乐高火车系统发展史 — 从木质到智能的70年历程
一句话总结：全面回顾乐高火车系统从1960年代至今动力系统、轨道技术和电机设计的完整发展历史，详细分析了各时代技术方案的优缺点。
完整内容
引言
乐高火车最迷人的特性之一就是它能够开动！根据物理定律，要动起来就需要能量，特别是电能。不过在我们讨论电力驱动之前，应该提到我们很多人的乐高火车之旅都是从”手动推动”开始的。我还记得三岁时收到我的第一套乐高火车套装，它没有电池驱动，而是靠我们的手臂”自我驱动”！对大多数孩子来说，我们的玩乐体验都是这样开始的。我们不需要知道电路如何工作，不需要知道电机和开关怎么连接，也不需要了解基本操作原理。我们只需要把火车放在轨道上推着它走就够了（当然还会自己配上音效！）
最终，我们会意识到让火车自己动起来真的很酷。于是，玩电力驱动乐高火车的旅程就开始了。自从1960年代末乐高推出火车以来，乐高为我们提供了多种方便儿童友好的方案来让火车动起来。这些方案既有基于电池的，也有基于轨道供电的，并随着轨道系统和乐高零件系统本身的变化而不断改进。
深入研究这个主题后，很明显它悠久的历史和技术深度值得不止一篇文章。因此，本文将是关于乐高火车动力三部分系列文章的第一篇。该系列将包括以下主题：
- 电机、电池和控制器的历史回顾
- 搭建、操作和维护技巧建议
- 电机和控制技术；乐高火车的未来可能性
本文的历史回顾将集中分析乐高发布的火车动力系统和产品。这些系统随着时间演变，可以分为不同的”时代”或主题。这些时代大致可以通过轨道和电气系统架构的独特组合来表征。每个时代都有非常不同的操作和性能特征，也反映了乐高系统本身演变的影响。诸如新零件和相邻主题（如科技、Mindstorms等）都影响了每个乐高火车时代的零件和架构。
最后，由于可能存在大量相关产品和零件，我将产品焦点局限在那些主要或专门用于火车主题的零件。例如，有很多通用的9V、科技、Power Functions电机可用于火车；然而，本文将严格专注于火车电机产品。我们的理念是探索专为火车主题需求设计的乐高零件的独特特性，这与跨多个主题的通用设计零件不同。
从纵览乐高火车主题的整个历史（跨越五十多年），可以区分出六个不同的时代。这些时代主要以轨道系统和动力/控制源的组合为特征。火车爱好者非正式地常将乐高火车历史称为”蓝色时代”、“12V时代”、“9V时代”等。本回顾中的时代划分与此大致对应，但使用基于独特技术特征和属性的更严格分组。
从最高层面看，可以将整个乐高火车主题分为两个不同类别：轨道供电和电池供电。
这种划分独立于轨道系统或时间段。几乎在整个火车主题历史中，电池和轨道供电火车一直共存。
从另一个角度，可以按基础轨道系统划分火车主题。在这种情况下，我们实际上有三个类别：蓝色/灰色时代、9V金属时代和RC塑料时代。
记住这些划分，我们可以在下面的时间线图中看到六个不同时代或主题的轮廓。
我从动力系统角度确定了乐高火车的六个主要时代如下：
- 4.5V电池供电
- 12V轨道供电
- 9V轨道供电
- RC电池供电
- Power Functions
- Powered UP
下表显示了每个时代关键属性的摘要。
有了这个参考框架，我们现在可以深入每个动力系统时代基本组件的细节。我将此分析分为三个功能类别的零件：电机、电池系统和电源控制器。
电机是任何动力乐高火车的核心，无论是电池还是轨道供电。乐高历史上不仅为火车，也为其他主题（如科技和Mindstorms）开发了许多电机化积木零件。许多电机元件设计为通用型，适合集成到任何类型的模型中，如汽车、起重机、推土机、机器人等。
然而，乐高系统确实开发了专门针对火车主题的电机零件。这些电机必须满足火车动力特有的外形尺寸或性能要求。此外，我们必须记住，乐高产品专门针对儿童及其需求。特别是，电机产品必须对所有年龄和能力的儿童来说都易于安全使用。火车电机必须具有”交钥匙”或”即插即用”的简单性，让玩乐体验相对快速，挑战最小。
下面的时间线图显示了每个动力系统时代相关的电动元件时间线。
乍一看，每个主题似乎都有独特的电机解决方案。如果放大整个火车电机元件范围，实际上只有两种不同的外形尺寸：
- 砖盒式（12 x 4 凸点 × 10 板高）- 2轴，6凸点轴距
- 电机转向架（10 x 4 凸点 × 7 板高）- 2轴，6凸点轴距
所谓的”砖盒”实际上是乐高最早的电机产品之一，是跨多个主题使用的通用元件。在我看来，它的外形尺寸似乎更多受到火车内置需求的影响。4凸点宽度和6凸点轴距是基本属性，至今仍然存在。
“电机转向架”外形尺寸才是乐高火车电机化的核心本质。在对每个时代的电机元件进行详细分析之后，我们将在本节末尾更详细讨论这种外形尺寸。
4.5V电机元件采用经典砖盒外形尺寸。轮子摩擦固定在6凸点轴距上对齐的四个轴孔位置。火车使用带凸缘的轮子；然而，相同电机也可使用带橡胶轮胎的无凸缘轮子，因此它在火车之外也可通用。电机通过沿着机身放置的多个电气连接器端子之一连接到电池电源，端子在两端垂直向上或水平面向两侧。
这种电机值得注意的一个特性是其内部结构围绕二分体压铸金属 chassis构建。这赋予电机机械耐用性，更重要的是重量。超过150克的重量增加了牵引力，增加了车轮胎面与轨道接触的压力。
机械特性：4.5V/12V 砖盒电机 (bb0006, x469b)
电机两端的底面都有一个4x2砖空间，可用于安装功能配件。这些包括：
12V动力系统跨越了从经典”蓝色轨道”时代到1980年开始的”灰色轨道”时代的转变。因此，12V四轨系统同时提供砖盒和电机转向架两种外形尺寸的电机。
砖盒电机（x550a、x550b）在外观上与4.5V或12V电机相同。在内部，它们安装了不同额定电压的电机，对应相应的电压。可以通过顶面的一个小开孔识别，开孔显示电机外壳上印刷的色条：红色条印有”4V”标记，黄色条印有”12V”标记。
机械特性：12V 电机转向架 (bb0012)
12V电机转向架是产品工程的精美典范。强大的有刷直流电机封装在二分体压铸金属 chassis中。电机轴从电机外壳两端对称伸出，安装黄铜蜗轮。蜗轮传动提供非常高的扭矩，赋予电机巨大的牵引附着力。另一个优点是外露的电机刷不封闭在电机壳体内。这使得电刷和换向器易于清洁和更换（如果需要）。压铸金属 chassis赋予电机重量附着力、刚性机械公差给传动机构，并可作为热沉改善电机的运行续航。
9V电机转向架是随着向9V金属轨道系统的过渡引入的。它保持了与12V电机转向架相同的电机转向架外形尺寸，但它是唯一一款配备金属轮子的乐高电机产品。
机械特性：9V 转向架 (590)
9V电机转向架是一个妥协设计。与之前的电机元件不同，它内部没有压铸金属 chassis。从重量规格可以清楚看出，它在相同体积下重量只有12V电机转向架的一半。低成本结构显而易见，使用了亚洲的Buhler电机而非德国电机，尼龙塑料齿轮和模塑塑料轴承。考虑到目标市场是儿童玩具火车，这种成本降低是可以理解的妥协。包含9V电机转向架的乐高火车套装不超过四到五辆相对轻型的车厢，完全在该电机的性能范围内。
RC、Power Functions和Powered Up时代的电机转向架元件放在一起讨论，因为从外形尺寸角度看，这些电机之间差别很小。不同之处在于电机性能（RC电机最差，PF和PU电机令人满意），每个电机都连接着与其系统身份对应的不同连接器端。
机械特性：RC 电机 (x1688)
RC电机是在9V金属轨道系统退役和塑料轨道电池供电火车取代之间（事后看来）作为过渡引入的。它保留了深受喜爱的9V 2x2金属凸点连接器作为电气端，并对电机转向架外形尺寸引入了几个关键更新。这些包括：
- 科技十字轴桶用于轴+轮子安装
- 整体高度更浅（增加轨道上方净空）
- 螺丝固定二分体外壳（而非塑料卡扣）
机械特性：Power Functions 电机转向架 (87574c01)
Power Functions系统的推出取代了短暂的RC动力系统时代。随之引入了改进型电机转向架。在外，壳体外形尺寸相同，除了9V连接器退役，更换为硬接线4路Power Functions电缆组件，终端带有新的Power Functions 2x2凸点可堆叠插头。在内部，OEM电机更换为高性能电机。
机械特性：Powered-Up 电机转向架 (bb0896c01)
可以理解，乐高火车爱好者对引入Powered Up系统取代Power Functions感到担忧。Powered Up电机转向架替代品基本上与其Power Functions前身相同。明显的区别是6路硬接线PU电缆组件，终端带有新的PU模块化插头。在内部，机械布置相同，唯一区别是电机壳体顶部安装了新的PCB，用于端接PU电缆并形成组件安装和电机端子电气互连的基板。
火车转向架外形尺寸
如前所述，1980年随12V电机转向架引入的电机转向架外形尺寸至今基本保持不变。其关键特性包括：
- 6凸点（48毫米）轴距
- 科技半销中心旋转安装
- 两端各有一个2x4凸点”架子”，用于安装转向架侧框和/或缓冲器/连接器元件
尽管从1980年到今天电机转向架的整体外形尺寸相同，但每个时代之间存在一些细微差异——主要差异在于底部接地间隙和轴中心线。这些差异不影响行驶高度和缓冲器高度的关键尺寸。通过改变轮子直径可以补偿轴线变化，保持正确的行驶高度。
电池供电火车必须将电池有效载荷要么集成到机车中，要么伪装成不显眼的车厢。最初，电池装在一个”经典”盒子元件中，带有简单的偏心双向开关。这个盒子的笨拙尺寸（11 x 6凸点 × 10板高——实际上是11 x 7凸点，因为外悬）使得难以隐藏在火车中——通常被装扮成蒸汽机车的煤水车或通用罐车。
1972年，乐高推出了专用车厢元件，可在6凸点宽的轮廓内垂直安装3节C型电池。这种车厢一直生产到1980年代末，直到9V动力配件系统引入。
从火车主题的角度看，电池盒在9V系统转型之前经历了短暂的中断——首先是过渡RC系统，然后进入流行的Power Functions系统时代。
机械特性：经典电池盒 (bb0045)
经典电池盒很大，但它是那个时代的产物。在1960/70年代，较小电池尺寸（例如AA、AAA）不太常见，小型便携式电池产品也不多。此外，较大的C型电池简单地具有更大的能量容量，将提供更长的运行续航。
经典电池盒笨拙的外部尺寸确实影响了它在火车中隐藏的能力。通常，它会被伪装成蒸汽机车的煤水车。
机械特性：电池车厢 (3443)
为了避免经典电池盒的限制，乐高大胆地选择为火车生产专门建造的电池车厢。这对火车主题而言一定是一项重大的成型和制造投资，因为只有火车主题专门受益于此。无论如何，这种电池车厢很好地服务了火车主题——以不同车身颜色、轮子和连接器发布了不少于10种变体。
使用专用车厢还允许集成两个功能巧妙的特性：
- 偏心双向开关侧面安装在轮子高度。在这个高度，它可以与轨道旁配件互动，这些配件可以停止和/或改变火车方向。
- 底部安装的电源中断按钮可用于通过轨道安装的坡道配件停止/启动。
机械特性：RC 火车底盘（带电池盒+控制器）(55455)
电池车厢在1985年实际退役后，将近二十年过去才推出另一款火车专用电池容器。在2000年代初/中期，很明显9V电气配件系统即将结束，替代品即将出现。对火车迷来说，这意味着令人失望的9V金属轨道系统退役，并过渡到塑料轨道上的电池供电火车。
此时，后来成为Power Functions系统的产品还没有完全开发好。作为火车的临时解决方案，从2007年到2009年短暂推出了基于红外（IR）遥控的RC系统。为了容纳电池和红外控制器，必须进行重大投资开发定制的6 x 30凸点底盘，带有集成电池支架和电子元件（55455）。该元件仅在两套中使用，每套用不同颜色（黑色和白色）模塑。
这种元件缺乏灵活性，但它弥补了紧凑集成的不足。使用6节AA电池的决定确实比Power Functions AAA电池盒提供更大的能量容量，更长运行时间和更大峰值电流输出。红外接收器传感器安装在底盘两侧，这有助于最大化IR信号检测。最后，这个元件可能是最后一个保留9V 2x2凸点连接器特性的元件，该特性集成在顶部凹槽中，使用标准9V电缆组件连接到电机转向架。
机械特性：Power Functions 电池盒
Power Functions时代为乐高火车迷提供了（我认为是）最灵活的动力产品系列。Power Functions提供不少于3种电池盒：适用于科技模型的AA电池盒（59510）、AAA 8x4凸点电池盒（87513），以及Li-Ion 8x4充电电池盒（84599）。我将评论局限于8x4外形尺寸盒子，因为从火车搭建者角度来看它们是最相关的。
无处不在的8x4 AAA电池盒随每个Power Functions火车套装提供。它外形紧凑，可高效容纳6节AAA电池装入支架。顶盖具有状态LED、开/关按钮，以及用于电机独立操作（无遥控器）的方向选择开关。这使得电池盒对火车搭建者和使用电机或灯光的其他乐高模型和MOC搭建者都非常通用。
随着出色的84599可充电电池盒的推出，这种外形尺寸的通用性更进一步。它具有锂离子电池更大能量密度的优点（尽管峰值电压略低，约为7.6V），并且环保可充电，不会消耗大量一次性碱性电池。此外，通过引入控制旋钮来在固定（非遥控）应用中连接电机时设置速度和方向，进一步扩展了本机的通用性。
不提到58123c01 IR接收器，这个描述就不完整。在几乎所有火车应用中，电池盒都用于为IR接收器模块供电，然后IR接收器模块控制一个或多个连接的PF电机。在典型火车套装机车中，这将是单个PF电机转向架。然而，简单升级到两个电机转向架可以很容易通过连接到同一个IR接收器实现。此外，火车可以不用电机转向架建造，而使用来自M、L或XL PF电机的科技传动机构。这在建造蒸汽机车时很常见，因为电机转向架没什么用处。
轨道供电火车的两个时代绝对是我看来最令人兴奋和有趣的。1980年代12V”灰色”火车时代所谓乐高火车”黄金时代”既是鼓舞人心也是独一无二的。无法想象的广泛产品范围向我表明，乐高遵循产品”系统”思维方式。该系统设计为凝聚力的零件家族，支持大小不同的火车迷布局野心。你可以逐步发展你的布局，并且安心知道所有零件都能一起工作。
随着12V火车时代的结束，基于当时全新9V动力配件系统的新时代出现了。对火车迷来说，最大的变化是全新轨道系统架构的变革。轨道元件不再是积木搭建的轨道元件（如”蓝色”和”灰色”轨道时代），而是模塑为整体元件，带有压接金属轨道，由冲压镀镍铜铍制成。乐高火车第一次能够像传统比例模型火车一样操作。火车可以通过金属轮子直接从轨道获取能量进行驱动和控制。
唉，在乐高火车历史上，我们只收获了两个不同的轨道供电火车时代，如下面的时间线所示。每个时代都有自己核心动力和控制元件。不可否认，12V时代有三个电源变压器；然而，灰色2864控制器产生了最显著和有意义的影响。
12V 电源控制器 (2864)
如前所述，12V火车系统时代非常神奇和鼓舞人心。它的核心是2864电源控制器。这个元件有几个值得注意的特性：
- “电站美学” - 浅灰色模塑盒子设计得不会在火车布局旁显得突兀，因为它看起来有点像真实铁路旁典型的线路侧变压器。简约美学恰到好处且永不过时
- 外露凸点 - 顶面上有两排外露凸点，允许搭建者装饰变压器以便标记或识别，或者在周围和顶部搭建，融入周围布局。此外，速度控制旋钮实际上只是一个十字轴插座，可以插入更大的旋钮。这允许搭建者制作各种定制速度控制杆、致动器、旋钮等，如下图所示。
- 可对接配件模块 - 在我看来，这是整个乐高火车历史上最鼓舞人心的概念之一，即可 dock配件模块可以直接连接到2864变压器。这些包括：
机械特性：12V 变压器 (2864)
9V 速度调节器 (2868b)
9V火车时代是最后一个轨道供电火车系统。尽管新的双轨金属轨道架构优越得多，但它无法胜过之前12V系统惊人的配件和产品范围。然而，9V电气配件系统实际上是乐高最巧妙和鼓舞人心的工业/产品设计解决方案。
它结合了乐高离合器连接零件系统的最佳特性和电气连接。这通过基础和巧妙的2x2导电凸点阵列实现。这种2x2导电凸点图案是基本电气端子，用于制作电缆组件、电机端子、灯砖、电源输出端子等等。你可以将这些元件构建到现有的乐高创作中，因为它们与乐高系统完全兼容，并且与任何其他元素具有相同的离合器特性连接。
从火车迷的角度来看，9V系统提供简单的速度调节器单元和电缆配件（(5306c01 如上图右侧所示），连接并为轨道供电。我必须说，尽管9V连接器方案很神奇，但9V速度调节器是一个非常令人失望的产品。它的设计忽略了之前12V变压器单元所有最好的特性。具体来说：
- 非乐高系统美学/几何结构 - 2868b控制器的本体模具设计不适合或融入乐高系统美学，除了输出电源连接器和前面板上两排凸点装饰外，无法进行功能性连接。
- 低容量 - 2868单元的输出功率容量非常低。内部使用线性稳压器（LM317）来调节和控制输出电压。该稳压器额定输出电流可达1.5 A，但更根本的是，如果没有积极的热沉/管理（乐高单元没有），这个极限不太可能实现。因此，其输出电流通常< 1.0 A。
- 不是连续可变 - 你无法想象我个人意识到这个单元的速度控制不是连续可变时有多失望（旋转控制旋钮看起来像是连续可变）！相反，它在每个方向选择七个固定离散输出电压电平。这对于精确和平滑的模型火车操作完全不令人满意。以连续平滑可控的方式调整火车速度的能力必不可少，但这个单元无法实现。
结论
我将在这儿结束这个漫长（但不完整）的故事。当我开始这项调查时，我没有意识到这个主题会如此广泛和有趣。我对乐高关于火车主题的产品设计演变着迷。对乐高来说特别具有挑战性，因为他们必须平衡许多竞争因素，如系统兼容性、儿童适用性、性能、成本、可靠性等等。
诚然，我们乐高火车迷是一群不懂得感恩的人，很难取悦！抛开玩笑，无论从乐高可获得什么”原材料”来搭建和操作火车，我们似乎都能充分利用这些元件，仍然从这个爱好中获得巨大的快乐、自豪和满足。
在本系列的下一篇文章中，我们将深入挖掘动力和操作火车的实际方面。我们将研究电机、轮子、重量、容量等主题，以及它们如何影响我们搭建火车的选择。还将讨论最大化性能和维护的技巧。
在那之前，愉快搭建，请在下方评论中告诉我我犯了哪些（不可避免的）错误，或者提供任何澄清/见解。
BrickNerd 敬上 - 原文最初发布于2023年2月17日。
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