03 常 见 传 动
第3 章
CHAPTER 3
3.1　机械传动科技历史与现状
3.2　常见传动思维导图
3.3　典型案例实践
3.4　自主任务
3.5　活动反思
52 创意搭建与工程设计
3.1　机械传动科技历史与现状
机械传动在机械工程中应用非常广泛，主要是指利用机械方式传递动力和运动。
机械传动是利用构件和机构把运动和动力从机器的一部分传递到另一部分的中间环
节。其主要分为两类传动形式：一是靠机件间的摩擦力传递动力的摩擦传动，如带传
动；二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，如齿
轮传动、蜗杆传动。
人们使用不同的机械传动结构将动力所提供的运动方式、方向及速度加以改变，
如把高速运动变为低速运动、把连续运动变成间歇运动、把圆周运动变为直线运动、
把小转矩变为大转矩等，从而使其可以被有效利用到生产生活中。
中国古代传动机构类型很多，应用很广，机械传动的使用也反映了当时的社会生
产发展水平。地动仪、鼓风机等都是机械传动机构的产物（图3-1 和图3-2）。中国古
代传动机构主要分为齿轮传动和链传动。
图3-1　地动仪图3-2　鼓风机
3.1.1　齿轮传动科技历史与现状
齿轮是组成机械的基础件，齿轮传动是传动应用最重要也是使用最为广泛的一种
传动方式。从西汉初年至元末明初，古人对齿轮传动的研究与应用就达到了很高的水
平，并发明了一系列高度精密、复杂的古代机械[13，14]。 指南车（图3-3）、记里鼓车
（图3-4）以及东汉张衡发明的水力天文仪器上，都使用了相当复杂的齿轮传动系统。
这些齿轮只用来传递运动，对强度要求不高。
第3章　常见传动 53
图3-3　指南车图3-4　记里鼓车
在指南车中，除了两个沿地面滚动的车轮外，还有大小不同的7 个齿轮。《宋
史·舆服志》中记载了这些齿轮的直径、圆周、齿距与齿数等。齿轮传动系统和离合
装置的应用体现了我国古代机械技术的卓越成就。
记里鼓车则是利用车轮运动带动大小不同的一组齿轮，使车轮走满一里时，其中
一个齿轮刚好转动一圈，该轮轴拨动车上木人打鼓或击钟，报告行程。记里鼓车使用
了减速齿轮系，也体现了古人对利用齿轮进行运动计算的能力。
3.1.2　链传动科技历史与现状
水翻车是我国古代最著名的农业灌溉机械之一，可以被视为最早的链传动机构。
根据《后汉书》记载，水翻车由东汉时期毕岚发明，三国时期马钧加以完善。水翻车
分为上链轮和下链轮，使用木质龙骨叶板作为传动链条。下链轮和龙骨的一部分放入
水中，使用人力、畜力、水力、风力驱动动力后，龙骨叶板一边带动水翻车转动，一
边把较低水位的水提上来。该装置常用于农业灌溉，如图3-5 所示。
到了宋代，苏颂制造的水运仪象台上出现了一种“天梯”，实际上是一种铁链条，
下横轴通过“天梯”带动上横轴，从而形成了真正的链传动，如图3-6 所示。
图3-5　水翻车图3-6　水运仪象台
54 创意搭建与工程设计
3.1.3　现代机械传动方式
现代机械传动方式主要包括带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动、
齿轮齿条传动以及其他传动机构，如平面连杆机构、凸轮机构等。其中，链传动、齿
轮传动、齿轮齿条传动等常见传动将在本章进行详细讲解。由于连杆机构在积木搭建
中具有极其深入和广泛的应用，因此将连杆机构另列一章讲解。
带传动由一根或几根皮带紧套在两个轮子（称为“带轮”）上组成，两轮分别装
在主动轴和从动轴上，利用皮带与两轮间的摩擦传递运动和动力。带传动具有结构简
单、维护方便、运转平稳等特点，不过结构紧凑性差，传动比不准确，传动效率和耐
久性低。
蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋
之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆传动装置具有传动比大、结构紧凑、传动
过程平稳、无噪声、有自锁性等优点。但蜗杆传动的传动效率低，一般认为蜗杆传动
效率比齿轮传动效率低，其缺点是发热量大，齿面容易磨损，成本高。
螺旋传动是靠螺旋与螺纹牙面旋合实现回转运动与直线运动转换的机械传动。螺
旋传动按其在机械中的作用，可分为传力螺旋传动、传导螺旋传动、调整螺旋传动。
传力螺旋传动以传递力为主，可用较小的转矩转动产生轴向运动和大的轴向力，如螺
旋压力机和螺旋千斤顶等。一般在低转速下工作，每次工作时间短或间歇工作；传导
螺旋传动以传递运动为主，常用作实现机床中刀具和工作台的直线进给。通常工作速
度较高，在较长时间内连续工作，要求具有较高的传动精度；调整螺旋传动用于调整
或固定零件（或部件）之间的相对位置，如带传动调整中心距的张紧螺旋，一般不经
常转动 。
凸轮机构是由凸轮、从动件和机架3 个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具
有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，做等速回转运动或往复直线运动。当凸轮
机构用于传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动以
及暂时停留或各种步进运动；凸轮机构也适于用作导引机构，使工作部件产生复杂的
轨迹或平面运动；当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环。
因此，凸轮机构的设计和制造方法对现代制造业具有重要的意义。凸轮机构广泛地应
用于轻工、纺织、食品、交通运输、机械传动等领域。
第3章　常见传动 55
3.2　常见传动思维导图
积木搭建中常见传动方式包括连杆传动、齿轮传动、链条传动、棘轮机构及齿条
齿轮传动（图3-7）。其原理主要是依赖齿轮通过与其他齿状机械零件（如另一齿轮、
齿条、蜗杆）传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。
由于传动效率高、传动比准确、功率范围大等优点，齿轮机构在工业产品中广泛应
用，其设计与制造水平直接影响到工业产品的品质。
图3-7　传动思维导图
3.3　典型案例实践
3.3.1　齿轮传动实践案例
1. 情境引入
指针钟表（图3-8）上的时、分、秒3 个指针是如何实现秒针转一圈，分针走一
56 创意搭建与工程设计
个小格（一分钟）；分针转一圈，时针转一个大格（一小时）这样如此精确的运动来
显示时间的呢？为什么水平摇动着打蛋器的手柄（图3-9），却能引起搅拌棒垂直方向
的转动呢？
图3-8　手表图3-9　手摇打蛋器
要回答上述装置的运动问题，就不得不提到一个关键的机械结构——齿轮传动。
如果仔细观察，会发现生活中的很多地方都存在着齿轮传动，而这种精巧的机械运动
方式确实激发了人类无限的想象力和创造力，方便了人们的日常生活和生产实践。
2. 知识讲解
1）齿轮传动
齿轮传动是动力传动的一种形式，是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动
的机械传动，轮齿是齿轮直接参与工作的部分。
齿轮传动原理很简单，即一对相同模数（齿的
形体）的齿轮相互啮合将动力由甲轴传送（递）给
乙轴，最终完成动力传递，如图3-10 所示。
齿轮传动按照空间两转动轴间的相对位置不
同，可以分为平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动和
交错轴齿轮传动。
平行轴齿轮传动机构：两齿轮的传动轴线平行，如结构搭建中的水平传动。
相交轴齿轮传动机构：两齿轮的传动轴线相交于一点，如结构搭建中的垂直传动。
交错轴齿轮传动机构：两齿轮的传动轴线为空间中任意交错位置，如蜗轮蜗杆传动。
齿轮传动的优点： 传递动力大，效率高；可以保持恒定的传动比，传递运动比较
准确，传动平稳；能传递任意夹角两轴间的运动。
齿轮传动的不足：制造及安装精度要求高；不适于中心距较大的两轴间传动。
图3-10　齿轮传动
第3章　常见传动 57
齿轮传动有两种主要的传动方式，即水平传动、垂直传动。
（1）水平传动
水平传动一般是指主动轴和从动轴轴线
相互平行的传动，如图3-11 所示。
可以利用水平传动完成生活中的很多与
传动相关的创意搭建案例。图3-12 至图3-15
所示为可以快速旋转的打蛋器、可以向前行
动的机械马、电动的抽奖转盘和野餐必备的
极速烧烤架。
图3-12　打蛋器图3-13　机械马
图 3-14　抽奖转盘 图 3-15　极速烧烤架
（2）垂直传动
垂直传动可以选择不同类型的齿轮组合。垂直传动中较多使用斜面齿轮，由于斜
面齿轮的特殊结构，使它可以和其他齿轮进行紧密咬合，如斜面齿轮和冠齿轮组合、
斜面齿轮和圆柱齿轮组合 、斜面齿轮和斜面齿轮组合。此外，还可以使用冠齿轮和圆
柱齿轮进行组合。从咬合的紧密程度来说，斜面齿轮和斜面齿轮组合> 冠齿轮和圆柱
图3-11　水平传动
58 创意搭建与工程设计
齿轮> 斜面齿轮和冠齿轮组合> 斜面齿轮和圆柱齿轮组合，但因其组合尺寸不同，因
此要根据具体应用场景选择合适的齿轮组合，如图3-16 至图3-18 所示。
图3-16　斜面齿轮（左）
和冠齿轮（右）
图3-18　圆柱齿轮（左）和
冠齿轮（右）
图3-17　圆柱齿轮（左）和
斜面齿轮（右）
利用垂直传动，也可以搭建很多有趣的游戏作品。图3-19 至图3-22 所示为魔术
鸟笼、旋转秋千、摇头风扇、竞速小车等。
图3-19　魔术鸟笼图3-20　旋转秋千
图 3-21　摇头风扇 图 3-22　竞速小车
第3章　常见传动 59
2）传动比
传动比是指在机械传动系统中，其始端主动轮与末端从动轮的角速度或转速的比
值，也叫转速比。传动比的计算可以使用以下两种形式，即
传动比（i）= 主动轮转速（n1）/ 从动轮转速（n2）
传动比（i）= 从动齿轮齿数（z2）/ 主动齿轮齿数（z1）
对于同一组齿轮组合，两种计算方式虽有不同，但结果值一致。
如图3-23 所示，大齿轮的齿数是24，小齿
轮的齿数是12，大齿轮作为主动轮，则传动比
为12∶24=0.5。
齿轮传动比用来表征经过传动后转速变化。
传动比越大，速度越低，牵引力越大；传动比
越小，速度越快，牵引力越小。
为了获得更大或更小的传动比，可以进行
齿轮的复杂组合，也就是齿轮的多级传动。如
图3-24 所示，为了增大风扇的转速，可使用多
级的水平传动实现。
对于多级齿轮传动：①每两轴之间的传动比
按照上面的公式计算；②从第1 轴到第n 轴的总
传动比等于各级传动比之积。[15]
经计算， 图3-24 所示旋转风扇传动比为
（24/40）×（24/40）=0.36。同样，为了使得小车
可以获得更强的动力（F=P/v），在电机功率P
不变的情况下，需降低其速度v，使其获得更大
的力F。因此，采用多级减速传动，图3-25 所
示的爬坡小车的传动比为（24/8）×（20/12）=5。
3）蜗轮传动
蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运
动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于
齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。蜗轮蜗
杆两轴线间的夹角可为任意值，常用的为90°。
图3-23　24 齿齿轮与12 齿齿轮
图3-24　旋转风扇
图3-25　爬坡小车
60 创意搭建与工程设计
其具有以下特点。
（1）因为其结构比交错轴斜齿轮机构紧凑，所以可实现空间交错轴间的很大传
动比。
（2）蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪声很小。
（3）具有自锁性。具有反向自锁的机构只能由蜗杆带动蜗轮，而蜗轮不能带动蜗
杆，故它常用于起重机械或其他需要自锁的场合。
（4）传动效率较低，磨损较严重。
（5）蜗杆轴向力较大，致使轴承摩擦损失较大。
蜗轮蜗杆机构常被用于两轴交错、传动比大、传动功率不大或间歇工作的场合。
其中蜗轮蜗杆减速机是一种动力传送机构，利用齿轮的速度转换器，将电机的回转数
减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构，如图3-26 所示。在用于传递动力与运
动的机构中，减速机的应用范围相当广泛。
采用蜗轮装置可以完成图3-27 至图3-30 所示的创意设计，其主要采用自制蜗轮
箱或标准蜗轮箱装置完成。
图3-26　蜗轮蜗杆减速机图3-27　极速风车图3-28　可调躺椅
图 3-29　起重臂 图 3-30　爬坡小车