乐高火车系统70年发展史
乐高火车主题从1960年代末期诞生至今，经历了六个截然不同的动力系统时代，涵盖轨道供电与电池供电两大技术路线的完整发展历程。
完整内容
引言
乐高火车最棒的特点之一就是它们能动起来！ 物理定律告诉我们，要运动就需要能量，特别是电能。然而，在我们进入用电力驱动火车这个显而易见的话题之前，应该提到我们很多人可能都是从手臂的”推着走”能量开始乐高火车之旅的。我记得三岁时收到了我的第一套乐高火车。它不是电池驱动的，而是自驱动的！对大多数孩子来说，这就是我们开始游戏体验的方式。我们不需要了解电路的工作原理、电机和开关等需要如何连接，或者基本的操作原理。我们只需把火车放在轨道上推着它走（当然还伴随着音效！）
最终，我们发现让火车自己动起来其实也非常酷！于是，玩电动乐高火车的旅程就这样开始了。自1960年代末乐高火车推出以来，乐高为我们提供了各种方便且适合儿童的选项来驱动和为火车供电。这些解决方案基于电池和轨道供电系统，并随着时间的推移进行了调整，以适应底层轨道系统和乐高零件系统本身的变化。
深入研究这个话题后，很明显其悠久的历史和技术深度值得用不止一篇文章来探讨。因此，本文将是一个关于乐高火车动力系列三篇文章中的第一篇。该系列将包括以下主题：
- 电机、电池和控制器的历史与回顾
- 搭建、操作和维护技巧与建议
- 电机和控制技术；乐高火车的未来可能性
本文的历史与回顾将聚焦于分析乐高为火车供电而发布的产品和系统。这些系统随着时间的推移不断演变，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。每一种都具有非常不同的操作和性能特征，也反映了不断发展中的乐高系统本身的影响。新零件以及Technic、Mindstorms等相邻主题等因素，都影响了每个乐高火车时代的零件和架构。
最后，由于可能有大量与本次回顾相关的产品和零件，我将产品范围限定在那些主要或专门针对火车主题的零件。例如，有许多通用的9V、Technic、Power Functions电机可以用于驱动火车；然而，本文将严格关注火车电机产品。目的是发现乐高专门为满足火车主题的需求和要求而设计的零件的独特特征。这与设计为跨多个主题通用的零件不同。
当你纵观乐高火车主题的整个历史（跨越五十多年），可以区分出六个截然不同的时代的轮廓。这些时代主要通过轨道系统和动力/控制源的组合来表征。非正式地，火车爱好者通常将乐高火车历史中的时段称为”蓝色时代”、“12V时代”、“9V时代”等。本文中识别的时代与此大致对应，但使用了基于独特技术特征和属性的更严格分类。
从宏观角度来看，可以将整个乐高火车主题分为两个不同的类别：轨道供电和电池供电。
这种划分独立于轨道系统或时间段。电池供电和轨道供电火车在主题历史的几乎整个时期中都并存。
从另一个角度来看，可以按照底层轨道系统来划分火车主题。在这种情况下，我们实际上有三个类别：蓝/灰时代、9V金属轨道和RC塑料轨道。
考虑到这些划分，我们可以看到六个截然不同的时代或主题的轮廓，如下面的时间线图所示。
我确定了乐高火车的六个主要时代（从动力系统角度）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，我们现在可以深入了解每个动力系统时代的核心组件的细节。我将这个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。
第一部分：电机
电机是任何电动乐高火车的核心，无论是电池供电还是轨道供电。乐高在其历史上开发了许多电动砖块零件，不仅用于火车，还用于Technic和Mindstorms等其他主题。其中许多电机零件被设计为通用型，即适用于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，乐高系统也开发了专门针对火车主题的电机零件。这些电机必须解决驱动火车所独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，电机产品必须能够被所有年龄和能力的孩子轻松安全地使用。火车电机零件必须具有”开箱即用”或”即插即用”的简便性，以便游戏体验相对快速且挑战最小。
与每个动力系统时代相关的电动零件的时间线如下图所示。
乍一看，似乎每个主题都有独特的驱动方案。如果我们在整个火车电机零件系列中放大观察，实际上只有两种不同的外形尺寸：
- 砖盒式（12 x 4颗粒 x 10板高）- 2轴，6颗粒轴距
- 电机转向架式（10 x 4颗粒 x 7板高）- 2轴，6颗粒轴距
所谓的”砖盒式”实际上是乐高最早的动力产品之一，是一个跨多个主题使用的通用零件。在我看来，它的外形尺寸似乎更多地受到装入火车这一要求的驱动。4颗粒宽度和6颗粒轴距是至今仍然存在的根本属性。
“电机转向架式”外形尺寸才是乐高火车驱动的真正核心本质。这种外形尺寸将在本节末尾详细介绍完每个时代的电机零件后进行更深入的讨论。
4.5V 时代
4.5V电机零件采用经典的砖盒式外形尺寸。车轮以摩擦方式安装在6颗粒轴距上对齐的四个轴孔位置中。火车使用带轮缘的车轮；然而，装有橡胶轮胎的无轮缘车轮也可以与同一电机一起使用，从而使其在火车之外具有通用性。电机通过沿本体放置的多个电气连接端子之一连接到电池电源，既可朝上垂直连接，也可在每个末端水平连接。
该电机的显著特点之一是其围绕两件式压铸金属底盘构建的内部结构。这赋予了电机机械耐用性，更重要的是重量。超过150克的重量增加了牵引附着力，因为车轮踏面与轨道接触的力增大了。
机械特征：4.5V/12V 砖盒式电机 (bb0006, x469b)
电机两端的底面各有一个4x2颗粒空间，可用于安装功能配件。这些包括：
- bb0097 带底部开/关接触开关的2x4颗粒砖。该配件允许电机通过安装在轨道之间的移动驱动坡道自动启动或停止。（例如x489信号柱）
- bb0053 带底部弹簧触点的2x4颗粒砖，用于12V金属中央轨道
12V 时代
12V动力系统横跨了从经典”蓝色轨道”时代到1980年开始的”灰色轨道”时代的过渡。因此，砖盒式和电机转向架式两种外形尺寸的电机都可用于12V四轨系统。
砖盒式电机（x550a、x550b）零件在外观上与4.5V或12V电机完全相同。内部它们配备了额定对应不同电压的不同电机。可以通过顶面上的一个小开口来识别，该开口揭示了电机外壳上打印的颜色条：红色条带有打印的”4V”标记，或黄色条带有打印的”12V”标记。
机械特征：12V 电机转向架 (bb0012)
12V电机转向架是产品工程的一个精美范例。一个强大的有刷直流电机被封装在两件式压铸金属底盘内。电机轴从电机外壳的两端对称伸出，上面安装着黄铜蜗杆齿轮。蜗杆传动是一种非常高的扭矩传动，赋予了电机巨大的牵引附着力。另一个不错的特性是暴露的电机电刷未被封闭在电机外壳内。这使得电刷和换向器易于清洁维护，如果需要也便于更换。压铸金属底盘为电机提供了加重附着力、传动机构的刚性机械公差，还可以作为热沉改善电机的运行耐久性。
9V 时代
9V电机转向架随向9V金属轨道系统的过渡而引入。它保持了12V电机转向架的相同电机转向架外形尺寸，但拥有作为第一款也是唯一一款配备金属车轮的乐高电机产品的独特地位。
机械特征：9V 转向架 (590)
9V电机转向架是一个妥协的设计。与之前所有的电机零件不同，它没有内部压铸金属底盘。从重量规格可以清楚地看出，在相同体积下它的重量只有12V电机转向架的一半。使用亚洲电机而非德国Buhler电机、尼龙塑料齿轮和模制塑料轴承，可以看出较低成本的结构。考虑到以儿童为目标市场的玩具火车的定位，这是可以理解的妥协和降低成本的努力。采用9V电机转向架的乐高火车套装由不超过四到五辆相对较轻的车辆组成——完全在该电机的性能包络之内。
RC / Power Functions / Powered UP 时代
由于从外形尺寸角度来看这些电机的差异非常小，因此将RC、Power Functions和Powered UP时代的电机转向架零件的讨论合并在一起。差异存在于电机性能方面（RC电机最差，PF和PU电机令人满意），每个电机都使用对应其系统身份的不同连接器终端连接。
机械特征：RC 电机 (x1688)
RC电机在9V金属轨道系统退役并被塑料轨道上的电池供电火车取代之间的过渡期引入，事后看来这像是一个过渡方案。它保留了备受喜爱的9V 2x2金属颗粒连接器作为其电气终端，并对电机转向架外形尺寸引入了一些关键更新。这些包括：
- 用于车轴+车轮安装的Technic十字轴套筒
- 整体高度更浅（增加了轨道上方的间隙）
- 螺丝固定的两部分外壳（而非塑料卡扣）
机械特征：Power Functions 电机转向架 (87574c01)
Power Functions系统的引入取代了短命的RC动力系统时代。随之引入了改进的电机转向架。从外部看，外壳外形尺寸完全相同，唯一的区别是9V连接器的退役，被硬连线的4线Power Functions线缆组件取代，终端为新的Power Functions 2x2可堆叠插头。内部，OEM电机被替换为高性能电机。
机械特征：Powered Up 电机转向架 (bb0896c01)
乐高火车爱好者对Powered Up系统作为Power Functions的替代品感到可以理解的担忧。Powered Up电机转向架的替换品与其Power Functions前任产品基本相同。明显的区别是6线硬连线PU线缆组件，终端为新的PU模块化插头。内部，机械排列相同，唯一的区别是在电机外壳顶部安装了一块新的PCB板，用于终止PU线缆并形成组件安装和电机终端电气互连的基板。
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。其关键特征包括：
- 6颗粒（48毫米）轴距
- Technic半销中心枢轴安装
- 两端各有一个2x4颗粒”架子”，用于安装转向架侧框和/或缓冲器/联轴器零件
尽管从1980年至今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——关键差异在于底部离地间隙和车轴垂直中心线。这些差异不影响行驶高度和缓冲器高度等关键尺寸。车轴中心线的变化已通过车轮直径的调整来补偿，以保持正确的行驶高度。
第二部分：电池系统
电池供电火车必须将其电池载荷集成在机车中，或者作为伪装的车厢不显眼地携带。最初，电池装在一个”经典”盒子零件中，配有一个简单的偏心双向开关。这个盒子的笨拙尺寸（11 x 6颗粒 x 10板高——实际因突出部分为11 x 7颗粒）使其很难在火车中伪装——通常被伪装成蒸汽机车的煤水车或通用罐车。
1972年，引入了一个专用车厢零件，用于在6颗粒宽的轮廓内垂直安装3节C号电池。该车厢一直使用到1980年代末，之后才引入9V电力配件系统。
从火车主题的角度来看，电池盒经历了一段短暂的空白期，直到从9V系统的过渡开始——首先是过渡性的RC系统，然后进入流行的Power Functions系统时代。
机械特征：经典电池盒 (bb0045)
经典电池盒很大，但它是那个时代的产物。较小的电池尺寸（如AA、AAA）在1960/70年代不太常见，小型便携式电池操作产品的数量也较少。此外，较大的C号电池单元的容量更大，可提供更长的运行时间。
经典电池盒笨拙的外部尺寸确实影响了它在火车中使用时的伪装能力。通常，它会被伪装成蒸汽机车的煤水车。
机械特征：电池车厢 (3443)
为了避免经典电池盒带来的限制，乐高做出了一个大胆的选择，为火车生产了一款专用的电池车厢。这将是在模具和制造方面的重大投资，因为该产品仅专门服务于火车主题。无论如何，这款电池车厢很好地服务了火车主题——发布了不少于10种不同车身颜色、车轮和联轴器的变体。
使用专用车厢还允许将两个功能巧妙的设计特点整合到产品中：
- 偏心双向开关侧装在车轮高度处。在此高度，它可以与轨道旁配件互动，从而停止和/或改变火车的运行方向。
- 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来停止/启动。
机械特征：RC 火车底盘（带电池盒+控制器）(55455)
电池车厢于1985年基本退役后，将近二十年才引入另一款火车专用电池容器。在2000年代早中期，很明显9V电力配件系统即将走到生命尽头，替代品已在酝酿中。对火车爱好者来说，这意味着令人失望的9V金属轨道系统的退役，以及向塑料轨道上电池供电火车的过渡。
当时，后来成为Power Functions系统的产品尚未完全开发。作为火车的临时解决方案，基于红外线（IR）遥控的RC系统在2007年至2009年间短暂推出。为了容纳电池和IR控制器，必须投入大量资源来开发一个定制的6 x 30颗粒底盘，带有集成的电池架和电子设备（55455）。该零件仅用于两套套装，每套都以自己的颜色（黑色和白色）模制。
虽然这个零件缺乏灵活性，但确实在紧凑集成方面做出了弥补。使用6节AA电池的决定确实比Power Functions的AAA电池盒提供了更大的能量容量，具有更长的运行时间和更大的峰值电流输出。红外接收传感器安装在外壳两侧，有助于最大化IR信号检测。最后，该零件可能是最后一个包含9V 2x2颗粒连接器功能的。它被整合到顶部的一个凹槽中，使用标准9V线缆组件连接到电机转向架。
机械特征：Power Functions 电池盒
Power Functions时代提供了我认为对乐高火车爱好者来说最灵活的电力产品系列。Power Functions提供不少于3种电池盒：面向Technic模型的AA电池盒（59510）、AAA 8x4颗粒电池盒（87513），以及Li-Ion 8x4可充电电池盒（84599）。我将回顾范围限定在8x4外形尺寸的盒子，因为它们从火车搭建者的角度来看最为相关。
无处不在的8x4 AAA电池盒随每套Power Functions火车套装提供。它是一个紧凑的外形尺寸，高效地容纳6节装在托架中的AAA电池。顶盖提供了一个状态LED、一个开/关按钮和一个方向选择开关，用于在没有遥控的情况下独立操作电机。这使得电池盒对于火车搭建者以及使用电机或灯光搭建其他乐高模型和MOC的人来说非常多功能。
这种外形尺寸的多功能性通过引入出色的84599可充电电池盒又迈出了一步。它具有锂离子电池单元更大能量密度的优势（尽管峰值电压略低，约为7.6V），以及不消耗大量一次性碱性电池即可充电的环保能力。此外，该产品的多功能性通过引入一个控制旋钮进一步扩展，该旋钮可在将电机连接到固定（非遥控）应用时设置PF C1/C2引脚的速度和方向。
如果不提到58123c01 IR接收器，这个描述就不完整。在几乎所有火车应用中，电池盒将用于为IR接收器模块供电，该模块随后控制一个或多个连接的PF电机。在典型的火车套装机车中，这将是一个单独的PF电机转向架。然而，通过连接到同一个IR接收器，可以轻松实现升级到两个电机转向架。此外，火车可以不使用电机转向架建造，而是使用Technic驱动机构，来自M、L或XL PF电机中的任何一个。这在建造蒸汽机车时很典型，因为电机转向架与其关系不大。
第三部分：电源控制器
两个轨道供电火车的时代从我的角度来看无疑是最令人兴奋和有趣的。1980年代12V”灰色”火车时代的所谓”黄金时代”既令人鼓舞又独特。令人难以想象的广泛产品范围向我表明，乐高是由产品”系统”理念引导的。该系统被设计为一个有凝聚力的零件家族，支持大小不同的火车爱好者布局野心。你可以随着时间的推移逐步扩展你的布局，放心地知道所有零件都能协同工作。
随着12V火车时代的结束，一个基于当时新的9V电力配件系统的新时代出现了。对火车爱好者来说，最大的变化是转向了一个全新的轨道系统架构。不再是”蓝色”和”灰色”轨道时代的砖块搭建式轨道零件，轨道零件被模制为单体组件，带有冲压镍镀铜铍金属导轨。乐高火车第一次可以像传统比例模型火车那样运行。火车可以通过金属车轮直接从轨道获取能量来供电和控制。
遗憾的是，在乐高火车的历史中，我们只获得了两个截然不同的轨道供电火车时代，如下面的时间线所示。每个时代都有自己的核心电源和控制元件。诚然，12V时代有三个电源变压器；然而，是灰色的2864控制器具有最值得注意和有意义的影响。
12V 电源控制器 (2864)
如前所述，12V火车系统时代是神奇且鼓舞人心的。其核心是2864电源控制器。这个零件有几个值得注意的特点：
- “电站美学” - 浅灰色模制盒的设计使其放在火车布局旁边不会显得格格不入，因为它看起来有点像你在真实铁路上会看到的典型路旁电源变压器。它的极简美学恰到好处且不过时。
- 暴露的颗粒 - 顶面上的两排暴露的颗粒允许搭建者装饰他们的变压器以便标记或识别，或者在周围和顶部搭建以融入周围的布局。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自定义速度控制杆、执行器、旋钮等，如下所示。
-
可对接的配件模块 - 在我看来，整个乐高火车历史中最受启发的方面之一是可以直接连接到2864变压器的可对接配件模块的概念。这些包括：
机械特征：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。虽然新的双轨金属轨道架构远优于前代，但它无法匹敌其前身12V系统令人惊叹的配件和产品范围。然而，9V电力配件系统整体上实际上是乐高最巧妙和最受启发的工业/产品设计解决方案。
它将乐高系统离合连接零件的最佳特性与电气连接结合在一起。这是通过基础且巧妙的2x2导电颗粒阵列实现的。这种2x2导电颗粒图案是用于制造线缆组件、电机终端、灯光砖、电源输出终端等的根本电气终端。你可以将这些零件构建到现有的乐高作品中，因为它们完全兼容乐高系统，并与任何其他零件具有相同的离合特性。
从火车爱好者的角度来看，9V系统提供了一个简单的速度调节器单元和一个线缆配件（上面右图所示的5306c01），用于连接并向轨道供电。我必须说，尽管9V连接方案很神奇，但9V速度调节器是一款非常令人失望的产品。它的设计忽略了其前任12V变压器单元的所有最佳属性。具体来说：
- 非乐高系统美学/几何形状 - 2868b控制器的外壳模具不是设计为融入或适应乐高系统美学，也没有在其输出电源连接器和前面板上的两排颗粒装饰之外进行功能性连接。
- 低功率容量 - 2868单元的输出功率容量非常低。内部，它使用线性电压调节器（LM317）来调节和控制输出电压。该调节器的额定输出电流高达1.5A，但更根本的是，如果没有积极的热散热/管理（乐高单元没有），这个限制很可能无法实现。因此，其输出电流通常 < 1.0A。
- 非连续可变 - 你无法想象当我意识到这个单元的速度控制不是连续可变的（如其旋转控制旋钮所暗示的那样！）时我所经历的失望。相反，它选择每个方向上七个固定的离散输出电压级别。这对于模型火车的精确和平稳操作来说完全不能令人满意。以连续平稳和受控的方式调整火车速度的能力是必不可少的，而这个单元无法实现。
结论
我将在（这个很长但不完整的）故事这里结束。当我开始这项调查时，我没有意识到这个话题会如此广泛和有趣。我对乐高针对火车主题的产品设计的演变着迷。这对乐高来说尤其具有挑战性，因为他们必须平衡许多相互竞争的因素，如系统兼容性、适合儿童、性能、成本、可靠性等等。
不可否认，我们乐高火车爱好者是一个不知感恩的群体，是不可能被取悦的！玩笑归玩笑，无论乐高提供什么”原材料”来建造和运行火车，我们似乎都能充分利用这些零件，并仍然从这个爱好中获得巨大的快乐、自豪和满足感。
在本系列的下一篇文章中，我们将深入探讨驱动和运行火车的实际方面。将检查电机、车轮、重量、电力容量等主题，以及它们如何影响我们建造火车的选择。还将讨论最大化性能和维护的技巧。
在此之前，祝大家搭建愉快，如果我有任何（不可避免的）错误或有任何澄清/见解要提供，请在下面的评论中告诉我。
BrickNerd 精选 - 文章最初发表于2023年2月17日。
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