齿轮如何转动世界丨混乱博物馆_风闻

　　古希腊人对于理性的崇拜，在世界范围内的早期文明形态中都属于个例。本期节目，我们将从小小齿轮中窥见先哲们对于世界的理解和认知。从天上的星辰到实际的工程，对自然的模仿是很多学科发展的基石。

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　　－文字稿－

　　齿轮在人类文明中的应用可谓历史悠久，其中最为人所熟知的装置莫过于机械钟表（Mechanical clocks）。在相当长的一段时间内，欧洲学者们都将自动机械钟表的起点定在14世纪，直到后来的一项考古发现打破了传统认知。

　　1902年，在检查一份罗马时期的沉船遗物时，考古学家斯泰斯(Valerios Stais)发现了一个残缺但精巧的青铜齿轮装置。他推测这可能是一只天文钟，但绝大多数其他学者认为：一个由超过30只以上的齿轮组成的精巧机械结构，绝不可能由中世纪晚期之前的人造出来。

　　直到1974年，英国物理学家普莱斯（Derek De Solla  Price）通过该装置的正面铭文，结合其他考古证据，得出该机械的制作时间大约在公元前87年的古希腊时期；并且，通过X射线成像技术，人们得到了齿轮装置内部的大致结构信息并得出结论，它的确是一台天文钟。

　　在古希腊，人们观察到天体似乎会遵循某种规律，周期性出现在特定位置。一些追逐极端理性的人并不满足于单纯的神话解释。他们一边记录这些天文现象出现的时间，一边归纳总结，并试图建立模型对其进行模拟，这其中就有我们熟悉的柏拉图（Myth of Er, a section of the Republic., Plato）和他的学生亚里士多德。约公元前4世纪，人们确立了地心说模型（Geocentric model），并由天文学家托勒密（Claudius Ptolemy）完善这一体系。

　　以此为基础，古希腊人开发了周转齿轮（Epicyclic gear），又称行星齿轮（Planetary gear）。简单的行星齿轮就如同公转模型一般，可被分为四个部分，它们是太阳轮，行星轮，齿圈和行星架。

　　齿轮的基本原理就是通过彼此啮合来进行传动，并借此改变力的方向，速度和力矩（Torque：力矩是力与力臂的乘积）。在不考虑能量损耗的情况下，两个相互接触的齿轮于接触点上的线速度是相同的。而通过大小齿轮的搭配连接则可以放大或缩小扭矩，并以此提升或降低旋转的角速度。体系中两个齿轮的角速度之比被称为传动比，与二者的齿数之比成反比。

　　根据这个原理我们可以看到，该装置是如何将太阳和月亮指针的运动相联系的。根据古希腊天文家默冬发现的天文周期——默冬章（Metonic cycle），即用235个朔望月与19个回归年的时间长度大致相似，来协调阴阳历法的时间差。装置的设计者十分巧妙地找到了一组完美的齿轮比例来接近他们观测的数据。

　　我们可以看到在这组复合行星齿轮中，太阳轮64齿，月轮32齿，两个复合同轴行星轮分别为38~48齿和24~127齿， 以如图像所示方式啮合。由此可得月轮和太阳轮的角速度比率为64/38x48/24x127/32=254/19≈13.36842——即月轮的角旋转速度是太阳轮的254/19倍。

　　古希腊人认为行星的运动轨道应该是完美的圆形。但是这与实际观察到的一些星象日期，比如月相周期相冲突。针对这个问题，装置设计者也给出了改良方案，就好似数学方程中的补丁，在行星齿轮中玩「套娃」，用一种行星差速轮（differential）的方式解决了。

　　这样一份古老而珍贵的技艺曾黯然消逝于欧洲的历史长河中，直到14世纪左右，人们才通过拜占庭的资料遗产重新「发明」了行星齿轮组。可惜，这份精妙的设计并未在钟表行业外得到广泛的运用。直到工业革命时期，人们对生产效率和输出功率的需求陡增，才使机械结构方面的研究得到了重视，进而大幅提升其水平。

　　在第一次工业革命后期，机械齿轮结构的发展到达了一个小高峰。1819年，英国数学家巴贝奇（Charles Babbage）在看到人工运算的对数表错误百出时，提出了一个非凡的设想——设计并制造一台机械计算机来进行自动运算，以此规避由于人工运算产生的低级错误。但受限于当时的精工制造水平，工厂所生产的零件不能达到其所需的精密度，机械计算机的浩大工程最终搁浅。

　　虽然动能转化成信息的努力失败了，但动能转动能输出功率的相关成果却得到保留，并在新时代焕发活力。行星齿轮纯扭矩传动的特点保证了其出色的传动效率，使得其输入输出比维持在一个较高的水平；此外，由于其中每个行星轮所分配到的力矩是相等的，因此可以保证动力输出的稳定性。这为接下来出现的多动力输入∶输出的情况提供了解决思路。

　　20世纪70年代爆发的石油危机，使得包括汽车在内的许多产业受到挑战。各大公司不得已开始改进制造策略，比如减少排量、使用替代能源，或是研发油电混合动力系统。其中丰田公司创造性地利用行星齿轮动力分配的特点，将其与多个动力输入∶输出源相连接，达到提升能源利用率的目的。

　　1台发动机+2台电机提供动力的系统看似简单，它由行星齿轮的不同位置接入不同动力源，用于动力分配。但精妙之处在于，它可以将发动机的功率分到不同的去向，比如一部分用于驱动车轮，另一部分进行发电。

　　雷克萨斯不仅继承了这套混动技术中的精华，还通过搭载大扭矩，高功率的小尺寸电机，兼顾了旗舰品牌本身所专注的驾驶乐趣。比如ES 300h车型中的混动系统，就由一台2.5升阿特金森循环发动机，2台高效永磁同步电机，还有以行星齿轮为核心的E-CVT电子无级变速系统所构成。发动机和电动机既可以单独也可以一同为车辆提供动力。

　　当动力输出溢出时，多余的动能被转化为电能储存起来，免去了频繁加油或外接充电的烦恼；当电能富余时，电能利用来驱动车轮，让驾驶者尽享静谧旅程；又或者是在加速时，两者协同运行，提供稳定、强劲的加速体验。多种多样的动能分配组合充分挖掘车辆潜能，是雷克萨斯智·混动系统的天然优势。

　　齿轮结构的或繁或简都是为了工具使用效率的提升，进而提升使用感受。让古典智慧与现代科技交相辉映，更好的为用户的驾驶体验而服务，雷克萨斯始终贯彻这一信念。