第三章 齒輪傳動誤差之測試設備建構及測試規劃
3.3 齒輪傳動誤差之測試分析規劃
齒輪傳動誤差之測試分析前須訂清楚測試分析之內容及測試齒輪基本 參數，才能依此進行測試齒輪之設計及製作，以下分述齒輪傳動誤差之測 試分析內容、測試齒輪之基本設計參數設定及測試齒輪設計與製作。
3.3.1 齒輪傳動誤差之測試分析內容
齒輪傳動誤差之測試分析共分下列三部分進行:
(1) 受扭力負載之正齒輪傳動誤差測試分析，包含扭力負載、模數、齒數、
材質等不同之齒輪傳動誤差測試分析，並進行塑膠主動齒輪配塑膠被 動齒輪、鋼材主動齒輪配塑膠被動齒輪、鋼材主動齒輪配鋼材被動齒 輪等不同齒輪材質配對之齒輪傳動誤差測試分析與比較。此部分為本 論文研究之重點，亦花上大部分之測試分析時間在此部分，以期探討 出扭力負載與齒輪傳動誤差之關係。
(2) 不同中心距之正齒輪傳動誤差測試分析 (3) 不同軸交角之正齒輪傳動誤差測試分析 3.3.2 測試齒輪之基本設計參數設定
為求測試分析之單純化，本研究測試之正齒輪做了下列之設定:
(1) 主動齒輪及被動齒輪之齒數及所有齒形參數均設計相同。
(2) 齒頂作較大幅度之倒角(0.15 倍模數)，使漸開線之齒冠高只剩 0.85 倍 模數，以降低齒輪接觸率(約取 1.3)，使較大部份之轉動角範圍為單齒 接觸，以利嚙合齒輪對之傳動誤差分析比較，且可避免因搬運或組立 過程之碰撞，而產生毛頭。
(3) 分別採用塑膠及鋼材做為測試齒輪之材料，讓塑膠齒輪承受扭力負載 後，相對於鋼材齒輪有明顯之齒形變形差異，以凸顯其受扭力負載下 之傳動誤差的影響差距。
(4) 設計相同模數但不同齒數之齒輪，以呈現其齒數對扭力負載導致傳動誤 差變化之影響。
(5) 設計相同齒數但不同模數之齒輪，以呈現其模數對扭力負載導致傳動誤 差變化之影響。
(6) 因本研究所開發之泛用型齒輪測試機之負載容量有限，最多只能測到 12N-m，超過此負載容量馬達即跳機，為安全起見，本研究則以 10N-m 為扭力測試之上限。
3.3.3 測試齒輪之設計及製作
茲依 10N-m 為扭力測試上限，以規劃所需要之測試齒輪相關參數，而 測試齒輪之考量條件如下:
(1) 齒輪強度:在能承受 10N-m 之扭力負載，齒輪須盡可能有較大之受負載 變形量發生，以凸顯其對齒輪傳動誤差之影響。
(2) 壓力角:採用 20 度之加工壓力角，因其為目前最普遍之壓力角，較容 易找到現成之滾刀。實際安裝測試時，因需有少許之齒隙，因此，實 際工作壓力角會略大於加工壓力角。
(3) 螺旋角:本研究之範圍為正齒輪，故螺旋角為 0 度。
(4) 齒數:在不發生齒輪之齒形過切現象下，齒數盡可能減少，因齒數愈少 則每齒之嚙合傳動角度愈大，愈容易看出各齒之傳動誤差之變化。同 時亦特地設計不同齒數之齒輪，以比較其對受扭力負載所導致傳動誤 差變化之影響。
(5) 齒面寬:為求受扭力負載有較大之齒輪變形，以利凸顯其導致齒輪傳動 誤差之影響，因此，齒面寬不宜過大，但亦不能小到會影響加工精度 或造成加工夾持上之困難，特別是塑膠齒輪，且為方便比較，齒面寬 均設定為 10mm。
(6) 材質:鋼材齒輪均採用 AISI 4140 調質至 HRC27~32 之硬度，既有相當 強度，且其硬度仍可於熱處理調質後再滾齒，以利加工精度之掌控。
塑膠齒輪均採用 Nylon MC 工程塑膠材料，有相當強度及靭性。
(7) 齒輪精度:以所選用之材質及滾齒所能作到之程度訂定，鋼材齒輪之精 度等級設定為 AGMA 10 級，塑膠齒輪因材料剛性較差，加工時易變形，
因此，只能設定為 AGMA 8 級。
(8) 齒形修整:採用標準漸開線齒形，不做任何修整。
(9) 導程修整:除做些許之隆齒(隆齒量 0.006~0.010mm)，以防齒輪之嚙合 齒印落到齒面端部之銳邊上。
(10)齒隙:測試安裝之齒隙控制在 0.1~0.2mm。不同中心距之齒輪傳動誤差 測試則不在此限，因同一對齒輪，其安裝之齒輪中心距加大，齒隙即 會隨之增加。
前後共設計了十二種規格之齒輪，含模數 2mm、3mm 及 4mm，每種模數 分別設計三種不同齒數之塑膠齒輪及一種齒數之鋼材齒輪，詳細之齒輪設 計數據如表 3.2 至表 3.4 所示。滾齒之過程如圖 3.16 所示，齒輪之製作結 果如圖 3.17 所示。
表 3.2 本研究所設計之測試齒輪數據表(模數 2mm) 測試安裝單邊背隙(mm) 0.05/0.10 0.05/0.10 0.05/0.10 0.05/0.10
隆齒量(mm) 0.006/
AISI 4140 調質至 HRC27~32
Nylon MC
表 3.3 本研究所設計之測試齒輪數據表(模數 3mm)
項目 鋼材齒輪 塑膠齒輪
齒輪代號 SM3-18T PM3-18T PM3-24T PM3-30T
模數(mm) 3 3 3 3
齒頂倒角(mm) 0.45±0.1 0.45±0.1 0.45±0.1 0.45±0.1
跨齒數 3 3 4 4 測試安裝單邊背隙(mm) 0.05/0.10 0.05/0.10 0.05/0.10 0.05/0.10
隆齒量(mm) 0.006/
AISI 4140 調質至 HRC27~32
Nylon MC
表 3.4 本研究所設計之測試齒輪數據表(模數 4mm)
105.599/
105.525
129.641/
129.565 標準中心距(mm) 72 72 96 120 刀尖圓角半徑(mm) 0.5 0.5 0.5 0.5 漸開線起始圓直徑(mm) 67.7 67.7 90.3 112.8 測試安裝單邊背隙(mm) 0.05/0.10 0.05/0.10 0.05/0.10 0.05/0.10
隆齒量(mm) 0.006/
AISI 4140 調質至 HRC27~32
Nylon MC
圖 3.16 測試齒輪之滾齒加工照片
圖 3.17 測試齒輪之製作結果照片
SM2-27T PM2-27T PM2-36T PM2-45T SM3-18T PM3-18T PM3-24T M3-30T SM4-18T PM4-18T PM4-18T PM4-18T
SM2-27T PM2-27T PM2-36T PM2-45T SM3-18T PM3-18T PM3-24T M3-30T SM4-18T PM4-18T PM4-18T PM4-18T