Chapter 10 特斯拉的叶轮机
尼古拉·特斯拉在 1913 年获批了一项专利，叫做边界层叶轮机，俗称特斯拉叶轮机。特斯拉先生在全世界至少获得了 278 项专利授权，他最喜欢的还是这个小叶轮机。它很简单，业余爱好者用普通的零件就能做出来。
本例中旋转叶片用旧的笔记本硬盘磁片，轴的支撑用常见的 8mm 内径的轮滑轴承，叶轮腔、两侧盖板还有中心分流片用 3D 打印。
图 10.1: 特斯拉叶轮机
10.1 技巧
- 用唯一的 master sketch 驱动整个设计
- 用减法旋转（沟槽 groove）
10.2 Master sketch 技术
我们已经做过一些设计，可以看到即使是简单的对象，还是会有很多特征，很多 sketch ，设计文件变得复杂起来。如果要修改排在前面的特征，而它又是后面一系列特征的基础，那么整个模型就会变得不稳定。
有一种办法，可以让模型更具鲁棒性，叫做 master sketch 方法：一开始就创建 sketch，在单个 sketch 里包含所有的关键参考元素。这个 master sketch 本身并不会驱动某个特征，它作为其他 body 的参考几何元素。这个机制很有效，让共享尺寸的多个 body 能够实现同步更新。
Master sketch 的工作流程有四个关键步骤：
- 在单个 master sketch 里创建参考几何体；
- 为每个子零件新建一个 body；
- 为了使 master sketch 在子零件 body 中可用，创建 shape binder，把 master sketch 中的边加入进来；
- 照常为每个子零件建模，为基础特征画 sketch。通过外部链接工具，调取 shape binder 中的边。
我们这里的特斯拉叶轮机主要有三个零部件，它们共用 master sketch 中的尺寸。
- 分流片在硬盘盘片的中心孔扶持住它们，把它们与轴连接起来。它把盘片排列整齐，并让水从分流槽中流过，流到侧面盖板的出水孔。
- 叶轮腔容纳盘片、轴、分流片和轴承，让它们各局其位。它有个入水口，让水沿着盘片边缘的切线方向进入。
- 侧盖板容纳轴承，轴承支撑轴，轴伸到盖板外面去，水从侧盖板流走。
下面列出了本例用到的关键尺寸，非关键尺寸留给你酌情设置。
| 尺寸 | 值 | master sketch |
|---|---|---|
| 叶片外径 | 2.5in | Y |
| 叶片孔径 | 0.75in | Y |
| 叶片与墙壁间隙 | 1.5mm | Y |
| 壁厚 | 10mm | Y |
| 入水口外径 | 8mm | Y |
| 轴径 | 8mm (diam) | N |
| 轴承外径 | 22mm (diam) | N |
| 轴承厚度 | 7mm | N |
既然所有尺寸都依赖于硬盘盘片尺寸，我们也把它们做进了 master sketch 中。
10.3 创建 master sketch
- 添加一个 body
，重命名为 master。在 XZ 基准面上创建一个 sketch 
，如图 10.2 所示，绘制参考几何元素。关闭 sketch，不用拉伸。
图 10.2: 核心草图包含所有尺寸
10.4 为 body 建模
- 创建另一个 body ，重命名为“叶片腔 housing”。在核心 body 中选中 master sketch，创建一个 shape binder
。以前创建 shape binder 时，我们是在原 body 的实体上选中了一个面。这里的情况是 master sketch 这个 body 没有实体。这必须手工加入 sketch 里的一个个边。只选择要用的边加入 shape binder 就够了。对叶片腔来说，引用实体中只需要有腔壁的内外圆和轴孔，入水口的中心线和内外壁边就够了。
图 10.3: 为叶片腔建模，引用形状只要参考核心草图中的几条边就够了
- 在 XZ 平面上建一个 sketch 。把 shape binder 的墙壁外圆作为外部几何体链接进来。加入进来的边是粉色的，表示它们可用。画一个圆，中心定位到原点，大小与引用边相同。
图 10.4: 一个圆加两个约束就够了
- 关闭 sketch，拉伸为 16mm 的凸台。凸台在基准面两侧对称。
图 10.5: 一定厚度的凸台（注意凸台在引用形状两侧对称）
我们分两步做入水口。首先做一个实心的茎，然后在下一步切出中间的管孔。这里不得不分成两步，因为一步是向 body 添加材料，一步是从 body 削减材料。在叶片腔 body 里新建一个 sketch ，从 shape binder 中调用入水口的两条边。
画一个长方体，固定角点。旋转做成入水口。
图 10.6: 入水口的一半轮廓（不含内孔）
- 关闭 sketch 做旋转。它需要围绕 shape binder 中的那条边旋转，而不是 body 的Z轴。你可能需要隐藏 body 来选中那条边。
图 10.7: 沿着 shape binder 的那条边旋转草图做成入水口
- 切出叶片腔的中心孔。在同一个 body 中新建一个 sketch，这次链接进来腔壁内孔。画一个圆，设置约束，关闭 sketch。
图 10.8: 这个草图几乎与腔体外壁的那个一样
- 拉伸 sketch，在基础平面两侧对称，through all 切出腔孔。
图 10.9: 打通中心
- 切出入水口的孔。像做入水口茎那样建一个 sketch。长方形的一个边固定在中心线上，然后加一个水平尺寸约束，定下来孔的半径。端点可以设为与引用几何元素重合，完全约束这个 sketch。
图 10.10: 用长方形做切除旋转
- 用减法旋转
切出沟槽，注意不要勾选“反转”。同样的，你可能需要先隐藏模型，才能选中 shape binder 中的线。如图 10.11 所示是完成后的叶片腔，入水口的孔与腔体内壁相切。
图 10.11: 孔与内壁相切
10.5 分流片建模
分流片有两个功用。它嵌入硬盘盘片的孔，让盘片能套稳在中心轴上。它也让水从中间流过去，最终流出叶轮机。这是个简单的模型，建模过程与叶片腔相似。
- 创建一个新的 body ，命名为“分流片 Hub”。
- 选中原始的 master sketch，把它建为 shape binder 。这次只需要包含中心孔的圆形边就够了。
- 在 XZ 基准面上创建 sketch，把 shape binder 的边链接进来。
- 画分流器的大致轮廓。外经圆与链接边相同大小，内径圆直径设为 8mm，留给轴用。
- 关闭 sketch，对称拉伸为 1.5mm 厚的凸台。你得到的东西就像常见的垫片。
- 做另一个 sketch，如图 10.12 所示，绘制单个过水口的轮廓。
图 10.12: 过水口的线和弧沿Y轴对称
- 关闭 sketch ，拉伸贯通
。
图 10.13: 挖出过水口
- 为过水口凹坑创建极坐标阵列
。
图 10.14: 分流器看起来像警告放射性标志
要是分流器能有个小沟槽卡住盘片就好了。因为分流器在原点中心，这简单。我们画一个小圆，用它做减法旋转(沟槽 groove)就成了。
在 YZ 基准面上添加 sketch，画一个小圆。我试了试各种尺寸和位置，直到它看起来不错，大概是 0.5mm 半径的圆，原点往上 9.7mm。
图 10.15: 我用的圆，你也可以用任何其他形状来做这个沟槽
- 绕 Y 轴完成减法旋转 。
图 10.16: 完成的分流器
10.6 侧面盖板建模
我们已经讲过的很多步骤都可以用于侧面盖板建模。建模的过程与其他零件类似，所以就不重复细节了。你只需要做一个侧面盖板，然后用零件工作台的镜像工具创建另一个就好了。
基础形状是一个圆形的凸台。外圆尺寸与 shape binder 的外壁相同，内圆尺寸与轴径相同(4mm)。
分开几步，我先用 sketch 挖了一个孔，然后做了一个圆环阵列。
靠近边沿的几个安装孔，制作过程一样。
图 10.17: 完成后的侧面盖板，细节留给读者
- 切换到零件工作台，选中项目树中的侧面盖板 body，用镜像工具
创建另一侧的复制品。
图 10.18: 基本的叶轮机完成了