齒輪紀念品

這一章，我們會介紹怎樣設計一個簡單的齒輪紀念品，用來熟習齒輪的運作和繪畫。

1. 正齒輪(Spur Gear)、螺旋齒輪(Helical Gear)和人字齒輪(Herringbone Gear)

在上面的齒輪，我們可明顯見到，跟我們常見的Tamiya齒輪有所不同。它們的名字叫人字齒輪(Herringbone Gear)。

正齒輪、螺旋齒輪和人字齒輪都是機械傳動中常見的齒輪類型，它們之間的關係和區別主要體現在齒形結構和運動性能上：

• 正齒輪(Spur Gear)：這是一種圓柱形齒輪，其齒與軸平行，應用最為廣泛，也是最容易製造的。

• 螺旋齒輪(Helical Gear)：這是一種帶有螺旋齒的圓柱形齒輪。與正齒輪相比，螺旋齒輪可以承受更大的載荷，運行更為平穩，並且在工業中被廣泛使用。然而，其缺點是在運行時會產生軸向推力。

• 人字齒輪(Herringbone Gear)：這是由兩個方向相反的螺旋齒輪組合而成的齒輪，因此軸向推力可以互相抵消，故無軸向推力，但製造較為困難。

在工業上，人字齒輪(Herringbone Gear)比正齒輪更能承受載荷，又沒有螺旋齒輪的軸向推力問題，而且在旋轉時齒輪能自對正，不會有軸向移動，從動齒輪(driven gear)無需加入止推環或卡簧，減少工序。而在3D打印生產時，生產人字齒輪沒有了工藝上的製造困難，因此，3D打印生產的話，十分推薦使用人字齒輪。

2. 生成齒輪

要造上述的齒輪紀念品，第一步要生成兩個尺寸的齒輪。

一般沉積式3D打印機，都是用0.4mm直徑的噴嘴，所能列印最少的模數是0.8mm，如果尺寸再少的話，解像度便不夠，這次我們選擇用1mm模數，分別製作兩隻30齒和一隻15齒的人字齒輪。

2.1 齒輪一

2.1.1 生成齒輪

參考上一章，在create中，找到Helical Gear+。

• 在第一版中，Module為1mm，Helix Angle為30°，Teeth為30，Gear Width為4mm，剔選Herringbone 。

• 在第二版中，選擇Standard為Radial，其他參數保持不變，就能生成一隻上下對稱的人字齒輪。

可以在左方的樹狀欄中，見到這隻齒輪的模數並非1模數，而是0.866模數(也就是$\cos 30\mathrm{°}$$\cos30\degree$​​)，這是因為齒輪是根據軸向平面投影而劃的，所以模數會少一點，但只要度一下齒距圓，就會發現齒距圓是30mm。

2.1.2 加入齒輪間隙(Backlash)

這時生成的齒輪，是不能直接3D打印的，因沒有預留間隙，尺寸會太大，卡著不能旋轉，必須要加入齒輪間隙(Backlash)。

有兩個方法：

1. 在上述生成齒輪時的第二版，直接調整Backlash、Addendum和Dedendum三個參數，但這個方法我不推薦，因用插件生成的齒輪，是沒有歷史紀錄的，生成後就不能更改這三個參數

2. 用offset face將齒輪的面全部向內偏移

下面用的是方法二。

• 圖一：

  • 在Fusion360的最右上角，找到SELECT

  • 點選Window Selection，或按快捷鍵1

  • 之後到最下方的Selection Filters，只點選Body Faces

• 圖二：

  • 在正視或側視圖，按著滑鼠左鍵，由右下到左上角通過齒輪

  • 不要通過頂和底兩個面

• 將視角移動一下，確保只選擇了齒輪的邊

• 用offset face，將所有齒牙偏移-0.125mm

2.1.3 加工齒輪

• 圖一：

  • 點選零件樹上齒輪邊的小黑點

  • 在齒輪表面開一個新的草圖

• 圖二：

  • 劃一個圓通過齒根，並將其用快捷鍵x轉為作圖線

  • 用快捷鍵o，劃一個偏移2mm的圓

  • 用快捷鍵l和x，劃一條垂直線和一條60度的作圖線

  • 用快捷鍵o，將這兩條線偏移1mm

  • 最後，用快捷鍵c，劃兩個分別8.2mm和12mm直徑的圓

   

  

• 圖一：

  • 將剛劃的草圖，用快捷鍵e擠出，並在extend type中，用To Object穿到底

• 圖二：

  • 用快捷鍵f，將四邊修圓1mm

     

  

• 最後就可以用Circular Pattern：

  • 在Object Type中選取Features，選取左下角的擠出和修圓的feature

  • Axis點選z軸，或點解pitch circle

  • Quantity選6，就能成功複雜6份

  • 如果遇到旋轉複製時有困難，可以試著將Compute Type由Adjust，改為Optimized或Indentical試試。

2.2 齒輪二

2.2.1 生成齒輪

• 圖一：

  • 先將小黑點褪回最上層

  • 將30齒齒輪隱藏起來

• 圖二和三：

  • 在create中找到Helical Gear+

  • Module選擇1mm，Helix Angle選擇-30°(螺旋齒輪需要具有一致的螺旋角，並且一個為正螺旋，一個為負螺旋，才能咬合)

  • Teeth選擇15，Gear Width選4mm，剔選Herringbone

  • 在第二版中，Standard選擇Radial

2.2.2 加入齒輪間隙

• 跟上面的齒輪一樣，選擇齒輪的齒，用offset face偏移-0.125mm。

2.2.3 加入中心孔

• 圖一：

  • 檢查一下，模數跟齒輪一一致為0.866模數

  • 將小黑點點選到齒輪旁

  • 在齒輪表面開一個新的草圖

• 圖二：

  • 劃一個直徑為8.2mm的圓

  • 用快捷鍵e，擠出，並選擇To Object，將其穿到齒輪底部

3. 制作外殼

3.1製作基礎外殼

• 圖一：

  • 將小黑點褪回最上層

  • 將小齒輪隱藏起來

  • 新增一個new component，名為Shell

• 圖二：

  • 在TOP中，開一個new sketch

  • 用center to center slot，劃一個18mm半徑，33mm長的槽

  • 用midpoint約束，用槽定在原點

• 圖一：

  • 我們的大齒輪和小齒輪，齒距圓分別為30mm和15mm直徑，所以我們在槽的兩個中心點，劃兩個30mm直徑的圓

  • 在任意地方，劃一個15mm的圓，之後用tangent約束，將這個圓同時相切兩個30mm的圓

• 圖二：

  • 這個外殼厚2mm，所以我們用offset將槽向外偏移2mm

• 圖一：

  • 選擇所有草圖，用快捷鍵e，向下擠出2mm

• 圖二：

  • 在零件樹中，將隱藏了的草圖Sketch1顯示出來

  • 將外殼部分向上擠出6mm

• 圖一：

  • 隱藏Sketch1，在頂視圖點選外殼內部，開一個new sketch

• 圖二：

  • 將Sketch1重新顯示，用快速鍵P投影3個圓心

  • 接著就可以將Sketch1隱藏

• 圖一：

  • 在三個圓心，分別劃三個7.6mm的圓

  • 在中間的圓心，外劃一個15mm的圓

• 圖二：

  • 用快捷鍵e，將三個小圓擠出，Extend Type選擇To Object，就能選擇外殼的高度

• 圖一：

  • 將Sketch2重新顯示，點選15mm的圓，用快捷鍵e，切去外殼部分

  • Extend Type選To Object，點選外殼的高度

• 圖二：

  • 隱藏Sketch2後，就會得到這樣的一個外殼

• 圖一：將剛剛切的面，用offset face向外偏移5mm

• 圖二：將四邊用快捷鍵f，修成3mm半徑的孤

• 圖三：由於打印方向，圓柱體與平面很容易會斷，需要用chamfer，加入1mm的倒角

• 圖四：最後得出的成果

3.2 加入卡扣

• 在其中一個軸的表面，開一個新的草圖

• 用快捷鍵p，將3個軸的表面都投影到這個草圖

• 圖一：

  • 將最外的圓形offset偏移0.4mm

  • 加入一條穿過圓心的作圖線(可以用coincident2D約束)

  • 隨意在圓周劃兩條線, 用平行parallel和對稱Symmetry2D約束，劃一條0.6mm的槽

• 圖二：

  • 將圖一的步驟重覆兩次，尺寸可以點選之前的尺寸，方便修改

• 圖一：

  • 按快捷鍵e擠出

  • 點選三個偏移了的圓如圖

• 圖二：

  • 向下擠出0.8mm

• 圖一：

  • 用Chamfer功能，將剛擠出的圓修0.5mm的倒角，做成一個卡扣，令齒輪易入難出

• 圖二：

  • 將0.6mm的槽，向下切-5.5mm，令齒輪一開始卡入時，軸能有點彈性，令齒輪易入難出

• 跟三條軸一樣，垂直方向列印的話，殼壁會很易斷，所以加一個1mm的倒角

3.3 加入鎖匙圈

• 在外殼中間，開一個new sketch

• 用快捷鍵p，將輻的圓心投影到上面的草圖上

• 劃二個分別為3.5mm和8mm的圓，距離投影的軸22.5mm

• 用快捷鍵e向上擠出4mm

• 用快捷鍵f修圓3mm就完成

4. 組合

• 圖一：

  • 將小黑點褪回最上層

  • 將之前隱藏了的齒輪都顯示出來

• 圖二：

  • 用快捷鍵j將齒輪和外殼組合，點選齒輪表面和軸的表面，之後向下偏移1mm，就會剛好穿過卡扣

  • 在motion頁面選擇Revolute

• 圖一：

  • 小齒輪也是相同處理

  • Offset Z選擇1mm向下偏移

  • Angle選擇15°，剛好與大齒輪囓合

  • 記得在motion頁面選擇Revolute，這裡就不展示了

• 圖二：

  • 用快捷鍵s，搜尋motion link

  • 分別點選兩個joint的icon，或直接到零件樹中找到兩個joint

  • 大齒輪會比小齒輪轉慢一倍，我Revolute1是大齒輪，Revolute2是小齒輪，所以大齒輪轉180°時，小齒輪已轉了360°(如果是其他比倒，也可以用同樣方法調節)

  • 剔選Reverse，就會見到跟實物十分相似的效果

• 圖一：

  • 只要複製多一隻大齒輪

  • 跟之前一樣用快捷鍵j組合到另一條輻上

  • 記得同樣要旋轉15°和z輻偏移1mm

• 圖二：

  • 加入motion link，將旋轉比例設為2:1，並剔選Reverse，就能見到三隻齒輛一起旋轉

• 最後，只要在零件樹將外殼ground，就能得到能模擬直實轉動的模型

5. (選項)加入曲面文字

Fusion 360有一項功能可以在將平面的草圖，彎曲環繞到曲面上

• 圖一：

  • 將小黑點點到shell的旁邊

  • 點選外殼的平面，開一個新的草圖

• 圖二：

  • 用指令text就能劃出文字，文字高度選5mm

  • 只要將後面的曲面用快捷鍵p投影到這個平面上，就能將文字框完全對齊原點

  • 選一款喜歡的字型，最好盡量粗和工整的字體，太幼的話3D打印出來效果未必好

  • (不是所有字型都可以用到擠出功能，中文字體很多都不能擠出的)

• 用快捷鍵s搜尋emboss功能

• Sketch Profiles選擇剛才的文字(注意文字不能逐字母選擇，只能一整個text的文字選擇)

• Faces選擇後面的曲面

• Emboss可以做到凹凸兩種選項，depth為0.5mm的話，無論是凹面或凸面，3D打印都可以不加支撐就能打印出來

6. 本章重點

1. 螺旋齒輪和人字齒輪都有更好的荷載，而人字齒輪沒有軸向偏移，更能自對正，不用外加卡簧和限位器

2. 3D打印齒輪，必須加入齒輪間隙，可以用offset face來完成，方便調試間隙值

3. Joint可以用motion link來連動，方便模擬效果