比为1：9。

多重加速装置最终速度比不能按照主动轮和输出轮的半径或齿轮比直接计算。需要一步步计算，按照融乘积得出最后的速度。

齿轮传动的优点:
(1)可以准确无误的传递动力：齿轮传动时，是通过轮齿啮合，主动轮转动一个轮齿，从动轮跟着转动一个轮齿，这样的传递方式保证了运动的准确性。
(2)齿轮传动力大：齿轮传动通过轮齿与轮齿之间的啮合，传动力大于皮带等装置。
(3)结构紧凑，适用于近距离传动，不能直接啮合时，可以通过多个齿轮传动。

齿轮传动的缺点：
(1)噪音大：齿轮传动力大，所以产生的噪音较大。
(2)易损坏：变速时，由于传动力大，齿轮的轮齿容易断裂。

2.皮带传动
皮带传动连接方式
(1)平行传动。皮带直接绕过两个传动轮，这种传动方式也称作开口传动。如下图14.7所示，传动时两个滑轮转动方向相同。当小滑轮作为主动轮顺时针转动时，大滑轮也顺时针转动。

(2)交叉传动。皮带反方向180度绕过两传动轮，如下图12. 8所示，这种传动方式叫交叉传动。交叉传动时，两个滑轮的转动方向相反, 当小滑轮顺时针转动时，则大滑轮逆时针转动。

皮带装置的优点：
(1)可实现远距离传动：皮带是有一定的长度的，这样就可以只利用两个滑轮和一根皮带将力传递到较远距离。
(2)在突然施加外力或者突然变速时，可以保护机械，不会损坏零件。
(3)噪音小：相对于齿轮啮合，皮带传动的噪音较小。

皮带装置的缺点：
(1)在传递动力过程中，会有时间上的延缓：皮带有弹性，在主动轮从静止到转动的一刻，皮带被拉动伸长，从动轮并没有马上运动，会有一瞬间的延缓。
(2)不能准确无误的传动：前面章节我们讲过减速和加速装置，在传动时，齿轮速度和齿轮半径成反比，可以得到准确的数值，比如半径为3 ： 1的齿轮，大齿轮为主动轮时，为加速装置，大齿轮速度与小齿轮速度比应该为1 : 3,小齿轮速度为大齿轮的三倍。而皮带由于弹力和打滑的问题，在传动时，不能准确无误的传递运动与力，同样的大滑轮为主动轮的加速装置，小滑轮的速度没有达到大滑轮的三倍。
(3)在传动时，能量损失比较大，和第二条同理。
(4)皮带容易破损。

3.传动链
传动链通常用于低速度大负荷的经济型动力传动装置，主要有滚子链和齿形链等种类。

传动链具有如下的特点：
（1）传动链传动时要求必须在同一平面连接，否则传动链两侧受力不均而容易断裂。
（2）传动链传动时，两个齿轮转动的方向相同，属于同向传动。这种传动方式不像齿轮啮合的传动方式那样可以改变运动的方向。
（3）在突然变速时，传动链的反应较慢，容易断裂。
（4）传动链每一节都可以拆卸，所以传动的距离可以自由调节。
（5）可以准确无误的传递动力，传动时主动轮转动一格，从动轮转动一格。
（6）传动链装置的速度和力的计算均与齿轮啮合传动相同。