第10讲 齿轮机构

本讲目标

• 在 Fusion 中创建正齿轮（直齿圆柱齿轮）
• 用运动链接让齿轮之间联动
• 制作手柄（曲柄臂）
• 掌握尺寸与位置的调整方法

课程视频

关于视频语言

以下课程视频为日语讲解。请配合本页的图文步骤一起观看。

视频	内容
10.1 齿轮的创建与运动链接	正齿轮的创建、啮合、运动链接
10.2 手柄与尺寸位置的调整	曲柄臂的制作、参数管理、位置对齐
11.1 DXF 文件的导出・凸轮	DXF 导出（对应本页「6. DXF 文件的导出」）

课前准备

请下载以下 .f3d 文件，并上传到 Fusion 中。

文件	用途
6. 制作齿轮.f3d	齿轮制作的模板（已备好轴与底座）
7. 制作手柄.f3d	手柄制作的练习
8. 齿轮的直角组合.f3d	直角齿轮的布置
9. 尺寸・位置的调整.f3d	参数管理的练习
10. 位置・尺寸的调整 练习.f3d	位置对齐的练习
11. DXF 文件的导出.f3d	DXF 导出的练习

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参考网站

这是一个可以观看各种机构动画的网站。请在构思期末作品时加以利用。

• からくりすと（Karakurist） — 齿轮、连杆、凸轮等机构的动画集

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1. 齿轮的基础知识

齿轮是传递旋转运动的机构零件。在机关作品中，我们用它来改变旋转的速度和方向。

术语	说明
模数	表示轮齿大小的数值。相互啮合的齿轮必须使用 相同的模数
齿数	齿轮的轮齿数量。齿数越多直径越大
分度圆直径	由 模数 × 齿数 求得。是啮合的基准圆直径
压力角	一般以 20° 为标准

分度圆直径的计算

例：模数 2、齿数 18 时 → 分度圆直径 = 2 × 18 = 36 mm

两个齿轮的 中心距 可由 (分度圆直径1 + 分度圆直径2) ÷ 2 求得。

2. 创建正齿轮

打开 6. 制作齿轮.f3d。文件中已经准备好了轴（直径 2 mm、高 5 mm）与底座。

关于旋转轴的材料

旋转轴 请不要用 3D 打印或激光切割制作，强度与精度都不够。请使用 A 工作室（スタジオA）中备好的以下材料：

• 竹签（约 2 mm）
• 塑料棒（2 mm）
• 木制圆棒（3 mm）

正齿轮的制作方法

1. 选择 实用程序 → 附加模块 → 正齿轮（Spur Gear）
2. 设置以下参数：

参数	数值（示例）	说明
模数	2	轮齿的大小
分度圆直径	36 mm	由 模数 × 齿数 决定
齿数	18（= 36 ÷ 2）	分度圆直径 ÷ 模数
厚度	2.5 mm	与 MDF 板厚一致
孔直径	2 mm	与轴的粗细一致

3. 按 确定 即可生成齿轮

找不到正齿轮（Spur Gear）时

不同 Fusion 版本中位置有所不同。在画面上方的 搜索栏（放大镜图标）中输入「Spur Gear」或「正齿轮」即可找到。

齿数的求法

已知分度圆直径时，齿数的计算方法：

齿数 = 分度圆直径 ÷ 模数

例：分度圆直径 24 mm、模数 2 → 齿数 = 24 ÷ 2 = 12

布置两个齿轮

1. 创建两个齿轮（例：齿数 18 与齿数 12）
2. 分别用 旋转接头 把它们装到轴上：
   • 把齿轮孔的中心 → 轴的端点指定为捕捉点
   • 把运动类型设为 旋转
3. 轴与底座事先用 刚性接头 固定

注意轴间距

模板的底座上开有两个孔，这两个孔的间距必须与两个分度圆直径之和的一半相符。不相符齿轮就无法啮合。

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3. 运动链接（Motion Link）

让两个齿轮联动，转动其中一个时另一个也随之旋转。

1. 选择 装配 → 运动链接
2. 点击要联动的 2 个 旋转接头
3. 按 反转 按钮，让它们朝相反方向旋转

转动比的计算

一个齿轮转一圈时另一个转多少度，由 齿数之比 决定。

例：齿数 18 的齿轮与齿数 12 的齿轮

• 齿轮1（齿数 18）旋转 360° 时
• 齿轮2（齿数 12）只有 12 个 齿，所以是 12/18 = 2/3 圈
• 360° × 2/3 = 240°

也就是说，在运动链接的设置中：

• 接头1：360°
• 接头2：240°（打开反转）

轮齿初始位置的调整

如果齿轮之间啮合不顺，可以右键点击旋转接头 → 编辑接头，把 初始位置 的角度偏移几度做微调。

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4. 制作手柄（曲柄臂）

制作用手转动齿轮的手柄。打开 7. 制作手柄.f3d。

手柄的组成零件

零件	作用
侧板	分隔内外的壁板，上面有供手柄轴穿过的孔
轴1	从摇臂贯穿到齿轮的轴
轴2	手柄一侧的轴
摇臂（连杆）	连接轴1与轴2的臂
挡块	防止手柄从轴上脱落的固定件
握把	用手握持转动的部分（在轴2上自由旋转）
齿轮	安装在内侧的齿轮

组装要点

• 轴2 + 挡块 + 摇臂 + 轴1 + 齿轮 全部用 刚性接头 牢牢固定（作为一个整体旋转）
• 摇臂 ↔ 侧板 用 旋转接头（摇臂贯穿侧板并旋转）
• 握把 ↔ 轴2 用 旋转接头（只有握把在轴上自由转动）

用电机驱动的情况

把手柄部分换成电机，就能做成自动旋转的机构。使用 Arduino Pro Micro 等还可以实现电子控制。

齿轮的直角组合

在 8. 齿轮的直角组合.f3d 中，我们让正齿轮以 90 度的角度相互啮合。本来应该使用 锥齿轮（伞齿轮），但在手工制作的机关作品中，把正齿轮直角布置 也足以工作（会有一些晃动）。

记得加入垫片

即使在仿真中没有问题，实物上最大的问题是 轴会弯曲。如果轴的支撑点（板厚 2.5 mm）到齿轮的距离较长，就会因为杠杆原理导致轴挠曲。

对策： 在齿轮与支撑板之间加入 垫片（填补间隙的零件），尽量缩短轴的无支撑区段。仿真中看不出效果，但实物上差别很大。

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5. 尺寸与位置的调整

这是精确布置零件的技巧。

通过特征历史修改

1. 在画面下方的 时间线 上 双击 草图或拉伸特征
2. 修改尺寸并按 确定，之后的操作会自动更新

接头的编辑

1. 右键点击 接头图标 → 编辑接头
2. 在 对齐 选项卡中微调角度或偏移量
3. 在 运动 选项卡中设置最大值与最小值

部件的层级化

零件变多之后，把相关的部件整理到父部件中：

1. 右键 → 新建部件 创建父部件（例：「齿轮1」「齿轮2」「齿轮3」）
2. 把各个零件（齿轮、轴、底座）拖入父部件中
3. 这样层级结构就被理顺，浏览起来更清晰

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6. DXF 文件的导出

为了用激光切割机切割材料，需要导出 2D 的 DXF 文件。

激光切割机与 3D 打印机的分工

• 平面零件（齿轮、侧板、摇臂等）→ 激光切割机（从 MDF / 亚克力板上切出，速度快）
• 立体零件（握把、复杂造型等）→ 3D 打印机（耗时较长，但形状自由）

创建激光切割输出用草图

把所有零件汇总排布到一张草图中。

1. 新建一个 空白草图，随即结束草图，并把名称改为「激光切割输出用」
2. 打开各个零件的草图，选中图形并用 Ctrl+C 复制
3. 双击 打开「激光切割输出用」草图，用 Ctrl+V 粘贴
4. 用 M 键（移动/复制）调整排布（零件之间留 5〜10 mm 的间隙）
5. 左右侧板等需要多个相同零件时，把移动/复制中的「创建副本」打开来复制

把齿轮的轮廓导入草图

齿轮是由附加模块自动生成的，因此没有常规的草图。我们用 投影 功能获取其轮廓。

1. 在齿轮的面上新建一个草图
2. 选择 草图 → 创建 → 投影/包含 → 投影
3. 点击齿轮的面，就会出现紫色的投影线
4. 用 Ctrl+C 复制投影出来的线
5. 结束草图，在「激光切割输出用」草图中用 Ctrl+V 粘贴

删除多余的构造线

投影时有可能连中心线等构造线也一并被包含进来。为了避免激光切割机切出多余的切口，请 删除不需要的线条 后再导出。

导出为 DXF

1. 双击「激光切割输出用」草图，进入草图编辑模式
2. 右键点击草图 → 另存为 DXF

右键菜单中没有「另存为 DXF」时

可能是没有进入草图编辑模式。请右键点击草图 → 选择 编辑草图 后再试一次。

在 Illustrator 中收尾

用 Illustrator 打开 DXF 文件做最终调整。

1. 在 Illustrator 中打开 DXF 文件
2. 出现 DXF/DWG 选项时，务必选择 「原始尺寸」（一旦更改尺寸就会失真）
3. 为激光切割修改线条设置：
   • 线条颜色：红色 R:255, G:0, B:0
   • 线宽：0.1 pt
4. 可以根据需要添加插图或花纹
5. 通过 文件 → 存储为 → .ai 格式 保存

以 MDF 2.5 mm 板为基准

零件的厚度是以 MDF 2.5 mm 为基准设计的。嵌合部分的尺寸请根据实际板厚做微调。

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练习作业

请使用发放的 .f3d 文件完成以下练习：

1. 打开 6. 制作齿轮.f3d，创建分度圆直径 36 mm 与 24 mm 的齿轮
2. 用运动链接让两个齿轮联动
3. 再添加一个分度圆直径 48 mm 的齿轮，实现三者联动
4. 参考 7. 制作手柄.f3d 制作曲柄臂
5. 参考 11. DXF 文件的导出.f3d 实际完成一次 DXF 导出

提交物

请把完成的 .f3d 文件提交到课堂系统（Classroom）。