關(guān)于樂高機(jī)械組氣動裝置系統(tǒng)你所需要知道的一切
在樂高集團(tuán)近日公布的3款機(jī)械組6月新品套裝中，有一款42157 約翰迪爾948L-II集材拖拉機(jī)引起了我們的注意。不僅是因?yàn)檫@款套裝是來自真實(shí)世界的載具，更重要的是，它帶有手動操作氣動裝置——也就是說非電機(jī)驅(qū)動的。
長期以來，氣動裝置一直是樂高機(jī)械組主題的一部分。在樂高機(jī)械組主題系列推出僅兩年后，第一款包含氣動裝置的套裝于1984年推出，但截至目前為止樂高機(jī)械組其實(shí)并沒有發(fā)布太多帶氣動功能的套裝。
如果不統(tǒng)計(jì)復(fù)刻重新發(fā)布的套裝、配件包和樂高教育系列的套裝，39年來樂高集團(tuán)只發(fā)布了28款帶有氣動裝置的套裝。
最近樂高集團(tuán)才公布了第29款氣動套裝42157?約翰迪爾948L-II集材拖拉機(jī)，當(dāng)然，帶氣動裝置的機(jī)械組套裝仍然很受歡迎。
如果你打算接觸這種氣動裝置的樂高套裝，像Pneumatics、V1、V2等詞匯可能會讓你一頭霧水，那么下面讓我們來解釋一下樂高氣動裝置吧。在此過程中，你將了解這種裝置系統(tǒng)的歷史、零件、原理、樂高套裝和MOC等等內(nèi)容。
氣動和液壓
“Pneumatic”是氣動的英語名稱，一詞來自拉丁語“pneumaticus”，而后者又來自希臘語“pneumatikós”，意思是空氣、呼吸或精神。在字典內(nèi)稱其為“在壓力下操作由空氣或氣體組成的容器”。
現(xiàn)如今現(xiàn)實(shí)生活中以空氣為動力的氣動可以普遍地從各種帶有壓縮機(jī)的設(shè)備上見到，你會發(fā)現(xiàn)使用這動力的設(shè)備有氣動手提鉆和沖擊扳手、汽車懸架和制動器（其實(shí)許多牙醫(yī)工具也都是靠氣壓運(yùn)行的）。?
氣動還有一個運(yùn)作原理差不多的表親——液壓，代表了另一種使用流體（通常是油）來傳遞動力的技術(shù)。液壓比起氣動來有一些優(yōu)勢，因?yàn)橐后w不像氣體那樣可以輕易被壓縮，這意味著它的力度傳遞更精確并且具有更強(qiáng)大的力量。
這就是為什么你會發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)用于各種重型機(jī)械，例如挖掘機(jī)、裝載機(jī)、起重機(jī)和拖車上。但另一方面，液壓系統(tǒng)很麻煩而且更昂貴。
因?yàn)樗鼈兎浅Ｏ嗨?，所以氣動系統(tǒng)可以用來模擬液壓系統(tǒng)，這正是樂高集團(tuán)在創(chuàng)造更逼真的重型機(jī)械模型時所做的事情。
對于樂高積木模型，力的大小和精度并不那么重要，但成本和易用性很重要。
拋開這些理論，讓我們回到樂高機(jī)械組的開端講起。
首次出現(xiàn)在套裝中
樂高機(jī)械組也叫科技系列，于1977年推出。當(dāng)時共推出四款套裝，一款電機(jī)零件套裝和一款額外的機(jī)械組零件包。在機(jī)械組零件的顏色種類開始快速擴(kuò)展之前，樂高集團(tuán)在1978年又發(fā)布了兩款機(jī)械組套裝。
1979年開始推出鏈條和胎面零件，1980年在套裝中增加了減震器、差速器和16齒齒輪，1981年推出中型輪胎、肘節(jié)接頭和轉(zhuǎn)向臂。然后后面推出新零件的速度放慢了一點(diǎn)，在1982年只增加了摩擦銷，1983年增加了3L軸。
1984年在套裝8851中出現(xiàn)了迄今為止最大創(chuàng)新的零件，也是本文的主題：氣動零件。
在當(dāng)時第一波的新品幾乎就帶來了氣動系統(tǒng)的所有核心部件：一個按壓產(chǎn)生壓力的泵、一個閥塊零件和一個控制壓力的開關(guān)，以及釋放出壓力的工作缸。
這是第一個版本的樂高氣動裝置，也被稱為Pneumatics V1。它是一種很簡單實(shí)用的動力系統(tǒng)，其核心是一個特殊的分配塊。它里面有兩個單向閥，所以可以在連接泵時，在一側(cè)接收氣體涌入，在另一側(cè)將氣體放出，并能阻止氣體回流。
樂高氣動系統(tǒng)1.0版本
如果將分配閥塊的兩側(cè)出氣口側(cè)連接到開關(guān)的兩側(cè)，則可以從開關(guān)中間的端口控制分配閥塊出氣還是吸氣。將中間的端口連接到氣缸，就可以使用開關(guān)控制氣缸。所有這些零件組裝起來的運(yùn)作示意都顯示在上圖中，推動紅色的泵，接著向左或向右撥動開關(guān)，氣缸中的桿會上升或下降。
4692單向閥分配塊
4694c01控制器
4701c01氣泵
4689c01單作用氣缸
8851 挖掘機(jī)還是那一年的旗艦產(chǎn)品，是一款令骨灰玩家印象深刻的模型，其帶來的獨(dú)特可動的機(jī)構(gòu)比幾年前發(fā)布的856 推土機(jī)更逼真，不過也不完美地使用了齒條。在樂高集團(tuán)意識到需要改進(jìn)后，又于1986年發(fā)布了第二款帶有這種氣動裝置的套裝8680?北極救援基地。
后續(xù)改進(jìn)的2.0版本
這個早期的1.0氣動系統(tǒng)有一個非常基本的問題，我們現(xiàn)在在這里試著解釋它——可能需要涉及一些物理知識。
樂高最開始開發(fā)的1.0氣動系統(tǒng)是一個帶有單向作用的氣缸系統(tǒng)，這意味著來自泵的壓縮空氣僅作用于工作氣缸的一側(cè)。這是它工作時的樣子：
單作用氣缸推動示意圖
藍(lán)色指的是來自泵的空氣。當(dāng)它通過氣缸底部的端口進(jìn)入氣桿零件的左室時，它會將活塞推向右側(cè)，這也迫使右室的空氣（粉色）通過活塞桿和缸體之間的縫隙中被排出。在泵的一側(cè)越用力，氣桿這一側(cè)左腔內(nèi)的氣壓就越高，和帶銷孔的活塞桿被推出的力就越大。到目前為止看來這個系統(tǒng)一切都還很正常。
現(xiàn)在如果我們反方向推回氣桿怎么辦？這時就不得不需要用到帶單向閥的分配塊，現(xiàn)在可以使用泵將空氣從氣桿左室吸出。來自外部的大氣壓將空氣通過活塞桿和缸體之間縫隙進(jìn)入右室，將活塞推入。
單作用氣缸牽引示意圖
現(xiàn)在問題來了，推回時作用于氣桿的實(shí)際上是大氣壓，也就是說無論你用多大的力氣在另一側(cè)抽氣，推動活塞的空氣壓力永遠(yuǎn)不會超過大氣壓力，即你在操作這一系統(tǒng)時你所處的空間內(nèi)空氣的壓力。這意味著汽缸的拉回的力永遠(yuǎn)不會超過這個大氣壓。那解決方案是什么？
改為雙作用氣缸可以解決這個問題，向外推動動作和單作用氣缸相比沒有太多變化。來自泵的空氣仍然進(jìn)入氣缸左室（藍(lán)色），而來自氣缸右室的空氣被推出（粉色）。唯一的區(qū)別是現(xiàn)在空氣通過氣缸上的第二個端口排出而不是像之前那樣通過活塞桿和缸體之間的縫隙。
雙作用氣缸推動示意圖
最大的區(qū)別在于收回氣桿，泵不再是將空氣從左室吸出靠大氣壓推動活塞桿，而是將空氣推入氣缸的右室（藍(lán)色），迫使空氣通過端口從左室排出（粉色）?，F(xiàn)在問題解決了，你在泵的一側(cè)抽得越用力，右腔的壓力就越高，氣缸的拉力就越大，作用于活塞桿的力也就越大。
雙作用氣缸牽引示意圖
你看懂了嗎？看不懂也沒關(guān)系，不影響下面的內(nèi)容。
了解完單作用氣缸和雙作用氣缸的區(qū)別，以及雙作用氣缸的運(yùn)行原理，我們現(xiàn)在可以來看看樂高機(jī)械組推出的2.0版本氣動零件。
樂高氣動系統(tǒng)2.0版本（V2）
首先是左側(cè)的泵體零件，這也是全新的。不僅僅是外觀有區(qū)別，這個全新的泵相比1.0版本的可以產(chǎn)生更加真空的內(nèi)腔，新泵內(nèi)部也整合了一個單向閥，只能通過其端口將空氣推出，因此不再需要額外的分配塊零件——因?yàn)椴辉傩枰獜臍飧字形隹諝狻?/p>
2797c03帶單向閥氣泵
2793c02雙作用氣缸
其次中間的開關(guān)零件還是4694c01，保持不變。但如上圖所述，右側(cè)的氣缸在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了明顯的變化。缸體在上方不但有了第二個端口，并且活塞桿的桿體從塑料材質(zhì)升級為金屬材質(zhì)?，F(xiàn)在全新的樂高氣動系統(tǒng)要簡單得多，起碼在裝置上更簡約。
將新系統(tǒng)投入使用
樂高氣動系統(tǒng)2.0版本在1989年推出，當(dāng)時共推出了三款套裝，通用零件包、8854起重機(jī)和8862反鏟裝載機(jī)。
三年后的1992年，設(shè)計(jì)師們在當(dāng)年的機(jī)械組旗艦套裝8868氣動裝置爪式鉆機(jī)中為氣動系統(tǒng)又引入了兩個新零件，一個體積更小的氣缸和一個體積更小的氣泵。
x189c01小號氣缸
x191c01小號氣泵
這個小號的氣泵不像大泵那樣帶有彈簧，兩頭帶有插銷孔讓它可以由電機(jī)驅(qū)動，變成一種可以電動的空氣壓縮機(jī)。
這種玩法正是當(dāng)年旗艦8868氣動裝置爪式鉆機(jī)這一傳奇套裝帶來的，是第一款配備機(jī)載電動壓縮機(jī)的氣動套裝。Technicopedia上有一篇關(guān)于這款套裝的優(yōu)秀文章值得一讀。
接下來一個創(chuàng)新的零件是67c01儲氣罐。一個帶有進(jìn)出連接口的藍(lán)色圓柱體，它只是用作存儲壓縮空氣的緩沖器。它在實(shí)際作用表現(xiàn)得也非常好，并為氣動裝置提供了更流暢的操作性能。1997年在套裝中使用了兩次，1998年又使用了一次。
67c01儲氣罐
背面
很奇怪的是，這個零件在那之后只出現(xiàn)在1997年其中一套的再版套裝中，并且在Dacta系列的套裝中以白色出現(xiàn)過一次。
由于儲氣罐這個零件產(chǎn)量數(shù)量很少，所以現(xiàn)在這是一個非常昂貴的零件。藍(lán)色二手的價格大約需要150元人民幣。同樣的Dacta系列套裝包含另一個現(xiàn)在也很昂貴的零件：壓力計(jì)，它只出現(xiàn)在一個短命的套裝中。
樂高氣缸零件的演變
與此同時，機(jī)械組的氣動零件已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向表面無螺栓的設(shè)計(jì)風(fēng)格，樂高集團(tuán)慢慢地在氣動零件上移除了零件表面的凸起的螺栓，小號氣泵和氣缸一直是沒有螺柱的，但在2003年，氣泵開關(guān)和中型氣缸也被設(shè)計(jì)成為無螺柱版本。
直到2016年才推出了沒有螺柱的大號氣泵零件。2011年，小號泵變得稍長了一些，以更好地適應(yīng)無螺柱的機(jī)械組零件體系，并在2015年推出了兩個更長的氣缸。下表為各種氣動零件的生產(chǎn)壽命。顏色中的數(shù)字是該零件在每年出現(xiàn)的次數(shù)。
大多數(shù)氣動零件都非常特殊，不能真正用于其他用途和搭建MOC，但有兩個零件是為了氣動系統(tǒng)開發(fā)的，并且已用于數(shù)百個其他套裝中。
首先是不起眼的T形連接器，它最開始是作為一個連接軟管的分離器使用的，用于將兩個氣缸連接到同一個開關(guān)上，但連接器標(biāo)準(zhǔn)桿的尺寸能夠?qū)⑷魏螏A的零件夾在它上面，使其成為一種多功能用途的零件，并已用于各種套裝和MOC中。
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機(jī)械組套裝之外的第一批使用它的套裝之一是5571 巨型卡車。
2011年，T形連接器的表親誕生了，帶十字軸孔的軟管連接器，這個零件后續(xù)也被用在近200款套裝中，也被證明用途廣泛且廣受歡迎。
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機(jī)械組之外的氣動套裝
到目前為止，我們已經(jīng)了解了機(jī)械組中的氣動裝置的工作原理、氣動零件以及發(fā)展歷史，但實(shí)際上還有另外兩種樂高氣動系統(tǒng)。
早在2001年，有一個短暫的主題火星系列也用過氣動原理的零件。
在它的旗艦套裝7317 氣動管吊架中有一個帶大型管道的氣動系統(tǒng)，可以用小型容器運(yùn)送特殊的火星人仔。這有點(diǎn)兒像在銀行或百貨公司使用的內(nèi)部郵遞傳送系統(tǒng)，通過管子吸入容器。
該套裝帶來了很多有意思的零件，特別是管道系統(tǒng)，還為我們提供了2x8的門板滑道。這個系統(tǒng)在2007年的火星任務(wù)系列中卷土重來，在套裝7690 MB-01 獵鷹號堡壘中被制作成用來發(fā)射飛鏢的設(shè)備。
這兩個不同系列的套裝都使用了一種按壓的氣動泵零件30584c01。
30584c01
最近一個是在2019年在兩個城市套裝60214 漢堡店消防救援和60216 城市消防救援隊(duì)中使用的可噴射的假水，此后就再也沒有見過。這兩款套裝都有一個橡膠材質(zhì)的氣囊，當(dāng)玩家擠壓氣囊時，一束透明藍(lán)色的管可以從桶中伸出。
在這兩款套裝中的另一套60216 城市消防救援隊(duì)中，一根普通的氣動軟管用于將梯子底部的氣囊連接到另一端的水管部分。表明這個氣囊在軟管和適配器零件的搭配下可以與機(jī)械組的氣動系統(tǒng)兼容。鑒于氣囊和機(jī)械組的氣動泵特性有些不同，此兼容性尚未在套裝中展示過。
樂高設(shè)計(jì)師都是是富有創(chuàng)造力的人，或許我們能在以后的套裝中看到氣囊與機(jī)械組的氣動系統(tǒng)搭配起來。
值得關(guān)注的氣動套裝
8851 挖掘機(jī)
這是樂高集團(tuán)在1984年推出的第一款帶氣動功能的套裝，與今天的套裝相比，這可能看起來有點(diǎn)兒粗糙和簡陋。但如果你以客觀的角度看待這款套裝，挖掘機(jī)的比例其實(shí)非常好，各種帶有可動的部位一目了然。在當(dāng)時這是一個很棒的套裝，這款套裝還帶來了帶螺紋的機(jī)械組車軸零件。
8868 氣動裝置爪式鉆機(jī)
這款是樂高集團(tuán)在1992年推出的第一臺帶有機(jī)載壓縮機(jī)的套裝。這輛外觀看起來非常堅(jiān)固的卡車配備了V6的發(fā)動機(jī)、內(nèi)部帶有電機(jī)，可以運(yùn)行壓縮機(jī)帶動背面的全氣動控制的起重機(jī)。這件套裝在當(dāng)時提高了旗艦套裝的標(biāo)準(zhǔn)，長期以來一直是機(jī)械組粉絲的最愛。
8455 反鏟鏟車
以前的氣動挖掘裝載機(jī)只在后部使用氣動裝置，而2003年推出的這臺鏟車火力全開——在前鏟斗、反鏟和支腿處使用了不少于7個開關(guān)和10個氣缸零件?？芍^是前無古人后無來者，在此之前或之后的氣動套裝都沒有接近如此多氣動裝置的，改進(jìn)這套套裝的唯一方法是添加一個儲氣罐。
42053 沃爾沃?EW160E 挖掘機(jī)
2016年上市的42053 沃爾沃?EW160E 挖掘機(jī)是一款很棒的套裝，它緊湊的車身尺寸中設(shè)計(jì)了功能齊全氣動裝置，還有很多很有用的零件。挖掘機(jī)的外表細(xì)節(jié)還原地恰到好處，看起來非常真實(shí)。最重要的是，這個模型可以添加一個電池盒和電機(jī)，將其氣動裝置改造成車載壓縮機(jī)版本。
42043 梅賽德斯-奔馳Arocs 3245卡車
2015年上市的這款42043 梅賽德斯-奔馳Arocs 3245卡車是目前所有帶有氣動系統(tǒng)的機(jī)械組套裝中尺寸最大的，同時在這款套裝發(fā)布時最大的機(jī)械組套裝——現(xiàn)在排到了第八位。這輛模型附帶的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氣動裝置一種，得益于齒輪箱，運(yùn)行壓縮機(jī)和電機(jī)，還可以延伸支腿、傾斜車斗或轉(zhuǎn)動起重機(jī)。最重要的是，它所有輪胎帶有懸架設(shè)計(jì)，并且可以四輪轉(zhuǎn)向。
值得關(guān)注的氣動MOC
另外我們還想重點(diǎn)介紹一些帶有氣動裝置的樂高M(jìn)OC作品，他們在氣動方面做得不錯。
第一個是Jennifer Clark帶來的，JCB JS220，她利用所有的氣動搭建經(jīng)驗(yàn)制作了這臺小型挖掘機(jī)。
JENNIFER CLARK設(shè)計(jì)的JCB JS220
這輛JCB是用樂高積木的杰作，它的履帶是電機(jī)驅(qū)動的，并且可以轉(zhuǎn)動上部結(jié)構(gòu)和用于動臂控制的氣動裝置。不僅模型的尺寸和可動范圍還原地非常準(zhǔn)確，在關(guān)于控制車輛上也是如此。為此她制作了一個定制的遙控器，通過一根裝有氣動壓縮機(jī)的軟管連接到模型。它具有控制與真正的JCB挖掘機(jī)相同功能的操縱桿。
第二位MOCer是荷蘭的Rene Kok。他意識到樂高氣缸零件的工作原理與蒸汽機(jī)中的氣缸完全一樣，用氣缸系統(tǒng)創(chuàng)造了一輛許多齒輪驅(qū)動的蒸汽機(jī)車。他很可能是第一個這樣做的人。
RENE KOK設(shè)計(jì)的SHAY 齒輪驅(qū)動蒸汽機(jī)車
通常的亮黃色氣缸零件在這個作品里看起來會格格不入，因此Rene使用了樂高教育系列套裝中的透明色氣缸，通過軟管連接到空氣壓縮機(jī)裝置上，這臺機(jī)車可以在軌道上運(yùn)行。
下一位MOCer將氣動發(fā)動機(jī)提升到了另一個層次。Alex Zorko可以說是一位氣動引擎專家。他用氣動零件模擬了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，投入了大量時間制作了一個樂高氣動發(fā)動機(jī)。但他的作品不適合樂高純粹主義者，他使用鉆頭擴(kuò)大氣缸上的端口以獲得更大的氣流，并使用潤滑劑以獲得更好的性能，最后他的V8發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過1500rpm，令人難以置信。
ALEX ZORKO的氣動V8發(fā)動機(jī)
樂高氣動零件制作的發(fā)動機(jī)也非常強(qiáng)大，Alex還將這些運(yùn)用到大型的機(jī)械組汽車中。
最后一位MOCer相信很多人看過他的作品，RAUL OAIDA搭建了有史以來最瘋狂的樂高氣動發(fā)動機(jī)MOC，一輛真人大小的汽車。這個汽車由256個氣缸制成的發(fā)動機(jī)提供動力，可以30公里/小時的速度行駛。作品毫無疑問使用了膠水，但它仍然令人印象深刻。
總結(jié)
值得注意的是，明年將是樂高氣動零件推出40周年（1984年）。樂高集團(tuán)會用特別的套裝來紀(jì)念這個里程碑嗎？也許推出一個全新的儲氣罐零件？也許帶有氣動零件制作的發(fā)動機(jī)？時間會給我們答案……
*本文翻譯自bricknerd，原作者Ronald Vallenduuk
