實驗設備

本論文中，為了偵測出齒輪箱的正常與異常狀況， 我們實驗室先前和 工業技術研究院(Industrial Technology Research Institute, ITRI)機械與系統所 合作，建立一套齒輪箱機械系統[31]，量測齒輪箱在正常狀態以及在異常狀 態下運作的振動訊號，做成齒輪箱資料庫，作為本論文分析的資料，此實驗 平台如圖 2-1 所示。

圖 2-1 實驗平台[31]

如圖 2-1，實驗上使用馬達驅動主動軸齒輪，來帶動被動軸的齒輪。實 驗中利用電流變頻器來控制馬達，使馬達的轉速以及加速度可以隨實驗的需 要提升或是降低，如圖 2-2 所示。

圖 2-2 電流變頻器[31]

實驗中我們選用的馬達其轉動馬力為 160W，轉速範圍的是 200RPM 到 12000RPM，足夠驅動主動軸齒輪，使其達到實驗設計的轉速需要，如圖 2-3 所示。

圖 2-3 轉動馬達[31]

為了擷取齒輪箱的振動訊號，我們實驗室使用 National Instrument (NI) 的 PCB 352C65 加速規(規格如表 2-1)，以及 NI DAQ 9234 介面卡(規格如表 2-2)將訊號擷取下來，為了方便擷取齒輪的振動訊號，實驗將加速規放置於 主動軸上如圖 2-4。

圖 2-4 實驗平台加速規放置位置[31]

表 2-1 加速規 PCB 352C65 規格

PERFORMANCE ENGLISH SI

Sensitivity (±10%) 100 mV/g 1002 mV/(m/s²) Measurement Range ±50g pk ±491 m/s² pk Frequency Range(±5%) 0.5 to 10,000 Hz 0.5 to 10,000 Hz

(±10%) 0.3 to 12,000 Hz 0.3 to 12,000 Hz (±3 dB) 0.2 to 20,000 Hz 0.2 to 20,000 Hz Resonant Frequency ≥35 kHz ≥35 kHz

Broadband Resolution(1 to10,000 Hz)

0.00016 g rms 0.0015 m/s² rms

Non-Linearity ≤1% ≤1%

Transverse Sensitivity ≤5% ≤5%

Temperature Range (Operating) -65 to +200 ^oF -54 to +93 ^oC 加速規

表 2-2 NI 9234 DAQ 介面卡規格

RoHS Compliant Yes

Signal Conditioning Current excitation，Anti-aliasing filter

Cannels 4

Resolution 24 bits Sample Rate 51.2 kS/s Bandwidth 23.04 kHz Simultaneous Sampling Yes

Input Impedance 305 kOhm Storage Temperature -40 ^oC ~ 85 ^oC Operating Temperature -40 ^oC ~ 70 ^oC

馬達在實驗平台上以連接器將馬達與主動軸相連接，主動軸與被動軸間 則使用兩個齒輪傳動，嚙合情況如圖 2-5，主動軸安裝齒數 23 齒的小齒輪，

被動軸安裝齒數 51 齒的大齒輪其中，齒輪的規格如表 2-3 所示。

圖 2-5 齒輪嚙合情況[31]

表 2-3 齒輪規格表 (單位:mm) [31]

種類 模數 齒數 孔徑 節徑 齒頂圓

直徑

齒輪 寬度

正齒輪 1.5 23 10 34.5 37 10

正齒輪 1.5 51 10 76.5 79 10

最後，實驗目的是希望能分辨齒輪箱的異常狀態，所以希望能模擬出一 般齒輪常出現的問題，利用放電加工將齒輪進行破壞，模擬真實齒輪異常的 狀態。實驗齒輪的健康狀況及破壞形式包含：

 正常狀態 (Normal)：主動軸齒輪及被動軸齒輪皆未經破壞之齒輪 (圖 2-6、圖 2-7)。

 動不平衡 (Imbalance)：在齒輪轉動過程中，因為質量分配不平均，

使齒輪轉動時因離心力造成的不規則撞擊，會造成轉動軸心及軸承 的負擔，甚至使轉軸扭曲(圖 2-8)。

 斷齒 (Break)：一般斷齒發生折斷的部分在根部，因為齒輪齒根在 受力時所受彎曲應力最大，當應力對齒輪作用多次，重複的次數超 過彎曲疲勞極限時，齒根就會產生疲勞裂痕，疲勞裂痕逐漸擴展便 會造成輪齒折斷，此種折斷稱為疲勞折斷。若是在短時間內嚴重過 載或受到過大衝擊而引起的突然折斷，稱為過載折斷(圖 2-9)。

 磨損 (Wear)：在齒輪動作中，齒面之間若是夾入灰塵、鐵屑、砂礫 等物質時，齒面便會逐漸磨損，稱為磨料性磨損。(圖 2-10)

圖 2-6 主動軸標準齒輪

圖 2-7 被動軸標準齒輪

圖 2-8 被動軸齒輪動不平衡 重物

圖 2-9 主動軸斷一齒

圖 2-10 主動軸齒輪磨損