乐高8258产品结构优化改造

曾正文

2009年，乐高公司推出以卡车起重机为原型，产品编号为8258的机械模型作为当年科技系列（Technic）的旗舰产品。这款模型车辆设计有霸气红色外观、V8配置模拟发动机、两组包含2个动力环的动能分配器（换挡拨动装置）、并配备有X1电机和稀有铁钩零件。该产品设计新颖，一上市就受到乐高粉丝们的热烈追捧。但经过本人对该产品的反复研究和实践，虽说设计完美，但也存在着一些缺陷。

一、乐高8258产品缺陷分析

1、第一级吊臂极限位置打齿。该车共设计有四个技术动作（电机驱动控制），分别是第一级吊臂收放、第二级吊臂收放、吊臂塔台旋转、驻锄的支出和收回。对于其他三个功能，乐高官方分别在动能传动链中设计有三个离合齿轮。唯独第一级吊臂收放功能缺少这样的设计。

先从动能的传递说起。X1电机输出的动能经过一组90°啮合的齿轮组传到车中段底盘的几个齿轮，然后被分开传到了两根带有动力环的十字轴上，这时动能才被送达到由两组换挡拨动的“分配站”。将左边（靠车头一侧）拨片一端上拨，根据杠杆原理，左边动力环被拨片另一端压下来与下面的深灰色16齿齿轮卡扣。这个齿轮将动能传递给旁边的浅灰色16齿齿轮。由于旁边距离2个单位的一根浅灰色长粱（作用是固定传动前助锄的齿轮）的限制，只能通过12齿齿轮和20齿齿轮组合才能将动能往旁边的长黑色十字轴送。而离合齿轮只有24齿这个规格，其半径大于1个单位，会与浅灰长梁发生干涉。黑色十字轴直接通过一个万向节连接控制第一级吊臂的大La（直线伸缩杆），往上没有加离合齿轮的空间。动力从电机出来经过各种齿轮多个角度层层传递，损失了不少，当到达输出口时扭矩已经减小很多，远不及大La离合扭矩。而当大La极限位置时，阻力会突然变大，传过来的动能又不足以通过大La离合摩擦来消耗，造成传动链中间啮合强度较小的齿轮组发生打齿。同样的问题也出现在42043控制货斗的功能上。最后结果是整个第一级吊臂的传动链没有安装一个离合齿轮，而且传动齿轮较多动能损耗大不足以达到大La离合扭矩，从而导致技术动作极限位置時传动齿轮只有发生打齿来释放动能。

2、后两轴只有一轴驱动，每一轴只有2个轮胎，与现实不符。现实中前四后八的随车吊，一般是后两桥驱动，但乐高设计时在车后端为了容纳xl电机，取消了一轴的驱动来节省空间，每轴也只有两个轮子，这在实际运用中是存在缺陷的。

3、牵引盘功能欠缺。乐高只设计出牵引盘的外观，没有锁扣等装置，不能完全实现牵引功能。

4、其他设计缺陷。车门仅作为装饰部件不可打开，座位大小比例不合适等细节设计不到位。

二、乐高8258优化方案

1、关于吊臂打齿。优化方案是替换浅灰色长粱，腾出空间给离合齿。基本思路是走“换长粱、加离合”。用2根L型零件和一根较短粱再加一些连接件构成的结构错开会发生干涉的空间。从设计来看，其改造将会与离合发生干涉的连接结构向上被移了一个单位，但仍保证黄色直角连接处的2个16齿浅灰色齿轮有固定位。当与离合发生干涉的那根粱被替换后，中间1个灰色齿轮就只有一端是固定的。连接这个齿轮的十字轴长度较长，齿轮不是那么容易移位，所以加固必要性不大。但另一个16齿浅灰色齿轮就只用了一个米色无阻尼43093连接，两端固定位间距也较短，很容易发生移位。解决这个问题方法是用编号为32013的红色零件。齿轮用一根3单位带帽截止轴就可以两边都固定了，接着是吊臂上的齿轮对应改动。理论上，在经过动力环的前提下离合齿越往前放越好。离合向动能传输链上游放置才避免极限位时的打齿而不是离合现象出现。简单来说，如果离合组放置离电机输出端太远的话，动能经过层层损失，到达离合齿的等就很少了，甚至达不到让离合齿离合的扭矩，这样离合齿就没有起到应有的作用。

2、增加驱动轴和轮胎数。车体后端主要分布有一块X1电机、牵引盘、差速器和车轴。首先是对X1电机的位置进行调整调整（加装的差速器占了电机原有的固定位）。本人将X1向上移了几个单位，虽然一部分露出车体，但有牵引盘的遮挡，不算太突兀。紧接着的工作是X1电机的固定。如图A是X1电机输出动力的一个传动截面。由于X1扭矩巨大，3个齿轮之间总是发生打齿现象。解决历程如下：如图B，最早本人想到的稳固结构来固定两端，但由于空间限制（结构必须在同一个单位平面），竖着的长粱没有办法安置。只能靠像左面那两根轴套来固定。但由于X1扭矩实在是很强大，加上轴套固定法的最大稳固力不是轴套本身的抗拉力而是轴与粱的最大静摩擦力，所以X1使得齿轮啮合受力时挣脱固定零件束缚而打齿的现象仍然频发。最后，问题依赖于一个零件而得到解决：如图C，浅灰色栓垂直连接件（编号55615）。这个一体化零件使3个孔位依靠零件抗拉力而稳固，受力时发生形变的程度比用多个零件组成的结构的形变程度小得多，因而再也没有打齿的现象发生。连接效果如图D。通过一些小零件就把车身和车尾连接好了。

3、牵引盘的改装。可以用皮筋零件做一个简单的自锁装置，该设计的牵引板车配合完成牵引盘自锁功能。

4、部分细节优化。一是车门的开合功能实现及座位大小调整。座位可以选择产品编号为42043的设计大小。在8258车门周围更换3个蓝色长栓就可以实现开合功能，但开合角度较大时两个面板之间会发生干涉并磨损，而且对车头稳固性有一定影响，还需改善。二是在铁钩上加装动滑轮，原版套件配有的吊线比较短，所以改动滑轮需要加长，动滑轮零件编号4185;三是挡泥板加宽，顺带设计有类似42043的止轮块的放置槽;四是发动机散热风扇外观优化。用编号为41530的8叶螺旋桨零件代替原配的编号为44374的3叶带孔臂零件，使得V8的散热风扇看起来更为粗犷，增加真实感;五是统一车顶灯颜色，加固电池盒外面板固定，加固车尾驻锄固定

三、乐高8258产品优化引发的思考

1、科技系列理想扭矩不等式：A.传动齿轮打齿>B.传动锁死（憋电机）>C.传动（电机）输出>D.La（推杆）打齿>E.离合组离合。解释：A>B：在极限位或卡死时整个传动没有打齿（即齿轮啮合良好）而是卡住电机，电机有限流保护所以短时间卡死不会造成大问题。但齿轮多次打齿后形状改变影响传动，而且一股传动齿轮位于结构内部不易更换;B>C.没有打齿和离合发生;C>D、E：电机启动限流保护时的伤害还是大于后两者的离合磨损的，电器零件比较贵，应减少损耗;D>E纯粹是本人个人觉得La离合声音有点接近打齿声，声音不好听。有两点值得一提：一是小La离合扭矩比离合齿离合扭矩小，但仍有用离合齿轮“保护”小La的例子，比如42030装载机的转向改造;二是多个离合齿轮串联在同一根十字轴的离合齿组离合扭矩是可以叠加的。

2、乐高科技系列常见问题解决：大La本身有极限位置离合保护，为什么多此一举要添加离合齿轮？经过本人多次实际操作来看，使大La自动离合的扭矩是相对比较大的，像编号为8264套件设计的这种大La直接连电机倒没什么问题，m电机扭矩大过离合扭矩。但8258吊臂的动力从电机出来经过各种齿轮多个角度层层传递，损失了不少。当到达输出口时扭矩已经减小很多了，远不及大La离合扭矩。这样当大La极限位时，阻力会突然变大，而传过来的动能又不足以通过大La离合摩擦来消耗，所以中间参与传动的啮合强度较小的齿轮组会发生打齿。同样的问题也出现在42043控制货斗的技术动作上。

3、技术动作相互共振问题。问题描述：两根La动力都来源于同一根动力环，如果没有连接到La时（即之间连接断开），深灰色16齿齿轮会因为微小摩擦力被带动，这很好理解。但所有齿轮装配完毕时，挂档操作一个La，另一组齿轮也会运作带动另一根La产生一定的技术动作（速度缓慢但在运作）。16齿齿轮与十字轴之间的摩擦力显然小于带动La及一系列连接齿轮所需的动力，难道是因为共振带动的？更奇怪的是，当挂档的La极限位离合齿轮发挥作用时，另一根受“共振”的La转速和扭矩都会明显增大，从整体来看，好像是电机要找一个泄口来消耗本该给挂档La的动能。但从局部传动来说，这两个功能是没有硬性齒轮相连的，只有一个动力环在电机和两个功能间充当动能分配器。