加法器与减法器
利用差速器的特性将多个电机的动力进行组合或分离的特殊机构。加法器将扭矩叠加以获得更强的驱动力，减法器利用速度差实现差速转向，两者都是构建高性能复杂模型的关键技术。
硬耦合的问题
硬耦合（Hard-coupling）是将两个电机直接连接到同一根轴上，强制它们以相同速度旋转。看似合理，实则存在严重隐患：
即使是同一型号的乐高电机，实际输出转速也存在 5% 到 10% 的差异。当两个电机硬耦合时，转速较快的电机会被迫”拖动”转速较慢的电机，导致两个电机都无法在最佳工作点运行。这会带来电机效率降低、发热增加、机械应力增大等一系列问题，极端情况下可能损坏电机或齿轮。
因此，当需要组合多个电机的动力时，应使用加法器机制来避免硬耦合的缺陷。
加法器：扭矩叠加的数学基础
工作原理
加法器利用差速器将多个电机的扭矩进行叠加。每个电机驱动差速器的一个半轴齿轮，输出从差速器壳体获取。差速器会自动平衡两个电机之间的速度差异，使每个电机都能在各自的最佳速度运行，同时它们的扭矩在输出端被叠加。
从数学角度来看，加法器的核心关系如下：
- 扭矩关系：T_output = T_motor1 + T_motor2（输出扭矩等于两个电机扭矩之和）
- 速度关系：差速器自动调节，使两个半轴齿轮的转速满足约束条件
这意味着使用加法器耦合两个相同电机，理论上可以获得翻倍的输出扭矩，同时保持与单个电机相同的工作转速。这种”自动变速器”般的效果使每个电机都能发挥最大效能。
多电机耦合
通过串联多个差速器，可以组合三个或更多电机的扭矩：
- 三电机系统：使用两个差速器，第一个组合电机1和2，第二个将其输出与电机3组合
- 四电机系统：使用三个差速器，形成两级加法网络
需要注意，每个差速器阶段都会引入约 5-10% 的效率损失。实际搭建中，超过 3-4 个电机的加法系统收益递减，增加的摩擦和复杂性开始抵消额外电机带来的扭矩增益。
应用场景
- 超重型履带车辆：组合多个电机扭矩以获得卓越的牵引力
- 大型起重设备：极高扭矩用于提升重物
- 空间受限的模型：使用多个小型电机代替单个大型电机，布局更灵活
减法器：差速转向系统的实现
工作原理
减法器是加法器的”反向”应用：不是将扭矩叠加，而是利用两个输入的速度差来产生输出。当两个电机以相同方向和速度驱动时，输出为零；当速度不同时，输出与速度差成比例；当方向相反时，输出最大。
坦克转向系统
减法器最常见的应用是履带车辆的差速转向。与传统的”刹车一条履带来转向”方式不同，差速转向始终保持两条履带都有动力，更加高效且逼真：
- 两个电机同速同向旋转时，车辆直线前进
- 两侧电机出现速度差时，车辆向慢速侧转向
- 两个电机反向旋转时，车辆原地旋转（零半径转向）
- 通过精确控制速度差，可以实现从宽弧转弯到原地旋转的无级转向
纵向与横向减法器
- 纵向减法器：输入和输出轴沿车辆纵向排列，适合传统布局的坦克和履带车辆
- 横向减法器：输入轴垂直于车辆长度方向，输出沿纵向传递。需要额外的锥齿轮组改变传动方向，适合需要优化内部空间的紧凑模型
设计要点
齿轮与差速器选择
- 优先使用新型28齿差速器，封装在 5x7 框架内以确保结构稳固
- 高扭矩场景使用双锥齿轮以减少齿隙并提高承载能力
- 关键轴应在至少两个位置有支撑，理想情况下三个
效率优化
- 尽量减少传动阶段，每个齿轮啮合损失约 5-10% 的动力
- 使用适当尺寸的齿轮，避免小齿轮承受过大扭矩
- 确保轴正确对齐以减少摩擦损失
加固建议
- 使用 5x7 或更大的无凸点框架支撑差速器壳体
- 电机安装座需要足够牢固，防止反作用力导致安装座变形
- 所有高负载轴使用轴套（bushing）防止轴向窜动
项目展示图片
硬耦合与加法器基础
硬耦合——两个电机直接连接到同一根轴上强制同速旋转
差速器的三个元素——两根轴（绿色和蓝色）和差速器壳体（红色）
加法器设计实例
两个 PF Medium 电机驱动差速器壳体（蓝色）和一根轴（绿色），另一根轴（红色）为输出
与上图相同的加法器设置，但电机并排放置
使用最新型差速器的加法器设计
使用最老型差速器的加法器设计
三个差速器串联耦合四个电机——每增加一个电机需要一个额外差速器
减法器设计
减法器输入驱动的履带车辆运动路径——D 为驱动电机，T 为转向电机
纵向减法器——适合长窄车身的履带车辆
横向减法器——比纵向版本更紧凑
使用蜗轮传动的横向减法器——防止一个电机驱动另一个电机
使用新型 28 齿差速器的全无凸点横向减法器