第四章 修整型螺旋內齒輪組之齒面接觸分析
4.4 接觸分析例題與討論
本節依據 4.2 節與 4.3 節所推導之螺旋內齒輪對的接觸分析數學模 式,再加上自行發展之電腦分析程式來模擬齒輪組裝時的接觸狀況。由於 在實際運用上,現代自動化組裝及人工組裝齒輪都難以達到理想的裝配狀 況,所以在具有各種裝配誤差下的齒輪運動特性探討將顯得重要及必要。
以下將經由幾個例題,分別討論具冠狀修整量、轉位修整量及不同壓力角 之螺旋內齒輪對,在理想組裝狀況、具中心距裝配誤差、具水平軸向之旋 轉軸交錯角之裝配誤差與垂直軸向之旋轉軸交錯角之裝配誤差等情形下 的運動誤差及其運動誤差曲線,探討在有裝配誤差的情況下,不同的齒輪 設計參數對齒輪嚙合時運動誤差的影響。
例題4.1 漸開線螺旋內齒輪對在理想裝配狀態下的接觸分析
漸開線形螺旋齒輪,在旋轉軸截面的齒形為漸開線形曲線,本例中漸 開線螺旋內齒輪對的主要設計參數如表 4.1 所示,其冠狀修整半徑趨近無 窮大即表示螺旋齒輪之齒形趨近於理想漸開線齒輪,轉位係數x =0,壓 力 角 均 為20o, 其 齒 輪 組 在 理 想 的 裝 配 情 況 下 嚙 合 , 即 ΔC =0mm ,
0o
.
=0
Δ
γ
h 和Δγ
v =0.0o。經本研究所開發之接觸模擬與分析程式,分析漸開線螺旋內齒輪對在 理想裝配狀況下之運動誤差,其分析之結果如表 4.1 所示。由模擬與分析 之結果可得知,漸開線螺旋內齒輪對在理想裝配狀況下,齒輪對嚙合時的 運動誤差皆為零,此與理論相吻合。
表 4.1 漸開線螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在理想裝配下的運動誤差 模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 無冠狀 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.0o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 5.000 10.000 5.000 2.987 2.987 0.000
8.000 4.000 8.000 4.000 2.733 2.733 0.000 6.000 3.000 6.000 3.000 2.479 2.479 0.000 4.000 2.000 4.000 2.000 2.226 2.226 0.000 2.000 1.000 2.000 1.000 1.972 1.972 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.718 1.718 0.000 -2.000 -1.000 -2.000 -1.000 1.464 1.464 0.000 -4.000 -2.000 -4.000 -2.000 1.211 1.211 0.000 -6.000 -3.000 -6.000 -3.000 0.957 0.957 0.000 -8.000 -4.000 -8.000 -4.000 0.703 0.703 0.000 -10.000 -5.000 -10.000 -5.000 0.449 0.449 0.000
例題4.2 具冠狀修整之螺旋內齒輪對在理想裝配下的運動誤差分析
具冠狀修整之螺旋內齒輪對的主要設計參數如表 4.2 至 4.5 所示,其 螺旋小齒輪的冠狀修整半徑分別為 30mm、50mm、100mm 和 1000mm,
螺旋內齒輪則無冠狀修整,轉位係數x =0,壓力角均為20o,其齒輪組在 理想的裝配情況下嚙合,即ΔC =0mm,Δ
γ
h =0.0o和Δγ
v =0.0o。經由接觸分析模擬後,具齒面冠狀修整的螺旋小齒輪與無冠狀修整的 漸開線螺旋環齒輪在理想裝配狀況下,其分析結果如表 4.2 至 4.5 所示,
由分析結果可得知,在理想裝配狀態下螺旋小齒輪的冠狀修整對該齒輪組 之運動誤差均為零,而且齒輪組之接觸點位置(即齒面設計參數l和l( s))變 化不大,冠狀修整半徑越大影響越小。
圖 4.2 不同冠狀修整半徑之螺旋小齒輪齒形 冠狀半徑 30mm
冠狀半徑 50mm 冠狀半徑 100mm
0 4 (mm)
冠狀半徑 1000mm
表 4.2 具冠狀修整 R=30mm 之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在理想
表 4.4 具冠狀修整 R=100mm 之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在理 想裝配下的運動誤差
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 100 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.0o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 5.000 10.000 5.000 2.987 2.987 0.000
8.000 4.000 8.000 4.000 2.733 2.733 0.000 6.000 3.000 6.000 3.000 2.479 2.479 0.000 4.000 2.000 4.000 2.000 2.226 2.226 0.000 2.000 1.000 2.000 1.000 1.972 1.972 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.718 1.718 0.000 -2.000 -1.000 -2.000 -1.000 1.464 1.464 0.000 -4.000 -2.000 -4.000 -2.000 1.211 1.211 0.000 -6.000 -3.000 -6.001 -3.000 0.957 0.957 0.000 -8.000 -4.000 -8.001 -4.000 0.703 0.703 0.000 -10.000 -5.000 -10.001 -5.000 0.449 0.449 0.000 表 4.5 具冠狀修整 R=1000mm 之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在理 想裝配下的運動誤差
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 1000 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.0o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 5.000 10.000 5.000 2.987 2.987 0.000
8.000 4.000 8.000 4.000 2.733 2.733 0.000 6.000 3.000 6.000 3.000 2.479 2.479 0.000 4.000 2.000 4.000 2.000 2.226 2.226 0.000 2.000 1.000 2.000 1.000 1.972 1.972 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.718 1.718 0.000 -2.000 -1.000 -2.000 -1.000 1.464 1.464 0.000
例題 4.3 具冠狀修整與轉位修整之螺旋內齒輪對在理想裝配狀態下的接 觸分析
具冠狀及轉位修整之螺旋內齒輪對的主要設計參數如表 4.6 和 4.7 所 示,螺旋小齒輪Σ1的轉位係數分別為x =0.2之正轉位及x =−0.2之負轉 位,其兩者之冠狀修整隆齒半徑均為 50mm,螺旋環齒輪則為一般漸開線 環 齒 輪 , 壓 力 角 均 為20o, 內 齒 輪 對 在 理 想 裝 配 狀 況 下 嚙 合 , 亦 即
=0
ΔC mm,Δγh =0.0o和Δ
γ
v =0.0o。經由接觸分析模擬後,具冠狀修整與轉位修整的螺旋小齒輪與無冠狀 修整的漸開線螺旋環齒輪在理想裝配狀況下,其分析結果如表 4.6 和 4.7 所示。此分析結果與螺旋小齒輪僅有冠狀修整之例題 4.2 相比較可得知,
在理想裝配狀態下螺旋小齒輪的冠狀及轉位修整會導致齒輪組之接觸點 位置有所改變,但並不影響該齒輪組之運動誤差。不同之齒輪轉位係數會 導致齒輪組的接觸點改變,由表 4.6 和 4.7 中可以看出,負轉位的螺旋小 齒輪的接觸點較正轉位時偏向齒形的上方。
例題 4.4 不同壓力角之冠狀修整螺旋內齒輪對在理想裝配狀況下的接觸 分析
具冠狀修整之螺旋內齒輪對的主要設計參數如表 4.8 至 4.11 所示,其 壓力角分別為19o與21o,冠狀修整隆齒半徑為 50mm,轉位係數x=0,螺 旋環齒輪為一般漸開線環齒輪,內齒輪對在理想裝配狀況下嚙合,亦即
=0
ΔC mm,Δγh =0.0o和Δ
γ
v =0.0o。經由接觸分析模擬後,具不同壓力角(19o與21o)之冠狀螺旋內齒輪對 在理想裝配狀況下,其運動誤差分析結果如表 4.8 至 4.9 所示。若僅改變 螺旋小齒輪Σ1之壓力角為19o及21o,而螺旋環齒輪Σ2的壓力固定為20o, 則其齒輪對的運動分析結果如表 4.10 及 4.11 所示。從上述四個表中可以 看出,在兩個齒輪的壓力角不同時,則齒輪對在嚙合時,其接觸點離節圓 處(
φ
1′=0o)越遠時,其運動誤差的值越大。由圖 4.3 中可以看出,當兩齒輪表 4.6 具冠狀修整與正轉位修整之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在 理想裝配下的運動誤差
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 50 0.2
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.0o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 5.000 9.583 4.792 2.561 2.987 0.000
8.000 4.000 7.583 3.792 2.308 2.733 0.000 6.000 3.000 5.583 2.792 2.054 2.479 0.000 4.000 2.000 3.584 1.792 1.800 2.225 0.000 2.000 1.000 1.583 0.792 1.546 1.971 0.000 0.000 0.000 -0.417 -0.208 1.293 1.718 0.000 -2.000 -1.000 -2.417 -1.208 1.039 1.464 0.000 -4.000 -2.000 -4.418 -2.208 0.785 1.210 0.000 -6.000 -3.000 -6.418 -3.208 0.531 0.956 0.000 -8.000 -4.000 -8.419 -4.208 0.278 0.702 0.000 -10.000 -5.000 -10.420 -5.208 0.024 0.449 0.000 表 4.7 具冠狀修整與負轉位修整之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在 理想裝配下的運動誤差
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 50 -0.2
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.0o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 5.000 10.416 5.209 3.413 2.987 0.000
8.000 4.000 8.417 4.209 3.159 2.733 0.000 6.000 3.000 6.417 3.209 2.905 2.479 0.000 4.000 2.000 4.418 2.209 2.651 2.225 0.000 2.000 1.000 2.418 1.209 2.398 1.971 0.000 0.000 0.000 0.418 0.209 2.144 1.718 0.000 -2.000 -1.000 -1.582 -0.791 1.890 1.464 0.000
表 4.8 不同壓力角之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在理想裝配下的
表 4.10 不同壓力角之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在理想裝配下 的運動誤差(3)
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 19 75(右旋) 20 50 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.0o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 5.034 10.289 4.977 2.968 2.987 2.107
8.000 4.027 8.204 3.984 2.716 2.733 1.685 6.000 3.020 6.119 2.991 2.464 2.479 1.264 4.000 2.013 4.033 1.997 2.212 2.226 0.842 2.000 1.007 1.947 1.004 1.960 1.972 0.421 0.000 0.000 -0.141 0.011 1.707 1.718 0.000 -2.000 -1.007 -2.228 -0.983 1.455 1.464 -0.421 -4.000 -2.013 -4.317 -1.976 1.203 1.210 -0.842 -6.000 -3.020 -6.406 -2.969 0.950 0.956 -1.263 -8.000 -4.027 -8.496 -3.962 0.698 0.702 -1.683 -10.000 -5.034 -10.586 -4.956 0.445 0.448 -2.104 表 4.11 不同壓力角之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在理想裝配下 的運動誤差(4)
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 21 75(右旋) 20 50 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.0o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 4.966 9.736 5.023 3.006 2.987 -2.136
8.000 3.973 7.814 4.016 2.751 2.733 -1.709 6.000 2.980 5.893 3.009 2.496 2.479 -1.282 4.000 1.986 3.970 2.003 2.240 2.226 -0.855 2.000 0.993 2.048 0.996 1.985 1.972 -0.428 0.000 0.000 0.124 -0.011 1.729 1.718 0.000 -2.000 -0.993 -1.800 -1.018 1.474 1.464 0.428
圖 4.3 不同壓力角之螺旋小齒輪與壓力角20o螺旋內齒輪嚙合時之運動誤 差曲線
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
-30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 壓力角19度 壓力角20度 壓力角21度
例題 4.5 漸開線螺旋內齒輪對具裝配誤差時之接觸分析
漸開線螺旋內齒輪對的主要設計參數如表 4.12 至 4.14 所示,其冠狀 修整半徑趨近無窮大時亦即趨近於理想漸開線齒輪,轉位係數x =0,即 無轉位,壓力角均為20o,其內齒輪對在具有中心距裝配誤差及旋轉軸向 裝配誤差狀況下嚙合。
經接觸分析所得漸開線螺旋內齒輪對在具有中心距、水平軸向及垂直 軸向等裝配誤差狀況下之運動誤差分析結果如表 4.12 至 4.15 所示。一般 漸開線形螺旋齒輪,由於在旋轉軸截面其齒形為漸開線形曲線,因此,齒 輪組在理想裝配狀態或僅具有中心距裝配誤差的條件下,齒輪組並沒有運 動誤差。在圖 4.4 中,齒輪組在具有水平軸向與垂直軸向軸交錯角之裝配 誤差時,其運動誤差曲線會隨著
φ
1′角度之增大而增大,且水平軸向裝配誤 差的影響明顯較垂直軸向裝配誤差來得大。運動誤差 KE ( arc-sec )
螺旋小齒輪 旋轉角(度)
表 4.12 具中心距之裝配誤差時,漸開線螺旋內齒輪對的主要設計參數及 其運動誤差(1)
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 無冠狀 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC =1mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.0o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 5.000 9.009 4.504 2.861 3.922 0.000
8.000 4.000 7.009 3.504 2.607 3.668 0.000 6.000 3.000 5.009 2.504 2.354 3.414 0.000 4.000 2.000 3.009 1.504 2.100 3.161 0.000 2.000 1.000 1.009 0.504 1.846 2.907 0.000 0.000 0.000 -0.992 -0.496 1.592 2.653 0.000 -2.000 -1.000 -2.992 -1.496 1.339 2.399 0.000 -4.000 -2.000 -4.992 -2.496 1.085 2.145 0.000 -6.000 -3.000 -6.992 -3.496 0.831 1.892 0.000 -8.000 -4.000 -8.992 -4.496 0.577 1.638 0.000 -10.000 -5.000 -10.992 -5.496 0.323 1.384 0.000 表 4.13 具水平軸向之裝配誤差時,漸開線螺旋內齒輪對的主要設計參數 及其運動誤差(2)
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 無冠狀 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.5o、Δγv =0.0o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 4.990 9.443 4.721 2.916 2.911 -0.657
8.000 3.992 7.439 3.719 2.662 2.658 -0.525 6.000 2.994 5.434 2.717 2.408 2.406 -0.394 4.000 1.996 3.430 1.715 2.153 2.153 -0.263 2.000 0.998 1.426 0.713 1.899 1.901 -0.131 0.000 0.000 -0.578 -0.289 1.645 1.648 0.000 -2.000 -0.998 -2.582 -1.291 1.390 1.396 0.131
表 4.14 具垂直軸向之裝配誤差時,漸開線螺旋內齒輪對的主要設計參數
圖 4.4 具水平與垂直軸向裝配誤差之漸開線螺旋內齒輪對之運動誤差曲 線
-0.7 -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 0.7
-30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 水平軸交錯角0.5度 垂直軸交錯角0.5度
例題4.6 冠狀修整螺旋內齒輪對具裝配誤差時之接觸分析
具冠狀修整之螺旋內齒輪對的主要設計參數如表 4.16 至 4.27 所示,
其壓力角均為20o,冠狀修整隆齒半徑分別為 100mm、300mm 和 500mm,
轉位係數x=0,螺旋環齒輪為一般漸開線環齒輪,其內齒輪對在具有中 心距裝配誤差及旋轉軸向裝配誤差狀況下嚙合。
經由接觸分析模擬後,具冠狀修整之螺旋內齒輪對在具裝配誤差狀況 下,其運動誤差分析結果如表 4.16 至 4.27 所示。由分析結果顯示,齒輪 對在具有中心距裝配誤差ΔC時,並無運動誤差出現,只是接觸點位置有 所改變;然而,當齒輪對具有水平及垂直軸向裝配誤差時,則會有運動誤 差值的出現,且水平軸向裝配誤差Δγh所造成的運動誤差值會大於垂直軸
運動誤差 KE ( arc-sec )
螺旋小齒輪 旋轉角(度)
表 4.16 具冠狀修整 R=30mm 之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在具
表 4.18 具冠狀修整 R=30mm 之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在具 有垂直軸向之裝配誤差下的運動誤差(3)
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 30 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.5o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 4.997 11.062 5.527 3.163 3.271 -0.215
8.000 3.997 9.060 4.527 2.909 3.012 -0.171 6.000 2.998 7.056 3.526 2.656 2.753 -0.127 4.000 1.999 5.053 2.525 2.402 2.494 -0.084 2.000 0.999 3.050 1.525 2.148 2.235 -0.042 0.000 0.000 1.046 0.524 1.895 1.976 0.000 -2.000 -0.999 -0.958 -0.477 1.641 1.717 0.041 -4.000 -1.999 -2.963 -1.477 1.387 1.457 0.082 -6.000 -2.998 -4.967 -2.478 1.134 1.198 0.122 -8.000 -3.997 -6.972 -3.479 0.880 0.939 0.161 -10.000 -4.997 -8.977 -4.479 0.627 0.680 0.200 表 4.19 具冠狀修整 R=30mm 之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在具 有水平軸向和垂直軸向之裝配誤差下的運動誤差(4)
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 30 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.5o、Δγv =0.5o
φ1′(deg) φ2′(deg) φ1(deg) φ2(deg) l(mm) l (mm) ( s) KE (arc-sec) 10.000 4.986 10.504 5.248 3.092 3.192 -0.861
8.000 3.989 8.497 4.246 2.838 2.935 -0.688 6.000 2.992 6.490 3.243 2.584 2.677 -0.515 4.000 1.995 4.482 2.240 2.330 2.420 -0.343 2.000 0.997 2.475 1.238 2.075 2.162 -0.171 0.000 0.000 0.467 0.235 1.821 1.904 0.000 -2.000 -0.997 -1.541 -0.768 1.567 1.647 0.170
表 4.20 具冠狀修整 R=50mm 之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在具
表 4.22 具冠狀修整 R=50mm 之螺旋內齒輪對的主要設計參數及其在具 有垂直軸向之裝配誤差下的運動誤差(3)
模數
(mm/齒) 齒數 壓力角
(度)
導程角 (度)
齒寬 (mm)
隆齒修整 半徑 (mm)
轉位 係數
齒輪Σ1 2.0 20 20 75(右旋) 20 50 0
齒輪Σ2 2.0 40 20 75(左旋) 20 無冠狀 0
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.5o
裝配狀況:ΔC=0mm、Δγh =0.0o、Δγv =0.5o