【fusion】零部件及齿轮设计

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1. 实体与零部件

1.1 实体 (Body) 的定义

实体 (Body) 是指模型中的单个几何体，它可以是一个完整的三维形状，也可以是设计过程中的构建单元。实体通常用于创建和编辑单一零件或形状，它们可能是通过拉伸、旋转、扫掠等三维操作从草图生成的。

实体的特点：

单一几何体：实体表示的是单个几何形状，它可以是一个简单的几何体（如立方体、圆柱体），也可以是复杂的形状（如经过多次编辑的模型）。
设计的基础：实体是进行设计的基本构件，在一个零件或产品的创建过程中，通常先通过操作实体来逐步构建几何形状。
未分组结构：实体没有独立的运动学关系，不能直接表示装配体或多个零件之间的关联。

1.2零部件 (Component) 的定义

零部件 (Component) 是在设计中用于表示独立的、可移动或可分离的部分。它可以由一个或多个实体组成。零部件是进行装配设计和运动仿真的基础，允许设计者管理零件之间的关系、运动以及装配结构。

零部件的特点：

独立性：零部件代表一个独立的部分，可能是一个完整的零件、装配体或产品的一部分。每个零部件可以单独编辑、移动、复制或删除。
可以包含多个实体：一个零部件可以包含多个实体，所有这些实体都被看作是该零部件的一部分。例如，复杂的机械零件可能包含多个不同的实体组成一个完整的零部件。
装配功能：零部件可以进行装配操作，通过关节（Joints）定义零部件之间的运动关系和连接。例如，在一个机械装配中，零部件可以通过旋转、平移等运动方式互相作用。
可参数化：零部件可以通过参数化关系进行设计，使得不同零部件之间的尺寸和约束条件自动更新。

1.3实体与零部件的关系

实体和零部件的关系可以理解为“构建单元”和“完整模块”的关系。通常，设计从创建一个或多个实体开始，这些实体可以合并或转换为零部件。零部件是通过组合或组织一个或多个实体形成的，具有更高的独立性和功能性。

主要关系：

实体可以组合为零部件：当你完成单个几何体的创建后，可以将其转换为一个零部件。如果一个设计中包含多个实体，你可以将这些实体分组到一个零部件中，便于管理和装配。
零部件包含实体：每个零部件内部可能包含一个或多个实体，这些实体定义了该零部件的几何形状。实体的编辑操作（如拉伸、旋转、切割等）会直接影响零部件的外形。
装配中的角色：零部件在装配设计中起到关键作用，而实体通常被用于单个零件的几何创建。在装配中，你通过零部件的运动和连接来进行装配体的构建，而实体本身不会单独参与装配。
层次结构：在大型设计中，零部件之间可以存在层次关系，即零部件中可以包含其他零部件和实体。这种层次化设计方式有助于管理复杂的设计项目，例如多零件机械装配或产品设计。

1.4 实体和零部件的应用场景

单零件设计：
- 如果你的设计是一个单一的零件（例如一个螺钉或简单的机械部件），你通常只需要创建一个或多个实体。这些实体可以通过布尔运算或其他几何操作进行组合，直到形成完整的几何形状。
多零件装配设计：
- 在复杂的装配设计中，你需要使用多个零部件来表示不同的机械零件。每个零部件内部包含一个或多个实体，并可以通过装配工具（如关节）将这些零部件组合在一起，模拟实际的装配和运动。
运动仿真与分析：
- 零部件用于运动仿真、干涉检查和装配分析。因为零部件有独立的可移动性和运动约束，你可以通过仿真工具检查装配体的运动路径、接触点和干涉问题。
版本控制与模块化设计：
- 零部件的独立性使其易于进行模块化设计和版本控制。在大型项目中，每个零部件可以单独设计、修改并进行版本管理，这样即使一个零部件发生更改，也不会影响整个设计。

2. 零部件的创建

2.1 创建零配件

在设计开始时，你可以直接创建一个新的零配件 (Component)，作为零部件的容器。
在 Fusion 360 的菜单中，点击 “装配 (Assemble)” -> “新建零配件 (New Component)“。
这样创建的组件是独立的模块，可以包含多个实体，方便你进行管理和装配。

2.2 将实体转换为零部件

如果你已经有了一个实体，可以将其转换为一个组件。
右键点击实体，在菜单中选择 “创建组件 (Create Components)“。这样，实体就会成为一个零部件的一部分，具备独立性和可移动性。

2.3 从草图生成组件

在设计过程中，可以从草图直接创建零部件。在草图中创建形状后，通过拉伸 (Extrude)、旋转 (Revolve) 等操作生成实体，然后将其变为组件。

2.4 复制组件

在装配设计中，常常需要重复使用某些零部件。你可以通过 “复制 (Copy)” 和 “粘贴 (Paste)” 来生成多个相同的组件。

2.5 参数化与装配

组件之间可以通过关节 (Joints) 进行参数化连接，从而形成装配关系。每个组件可以单独调整和管理，进行运动仿真和装配分析。

3. 齿轮的参数设计

模数 (Module, m)：
- 常见值：1, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6 mm
- 说明：模数是齿轮设计中的基本参数，用于表示齿轮齿的大小。模数是齿距与圆周π的比值，模数越大，齿越大，齿轮的整体尺寸也随之增大。机械设备常用的模数范围为 1 到 6 mm，适用于中小型齿轮。
齿数 (Number of Teeth, Z)：
- 常见值：16, 20, 24, 32, 40
- 说明：齿数是齿轮轮齿的数量，它决定了齿轮的传动比。齿数较多时，齿轮的旋转速度较慢，传动比也较小。齿数的选择取决于传动比要求。为了避免齿轮啮合时的干涉，通常齿数不少于 12。
分度圆直径 (Pitch Diameter, D)：
- 计算公式：$$
  D = 模数 × 齿数
  $$
- 说明：分度圆是齿轮啮合的假想圆，齿轮在该圆上相互接触并传递运动。分度圆直径是最关键的齿轮尺寸，决定了齿轮的整体尺寸。分度圆直径取决于模数和齿数。举例：模数 2 的齿轮，齿数为 20 时，分度圆直径为 40 mm。
压力角 (Pressure Angle, α)：
- 常见值：20° (最常用)，25°
- 说明：压力角是齿轮齿之间的力传递角度。常见的压力角有 20° 和 25°。20° 是最常见的标准压力角，提供了良好的强度与啮合特性。25° 用于较高载荷的齿轮系统。压力角影响齿轮的接触强度和承载能力。较大的压力角通常能够承受更大的载荷，但会增加齿轮的摩擦和磨损。
齿顶高 (Addendum)：
- 常见值：模数的 1 倍，即 $$
  h_a = m
  $$
- 说明：齿顶高是齿轮齿顶与分度圆之间的距离，表示齿的延伸高度。齿顶高影响齿轮的啮合和传动效率。齿顶高等于模数，一般无需调整。
齿根高 (Dedendum)：
- 常见值：1.25 倍模数，即 $$
  h_f = 1.25 \times m
  $$
- 说明：齿根高是齿轮齿根到分度圆之间的距离，通常略大于齿顶高，以确保在齿轮传动中有足够的间隙避免干涉。常用标准设计为 1.25 倍模数，确保足够的间隙。
齿距 (Circular Pitch, p)：
- 常见值：$$
  p = \pi \times m
  $$
- 说明：齿距是齿轮相邻两齿之间的距离，沿分度圆测量。齿距影响齿轮的啮合特性。齿距依赖于模数。比如，模数 2 的齿轮，齿距为约 6.28 mm。
中心距 (Center Distance)：
- 计算公式：$$
  中心距 = (齿轮 1 的分度圆直径 + 齿轮 2 的分度圆直径) ÷ 2
  $$
- 说明：中心距是两个相啮合齿轮的分度圆中心之间的距离。中心距根据传动齿轮的尺寸决定。例如，两个模数 2、齿数分别为 20 和 40 的齿轮，中心距为 60 mm。
齿厚 (Tooth Thickness)：
- 常见值：约为齿距的一半$$
  \frac{p}{2}
  $$
- 说明：齿厚是沿齿轮分度圆测量的单个齿的厚度，通常由分度圆上的齿距决定。齿厚会影响齿轮的啮合紧密性和传动精度。齿厚在标准设计中通常是齿距的 50%。
螺旋角 (Helix Angle, β)：
- 常见值：15°，30°
- 说明：螺旋角是螺旋齿轮齿相对于齿轮轴线的倾斜角。它决定了齿轮的接触方式和载荷分布。螺旋角越大，齿轮的接触面积越大，啮合更平稳，但摩擦和噪音也增加。15° 和 30° 是常见的螺旋角度。
重合度 (Contact Ratio)：
- 常见值：1.4 到 1.8
- 说明：重合度是指在齿轮啮合过程中同时参与传动的齿对数量。重合度越高，齿轮传动的平稳性越好。重合度越高，齿轮传动越平稳。标准直齿轮的重合度通常在 1.4 左右，斜齿轮由于啮合时间更长，重合度可达到 1.8 甚至更高。
齿轮类型：
- 直齿轮 (Spur Gear)：最常见的齿轮类型，齿轮齿与轴线平行。
- 斜齿轮 (Helical Gear)：齿轮齿倾斜，啮合平稳，适用于高速传动。
- 锥齿轮 (Bevel Gear)：用于传递交错轴之间的运动。
- 蜗轮蜗杆 (Worm Gear)：用于大减速比场合，蜗轮蜗杆结构可以实现高扭矩传动。
- 说明：直齿轮是最常见的齿轮类型，斜齿轮适用于高精度、高速的传动场合。
传动比 (Gear Ratio)：
- 常见值：1:1、2:1、3:1、4:1
- 说明：传动比是指两个齿轮之间的齿数比值，用于计算速度和扭矩的转换。传动比根据应用需求决定。常用的齿轮传动比范围是 1:1 到 5:1。
背隙 (Backlash)：
- 常见值：0.05 mm 到 0.3 mm
- 说明：背隙是齿轮啮合时留出的间隙，允许齿轮在传动时有一定的自由度，避免卡死或过度摩擦。常见的背隙值为 0.1 mm 左右。