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韵彭
7 years ago
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1 齒輪學習目標能了解齒輪的用途種類及傳動之基本定律能了解齒形的種類及齒形與齒輪的規格能了解各種齒輪及其功用

2 10-1 齒輪的用途與種類一齒輪的用途及優點齒輪 (gears) 是在摩擦輪的表面, 製造適當形狀之輪齒 (tooth) 能互相嚙合, 並以一定的速比傳達動力, 而不會產生有如摩擦輪傳動之滑動現象發生是機械設備關鍵的傳動零件之一, 廣泛的應用於日常生活及傳動系統齒輪之傳動具有以下三種用途傳達動力 : 例如汽機車工具機攪拌機等之動力傳遞, 大都使用齒輪改變運動方向 : 兩齒輪傳動方向, 兩輪之轉向不一定一致, 例如外接正齒輪傳動時, 兩輪轉齒輪的應用在生活中隨處可見例如, 機車自行車鐘錶電動門釣魚捲線器等向相反 ; 內接正齒輪, 則兩輪轉向相同改變旋轉速度 : 齒輪傳動可使兩轉軸速度快或慢, 例如兩正齒輪傳動, 齒數較多者, 轉速較慢齒輪之優點如下速比正確高低速傳動均可大小動力均可傳達變速操作容易占用空間少二齒輪之種類齒輪之種類甚多, 常用的依齒輪嚙合時兩軸之關係, 可分為三大類 : 連接相交軸之齒輪 - 斜 ( 傘 ) 齒輪系 (bevel gears) 在錐形體上切成齒線, 即成斜齒輪, 又因其外觀有如雨傘, 故又稱為傘形齒輪, 常見的種類如圖 10-1 所示連接兩平行軸之齒輪 - 正齒輪系 (spur gears), 常見的種類如圖 10-2 所示 2

3 冠狀齒輪 (crown gears) 當一對斜齒輪其中一輪之頂角為 180 時, 則成一平盤狀似皇冠, 其上之齒均向內傾斜, 稱為冠狀齒輪兩軸相交必大於 90, 如圖中角所示, 故可用於傳達二軸相交大於 90 以上之動力蝸線斜齒輪 (spiral bevel gears) 齒形為曲線的斜齒輪由於齒承的面積較大, 因此強度壽命皆提高, 而且噪音較小傳動效率佳, 但製造上較困難適於高速及重負荷之傳動, 常使用於汽車卡車及船舶之減速裝置中直齒斜 ( 傘 ) 齒輪 (straight bevel gears) 又稱平斜齒輪 (plain bevel gears), 齒形呈直線, 並全部朝向圓錐頂點其軸線相交成 90 為最常用者, 亦可交成任意角度在直交的兩軸間, 若使用一對齒數相同的直齒斜齒輪, 做轉速 1:1 的傳動時, 稱為斜方齒輪 (miter gears) 或等比傘形齒輪, 如下面右圖所示常使用於工作母機印刷機等, 特別是適用在差速裝置上 10 齒輪圖 10-1 連接相交軸之齒輪 - 斜 ( 傘 ) 齒輪系 3

4 外齒輪 (external gears) 為最普通之齒輪, 用途最廣兩齒輪的輪齒在外緣互相嚙合, 用於一般的動力傳達內齒輪 (internal gears) 齒輪在內緣與小齒輪互相嚙合, 大者稱為內齒輪或環形齒輪 (annular); 小者稱為小齒輪 (pinion) 用於高減速比之行星齒輪系內齒輪螺旋齒輪 (helical gears) 又稱正扭齒輪 (twisted spur gears), 其輪齒不與軸平行, 而在一螺旋線上, 且兩相互嚙合之齒輪, 其螺旋角相同, 但螺旋方向相反優點為 : 傳達動力大, 其嚙合動作是漸近傳遞, 較平滑安靜, 故噪音較小缺點為 : 製作困難, 無互換性, 須成對製造, 且易生軸向推力, 軸承容易損壞, 應採用人字形齒輪或在產生軸向推力側加裝止推軸承來消除螺旋角愈大, 軸向推力愈大, 一般約 15 ~25 較佳, 用於一般的傳動裝置汽車減速機等主動齒輪主動齒輪推力推力推力推力推力推力主動齒輪主動齒輪圖 10-2 連接兩平行軸之齒輪 - 正齒輪系 4

5 人字齒輪 (herringbone gears) 又稱雙螺旋齒輪, 相當於兩個螺旋齒輪, 一個左旋一個右旋所合成優點為 : 傳動圓滑, 噪音小, 無軸向推力針齒輪 (pin gears) 針齒輪的齒腹為半圓形, 齒面為擺線, 其中一個齒輪的輪齒是由圓針或銷所取代, 一般都用於儀器上齒條與小齒輪 (rack and pinion) 是外齒輪中大輪的半徑大至無窮, 而形成齒條的情形齒條與小齒輪用於改變旋轉運動為直線運動, 或改變直線運動為旋轉運動之機構廣泛使用在印刷機械工作機械及機器人等各種自動裝置搬運機械上面小齒輪 10 齒輪齒條 5

6 連接不平行且不相交兩軸之齒輪 - 歪齒輪系 (skew gears) 雙曲面齒輪 (hyperboloidal gears) 又稱歪斜齒輪 (skew bevel gears), 如圖 10-3 所示, 大齒輪的輪齒成斜直線形, 但不像直齒斜齒輪收斂於一點, 運動時在齒面素線及其垂直方向, 會產生某種程度的滑行, 常用於紡織機械中齒輪 (hypoid gears) 如圖 10-4 所示, 是由雙曲面齒輪改進而來, 用圓錐面取代雙曲面, 以減少製造上的困難, 且傳動時有較多齒數接觸, 故較平穩安靜, 常用於汽車或大客車的後軸傳動機構, 因小齒輪偏置的特性, 可用於不同設計需求的車輛, 如下偏置設計可使轎車重心降低, 增加行車安全及舒適性 ; 上偏置可使越野性能車輛底盤提高, 增加越野能力圖 10-3 雙曲面齒輪圖 10-4 齒輪交叉螺旋齒輪 (crossed helical gears) 又稱螺輪 (screw gears), 如圖 10-5 所示, 外形與螺旋齒輪相似, 但兩輪成點接觸, 易因磨損而造成晃動, 故不適於傳動大的動力, 常用在汽車的驅動裝置及自動機械等複雜迴轉運動上圖 10-5 交叉螺旋齒輪 6

7 蝸桿與蝸輪 (worm and worm wheel) 如圖 10-6(a) (b) 所示, 蝸桿事實上仍為螺旋齒輪, 其齒數至少有一齒沿其圓柱迴繞而呈螺旋之形狀, 常用於減速機之傳動機構中, 能傳達一組不相交而互成直角且有高轉速比之兩軸的動力 ( 兩軸在空間成正交 ) 蝸輪與普通正齒輪不同之處, 為其輪面呈向內彎曲之弧形, 使與蝸桿嚙合時, 有更大之接觸表面, 如圖 10-6(b) 所示此外, 蝸桿與蝸輪的速比, 與節圓直徑無關, 僅與蝸輪的齒數與蝸桿上的螺紋線數有關 ; 若是單線蝸桿, 則每轉一周, 僅使蝸輪轉動一齒, 若是雙線蝸桿, 則可使蝸輪轉動兩齒, 其餘依此類推設 N w 為蝸桿轉速,N g 為蝸輪轉速,T g 為蝸輪齒數,T w 為蝸桿的螺紋線數, 則其轉速比為蝸桿轉速蝸輪齒數 = 蝸輪轉速蝸桿螺紋線數 (a) 蝸桿公式 10-1 即 = 節徑中心距式中 T w = 1, 為單線蝸桿 T w = 2, 為雙線蝸桿 T w = 3, 為三線蝸桿蝸桿與蝸輪傳動時恆以蝸桿為主動件, 蝸輪為從動件, 因此是很好的防止倒轉裝置, 此項特蝸輪 (b) 圖 10-6 蝸桿與蝸輪有的自鎖特性, 為其他齒輪所未有, 常用於電梯吊車起重機械減速機及汽車轉向機構中同時蝸桿與蝸輪是靠螺旋作用而轉動, 故運轉時平穩安靜 ; 又因為螺紋線數之有限, 所以蝸桿與蝸輪之組合可得很大之減速比, 約 10:1 至 500:1 其缺點是輪齒之嚙合部分, 因摩擦作用而產生極大摩擦損失, 故其效率甚低 10 齒輪 7

8 1 應用三線蝸桿與一 30 齒之蝸輪相嚙合, 若欲使蝸輪每分鐘迴轉 10 轉, 則蝸桿每分鐘之迴轉速為若干? 解 T w = 3 線 T g = 30 齒 N g = 10rpm 由 ( 公式 10-1) 可知 : = = = = ( ) ( ) 下列何者不是齒輪的功用? 傳達動力改變運動方向作功改變旋轉速度 ( ) 兩軸相交的傳動應採用正齒輪人字齒輪齒輪斜齒輪 ( ) 下列哪個齒輪用於兩軸不平行也不相交之傳動? 內齒輪斜齒輪雙曲面齒輪人字齒輪 ( ) 欲消除螺旋齒輪 ( 正扭齒輪 ) 之軸向推力, 宜採用斜齒輪人字齒輪雙曲面齒輪蝸桿與蝸輪 ( ) 若需要傳達一組不相交而互成直角之兩軸的動力, 且有很大的轉速比, 工作時噪音要小, 則採用下列何種裝置較適宜? 正齒輪組蝸桿與蝸輪人字齒輪組斜齒輪組 ( ) 雙線蝸桿與一 30 齒之蝸輪相嚙合, 蝸桿節圓直徑 10cm, 蝸輪節圓直徑 60cm, 欲使蝸輪每分鐘轉 3 轉, 則蝸桿轉速為每分鐘多少轉?

9 10-2 齒輪各部名稱一齒輪各部位之名稱如圖 10-7(a) (b) 及圖 10-8 所示全齒深 (h) 齒面齒面寬節面齒冠齒根 ( ) ( ) 周節 ( ) 齒腹齒頂圓 (D O) 節圓 (D) 基圓齒根圓齒厚齒間 (a) (b) 圖 10-7 齒輪各部位之名稱節圓齒頂圓基圓工作深度節圓直徑節點 P 齒頂圓節圓圖 10-8 齒輪嚙合時各部位之符號及名稱節面 (pitch surface) 代表齒輪之理想面, 相當於摩擦輪之表面, 正齒輪之節面為圓柱面, 斜齒輪之節面為圓錐面節圓 (pitch circle) 兩相嚙合的齒輪, 在節點 P 形成滾動接觸的圓節點 (pitch point) 兩相嚙合的齒輪, 其節圓相切之點 10 齒輪 9

10 節徑 (pitch diameter) 節圓的直徑, 以 D 表示齒頂圓 (addendum circle) 齒輪的最外圓, 或稱齒冠圓 ( 外徑 ), 以 D O 表示, 外徑 = 節徑 +2 齒冠公式 10-2 即 D O = D + 2h a 註 1 T 為齒數,M 為模數, 模數定義如公式 10-5 的敘述註 2 標準齒 :D O = M(T + 2), 短齒 :D O = M(T + 1.6) 齒冠 (addendum) 齒輪齒頂圓半徑與節圓半徑的差, 或稱齒頂, 以 h a 表示註標準齒:h a = M, 短齒 :h a = 0.8M 齒根 (dedendum) 齒輪節圓半徑與齒根圓半徑的差, 以 h b 表示齒根圓 (dedendum circle) 包含各齒根部之圓, 其直徑稱為內徑, 以 D i 表示, 內徑 = 節徑 - 2 齒根公式 10-3 即 D i = D - 2h b 齒厚 (tooth thickness) 沿節圓上的齒之左右兩側間弧長齒間 (tooth space) 沿節圓上兩齒間的間隔弧長註通常齒厚 = 齒間 = 周節的一半 = = (P c 為周節, 定義如公式 10-4 的敘述 ), 實際上齒間 - 齒厚 = 0.05mm 齒面 (face of tooth) 節圓至齒頂圓間的曲面 10

11 齒腹 (flank of tooth) 節圓至齒根圓間的曲面, 又稱齒根面齒面寬 (face width) 為齒面或齒腹之寬度, 又稱齒寬背隙 (backlash) 為一齒輪的齒間與其相嚙合齒輪的齒厚間之空隙, 或稱齒隙, 即齒間減去齒厚, 是為了使齒輪圓滑迴轉起見及齒輪或嚙合中心距離誤差之修正, 且背隙為製造潤滑油膜所必須, 可吸收運轉時因熱所產生的變形, 也可以讓潤滑油得以進入, 才不至於在運轉時造成卡死, 如圖 10-9 所示齒間齒厚背隙間隙圖 10-9 齒輪之背隙間隙 (clearance) 齒輪的齒頂圓與其相嚙合齒輪的齒根圓間之徑向距離, 或稱餘隙工作深度 (working depth) 兩嚙合齒輪齒冠之和, 或為兩倍的齒冠, 亦等於全齒深減去間隙, 以 h k 表示全齒深 (whole depth of tooth) 齒冠與齒根之和, 又稱齒高, 以 h 表示周節 (circular pitch) 沿節圓上, 自齒上的某一點至相鄰齒上同位置之弧長, 以 P c 表示, 亦等於齒間與齒厚之和兩嚙合之齒輪必須有相同之周節, 由定義知, 節圓的圓周長除以齒數, 即可得周節, 常用於表示製造齒輪時之齒輪大小設 D 為節徑,T 為齒數, 則 10 齒輪 11

12 公式 10-4 = 模數 (module) 用於表示公制齒輪之大小, 為節徑 ( 以公厘為單位 ) 與齒數之比值, 亦即每一齒所擁有節徑之長度, 以 M 表示, 模數愈大, 齒形愈大公式 10-5 = 徑節 (diametral pitch) 用於表示英制齒輪的大小, 為齒數與節徑 ( 以英吋為單位 ) 之比值, 以 P d 表示, 徑節愈大, 齒形愈小公式 10-6 = 周節模數與徑節之關係為公式 10-7 = = M 公式 10-8 = = = 即 = 公式 10-9 = = = (in)= (mm) 註模數與徑節因單位不同, 故不能說是互成倒數關係 12

13 作用線 (line of action) 為兩嚙合齒輪之一對輪齒之接觸點至節點之連線, 亦稱為壓力線 (pressure line), 如圖所示之直線壓力角 (pressure angle) 為兩嚙合齒輪之作用線與過節點 P 所作節圓切線所夾之角, 如圖所示之角漸開線齒輪之壓力角恆定不變, 通常介於 14.5 ~22.5 之間, 視齒輪從動輪 Q 作用線壓力角節圓 d c a P b e f 節圓圖輪齒之嚙合作用主動輪之形式而定, 我國標準檢驗局 CNS 標準決定採用 20 之壓力角 ; 而擺線齒輪之壓力角則隨著兩齒輪之接觸位置而變化漸近角 (angle of approach) 兩嚙合齒輪自開始接觸點至節點, 兩輪所旋轉的角度, 如圖所示之 1 及 2 漸遠角 (angle of recess) 兩嚙合齒輪自節點至接觸終了, 兩輪所旋轉的角度, 如圖所示之 1 及 2 漸近弧 (arc of approach) 漸近角所對的節圓弧長, 如圖所示之及漸遠弧 (arc of recess) 漸遠角所對的節圓弧長, 如圖所示之及作用角 (angle of action) 等於漸近角與漸遠角之和, 如圖所示之 1 及 2 作用弧 (arc of action) 作用角所對的節圓弧長, 如圖所示之及, 兩嚙合齒輪的作用弧相等而大於周節, 否則齒將停止相接接觸線 (path of contact) 一對相嚙合齒輪之接觸點, 在傳動時所行走的軌跡, 稱為接觸線漸開線齒 Q1 10 齒輪 13

14 輪, 接觸線即為作用線為一直線, 如圖所示之直線亦即齒輪自開始接觸至終止, 其接觸點永遠落在作用線上 ; 擺線齒輪時, 接觸線為一曲線基圓 (base circle) 兩嚙合齒輪, 自齒輪軸心分別做與作用線相切之圓, 以 D b 代表基圓直徑基圓是為了展開漸開曲線而生的假想圓, 如圖所示, 則公式 = cos P E 壓力角作用線周節 : 壓力角 : 基圓半徑 : 節圓半徑 F 齒頂圓節圓基圓圖基圓與節圓之關係接觸率 (contact ratio) 為作用弧與周節的比值, 或稱為接觸比, 以 M c 表示, 其值不得小於 1, 否則會提高輪齒間之衝擊及增大噪音, 甚至無法運轉接觸率愈大, 則運轉愈平穩, 依照一般原則, 傳達功率用的齒輪, 其接觸率不得小於 1.4 註 M c = 1.4, 表示瞬時平均有 1.4 對的齒輪相接觸 14

15 中心距離 (center distance) 兩嚙合齒輪軸線間之距離, 以 C 表示 ;D 1 D 2 為節圓直徑 ;T 1 T 2 為齒數, 則公式 = ± = ( ± ) = ( ± ) 當兩齒輪為外接觸時應取 + 號 ; 為內接觸時應取 - 號 2 節圓直徑 160mm, 齒數為 40 齒之正齒輪之周節及模數各為若干? 解 D = 160mm T = 40 齒由 ( 公式 10-4) 可知 : = = = = ( ) 由 ( 公式 10-5) 可知 :M = = = 4mm/ 齒 ( 單位通常省略 ) 3 一外切正齒輪互相嚙合, 主動輪之齒數為 16 齒, 模數為 8, 兩輪之中心距離為 160mm, 試求從動輪之齒數及節圓直徑各為若干? 解 T 1 = 16 齒 M = 8 C= 160mm 由 ( 公式 10-11) 可知 :C = ( + ) 160 = ( + ) T 2 = 24 齒由 ( 公式 10-5) 可知 :D 2 = MT 2 = 8 24 = 192(mm) 4 徑節為 2 之齒輪齒形之模數為若干? 10 齒輪解 P d = 2 由 ( 公式 10-9) 可知 : = = = ( 齒 ) 15

16 二齒輪傳動之特性齒輪之傳動過程, 須藉由輪齒的相互接觸及齒的強度以傳達動力, 兩齒輪的嚙合如圖所示, 設 T 1 : 主動輪之齒數 T 2 : 從動輪之齒數 1: 主動輪之作用角 2: 從動輪之作用角 N 1 : 主動輪每分鐘之迴轉速 (rpm) N 2 : 從動輪每分鐘之迴轉速 (rpm) D 1 : 主動輪之節圓直徑 D 2 : 從動輪之節圓直徑因兩齒輪之作用弧相等, 得 = 公式 = = 亦即兩齒輪之作用角與其節圓直徑 ( 或半徑 ) 成反比因兩齒輪接觸點上之切線速度相等, 得 D 1 N 1 = D 2 N 2, 即公式 = 亦即兩齒輪每分鐘之迴轉速, 與其節圓直徑成反比因兩齒輪互相嚙合時, 其周節應相等, 故公式 = = 即 = 亦即兩齒輪之節圓直徑與其齒數成正比由 ( 公式 10-12) ( 公式 10-13) 及 ( 公式 10-14) 可知 : 公式 = 16

17 公式 = 亦即兩齒輪之作用角 ( 或每分鐘之迴轉速 ) 與其齒數成反比 5 如圖所示之漸開線正齒輪與齒條傳動, 已知 A 為 32 齒 B 為 64 齒 C 為 20 齒, 各齒模數為 5, 若齒 A 轉一圈, 則齒條移動多少 mm? A B C 齒條圖解 T A = 32 齒 T B = 64 齒 T C = 20 齒 M = 5 N A = 1 圈由 ( 公式 10-13) 可知 :N B = N A T A = 1 32 T B 64 = 1 圈 = N 2 C 由 ( 公式 10-5) 可知 :D C = M T C = 5 20 = 100(mm) 故齒 A 轉一圈, 齒條移動 S = D C N C = = 157(mm) 6 A B 兩正齒輪互相嚙合,A 輪為 20 齒, 每分鐘迴轉 600 次,B 輪每分鐘迴轉 150 次, 試求 B 輪之齒數為若干? 解 N A = 600rpm N B = 150rpm T A = 20 齒由 ( 公式 10-16) 可知 : = = = = ( 齒 ) 7 兩軸心相距 30cm 之外切正齒輪, 一軸裝有 40 齒的齒輪模數為 12, 以帶動速度 160rpm 之另一軸的齒輪, 試求 40 齒的齒輪每分鐘之迴轉速為何? 10 齒輪解 C = 30cm = 300mm T 1 = 40 齒 M = 12 N 2 = 160rpm 由 ( 公式 10-11) 可知 : = ( + ) 17

18 即 = ( + ) = + T 2 = 10 又由 ( 公式 10-16) 可知 : = = = = ( ) 兩正齒輪嚙合, 若齒數分別為 45 齒及 60 齒, 其周節為 6.28mm, 則兩軸之中心距離為 mm ( ) 在標準齒制中, 齒輪工作深度是齒冠的幾倍? 倍 ( ) 若 D 為節圓直徑,T 表齒數, 則齒輪之徑節 (P d ) 與周節 (P c ) 為 =, = =, = =, = =, = ( ) 一齒輪模數為 4, 齒數 25 齒, 壓力角 20, 則基圓直徑為多少 mm? sin cos 100cos20 sin ( ) 一齒輪之模數為 2.54mm/ 齒, 其徑節應為多少齒 / 吋? ( ) 節圓直徑 160mm, 齒數 32 之正齒輪, 周節為 mm ( ) 兩軸心相距 240mm 的外切正齒輪, 若模數為 8, 小輪齒數為 15 齒, 則兩輪之轉速比為 2:1 3:1 4:1 5:1 ( ) 若外切正齒輪的轉速比 i = 5 1, 中心距離 300mm, 則其中大齒輪的節圓直徑將是 mm 18

19 10-3 齒輪的基本定律齒輪的傳動, 必須使兩齒輪的角速度維持一定的比值, 否則即使在低速之下, 也會產生極嚴重之振動及衝擊問題為了要產生一定的角速比, 必須滿足以下條件 : 兩相嚙合齒輪的輪齒, 在每一瞬間其接觸點之公法線必經過其節點 ; 此即稱為齒輪之基本定律此定律之說明, 如圖所示 T m 1 2 S 1 a O 2 O 1 P W n b V 2 圖齒輪傳動基本定律接觸點, 設 1 2 兩齒輪, 各圍繞固定中心 O 1 與 O 2 旋轉,a b 分別為兩齒輪的輪齒與線且交連心線分別為 a b 兩點上之公切線, 於 P 點齒輪 1 與 2 之角速比為為通過 a b 兩點上之公法公式 = = 因此, 欲使角速比保持一定 ( 恆為常數 ), 則 P 點在上的位置應為一定, 此一定點稱為節點 (pitch point) 此種關係又稱為齒輪的共軛作用 (conjugate action), 滿足共軛作用的兩齒輪曲線, 稱之為共軛曲線 (conjugate curves) 實際上齒輪之傳動是滑動接觸及滾動傳動, 即在接觸面 ( 齒面與齒腹 ) 為滑動接觸, 而在節點為滾動接觸, 且齒輪之齒數最少不得小於 11 齒, 愈小齒數, 會造成齒根過切, 容易崩牙, 此外, 齒數選擇以奇數齒最佳, 偶數齒儘量不要使用, 容易造成特定齒磨損 10 齒輪 19

20 10-4 齒形的種類使用輪齒齒面曲線, 最常用者為漸開線齒形 (involute), 其次為擺線齒形 (cycloid) 一漸開線齒形曲線漸開線的定義將一直線沿一圓的圓周轉動時, 此直線上任何一點的軌跡即為漸開曲線, 所繞之圓稱為基圓, 如圖所示若漸開線齒輪之齒數為定值時, 則基圓亦為定值漸開線之主要特點, 是曲線上任一點之曲率中心, 必位於基圓之切點上, 如圖中 A 1 之曲率中心為 T 1 點漸開線齒形的干涉如圖所示, 兩相嚙合的漸開線齒輪, 其輪齒的齒冠若超過作用線與基圓之切點 Q 或 T 時, 必發生一方之齒面嵌入另一方之齒腹, 亦即兩齒輪互相卡住之現象, 此情形稱為干涉 (interference),q 與 T 點又稱為干涉點 (interference point), 當設法消除對標準齒而言, 接觸點若發生在 T 或 Q 之外側時, 將發生干涉的現象 T T 2 T 1 A A 0 T 0 A 2 A 1 漸開曲線齒冠圓基圓 Q P O 1 主動輪無干涉 A T 作用線齒冠圓基圓 B 基圓干涉 O 2 從動輪圖漸開曲線圖干涉對齒形的幾何限制 20

21 消除干涉現象之方法, 有下列數種 : 增大壓力角, 使作用線與基圓之切點往外移減低齒冠 ( 即採短齒制 ), 使齒頂圓與作用線之交點不要超過 T 點增大節圓直徑 ( 即增大軸心距離 ), 使垂直點 (Q,T) 往外移修改齒腹或齒面 ( 即挖空發生干涉之部位 ) 改用擺線齒輪增加齒數, 使節圓直徑增大二擺線齒形曲線擺線可分為正擺線外擺線及內擺線三種 : 正擺線 (cycloid) 一圓在一直線上滾動, 該圓的圓周上任一點所形成的軌跡, 稱為正擺線, 簡稱擺線, 如圖所示, 用於製造齒條齒面及齒腹之曲線滾輪擺線外滾圓外擺線內滾圓直線滾輪節圓擺線內擺線圖正擺線圖外擺線及內擺線外擺線 (epicycloid) 將滾圓在另一節圓的外側滾動, 則滾圓圓周上任一點所形成的軌跡, 稱為外擺線, 如圖所示, 用於製造擺線齒輪的齒面曲線內擺線 (hypocycloid) 將滾圓在另一節圓之內側滾動, 則滾圓圓周上任一點之軌跡, 稱為內擺線, 如圖所示, 用於製造擺線齒輪之齒腹曲線 10 齒輪 21

22 三漸開線齒輪與擺線齒輪的比較, 如表 10-1 所示 * 表 10-1 漸開線齒輪與擺線齒輪的比較齒形優缺點優點缺點漸開線齒輪齒形由單一曲線所構成, 製造較容易, 成本低, 一般用於傳達動力及振動或衝擊大的情形下, 傳動力量穩定齒根較擺線厚, 故強度較大兩軸中心距離可允許些微誤差, 不影響速比只要周節模數徑節相等, 即可傳動, 互換性高嚙合傳動時, 接觸線為直線, 潤滑不良, 故磨損較大 ( 因嚙合曲面為凸與凸接觸 ) 壓力角一定, 故效率較小傳動時易生噪音擺線齒輪齒形由兩種曲線所構成, 不易搖動, 故傳動緻密效率較好, 且無干涉現象, 一般用於精密儀錶上, 傳動速度穩定壓力角隨時改變, 嚙合時由大而小, 到節點為零, 而後由小而大, 效率較優嚙合傳動時, 接觸線為曲線, 潤滑良好, 磨損較小 ( 因嚙合曲面為凸與凹接觸 ) 齒形的製造困難 ( 因由兩種曲線所構成 ) 兩軸中心距離要絕對正確互換性差, 滾圓直徑及周節要相等才可互換齒的強度較小 ( 滾圓直徑愈小愈好, 最大亦須小於節圓半徑 ) ( ) 下列何者是屬於漸開線齒輪之特性? 壓力角隨時改變不會有干涉現象兩中心軸距離允許有些微誤差製造不易 ( ) 下列何者為齒輪齒形常用的曲線? 二次曲線三次曲線雙曲線漸開線 ( ) 一圓在一直線上滾動, 其圓周上任意一點之軌跡為外擺線內擺線正擺線漸開線 22

23 10-5 齒形與齒輪的規格為使齒輪製造容易, 互換方便, 降低成本, 因此各國齒輪廠商與標準制度有關單位, 對齒頂齒根齒間隙及齒輪輪齒各部位尺度之比例, 以能配合前述各項原理為原則, 均有一定的標準規格以便參照公制齒形現在一般所採用的標準齒制之齒形, 壓力角可分為 14.5 及 20, 而我國標準檢驗局制定採用之標準為 20 之壓力角, 如表 10-2 所示 * 表 10-2 公制齒形標準齒制名稱短齒制舊制新制壓力角齒冠 M M 0.8M 齒根 1.157M 1.25M M 工作深度 2M 2M 1.6M 全齒深 2.157M 2.25M 1.8M 齒厚 1.57M 1.57M 1.57M 齒間 1.57M 1.57M 1.57M 10 齒輪齒間隙 0.157M 0.25M 0.2M 齒根圓角半徑 0.236M 0.236M 0.3M 23

24 英制齒形, 如表 10-3 所示 * 表 10-3 英制齒形各部名稱類別 14.5 Brown &Sharpe 14.5 混合制及擺線齒形 14.5 全深齒 20 全深齒 20 短齒 20 Fellows 株狀齒齒齒冠根齒間隙工作深度全齒深齒冠圓直徑 + 齒齒厚間齒根圓角半徑註表 10-2 及 10-3 中 : M 代表模數 P d 代表徑節 T 代表齒數株狀齒之徑節為一分數 ( ) P d1 代表株狀齒之第一徑節 P d2 代表株狀齒之第二徑節 24

25 8 一短齒制齒輪的齒數為 40, 節圓直徑為 200mm, 則此齒輪之齒冠齒根工作深度齒厚及外徑各為何? 解 T = 40 D = 200mm = = = 齒冠 h a = 0.8M = = ( ) 齒根 h b = M = 5mm 工作深度 h k = 1.6M= = ( ) 齒厚 = 1.57M= = ( ) 外徑 D O = D + 2h a = = 208(mm) ( ) 壓力角各為 14.5 及 20 的兩個同一模數之英制全深齒標準齒輪, 其相異處是在齒根之高度齒頂之高度全齒之高度齒根圓角半徑 ( ) 模數為 10 之正齒輪, 齒數為 30T, 則其齒冠高為 3 10 mm ( ) 株狀齒之第一徑節 P d1 用以計算齒冠齒厚齒根齒間隙 10 齒輪 25

26 齒輪的主要作用是將一軸之運動或功率傳達至另一軸上, 其主要之優點及功用如下 : 優點 : 速比正確大小動力均可傳達高低速傳動均可變速操作容易占用空間小潤滑容易, 磨損少功用 : 傳達動力改變運動方式改變傳動速度齒輪可分為下列三大類 : 連接相交軸之齒輪斜 ( 傘 ) 齒輪系 : 冠狀齒輪蝸線斜齒輪直齒斜齒輪連接兩平行軸之齒輪正齒輪系 : 外齒輪內齒輪螺旋齒輪人字齒輪齒條與小齒輪針齒輪連接不平行且不相交兩軸之齒輪歪齒輪系 : 雙曲面齒輪齒輪交叉螺旋齒輪蝸桿與蝸輪螺旋齒輪之優缺點如下 : 優點 : 缺點 : 效率高, 適用於較大負荷及較高轉速傳動緻密噪音小製作困難無互換性須成對製造易生軸向推力, 螺旋角愈大, 軸向推力愈大, 一般約 15 ~25 較佳 26

27 欲消除螺旋齒輪之軸向推力, 宜採用人字齒輪或止推軸承蝸線斜齒輪, 常使用於汽車卡車及船舶之減速裝置中戟齒輪, 常用於汽車或大客車的後軸傳動機構蝸桿與蝸輪傳動之優點 : 能傳動很大的轉速比, 一般用於減速裝置通常以蝸桿為原動件, 蝸輪為從動件, 所以不易逆轉, 適用於電梯吊車起重裝置及汽車轉向機構等傳動時圓滑而噪音小周節 (P c ) 徑節(P d ) 與模數 (M) 之關係 : 用以表示齒輪上齒之大小, 通常有周節模數 ( 公制齒形 ) 及徑節 ( 英制齒形 ) 等三種 ; 其中模數與徑節因單位不同, 故不能說是互成倒數關係 = = ( ) = ( ) = ( ) 在公制模數齒制之壓力角通常介於 14.5 ~22.5 之間, 我國標準檢驗局制定採用 20 壓力角齒輪之周節必須小於作用弧, 才能使第一對齒尚未接觸完了, 次一對齒就開始接觸, 也才不會使齒受到突然的荷載而產生陡振與噪音漸開線齒輪接觸點之軌跡為一直線, 擺線齒輪之軌跡為一曲線中心距離 (C): 兩嚙合齒輪軸線間之距離 = ± = ( ± ) = ( ± ) ( 兩齒輪為外接觸時取 + 號, 內接觸時取 - 號 ) 齒輪傳動之特性 : = = = 27

28 齒輪之傳動接觸, 在齒面與齒腹為滑動接觸, 在節點為滾動接觸 ; 且齒輪之輪齒最少不得小於 11 齒齒輪傳動之基本定律 : 兩嚙合齒輪之齒在接觸點公切線的法線必經過節點如此可維持等角速比之傳動, 亦即兩軸之迴轉比恆為常數漸開線齒輪齒形大小, 依基圓之大小而定 ; 擺線齒輪齒形大小, 依節圓及滾圓直徑而定漸開線齒輪之壓力角維持恆定, 擺線齒輪之壓力角隨時在改變漸開線齒輪僅須周節和壓力角相等, 便可互換 ; 而擺線齒輪除周節相同外, 滾圓直徑必須相同才可互換 Fellows 短齒制 ( 株狀齒 ) 之徑節為一分數 ( ), 以分子之徑節 P d1 計算齒厚周節等 ; 以分母之徑節 P d2 等計算齒之縱向深度, 如齒冠齒根 28

29 一選擇題 ( ) 兩個漸開線齒輪傳動時, 其齒面之接觸為純滑動純滾動滑動中有滾動滾動中有滑動 ( ) 何種齒輪傳動時, 傳動力最大, 噪音最小, 且在兩平行軸間傳動? 直齒正齒輪螺旋齒輪斜形齒輪針形齒輪 ( ) 兩嚙合齒輪的節徑周節齒數節圓必相等 ( ) 我國國家標準, 齒輪之壓力角為多少度? ( ) 公制齒輪模數的定義是節徑與齒數之比齒數與節徑之比節徑與齒數之乘積節徑與齒數之和 ( ) 擺線齒輪之齒形決定於外圓滾圓基圓齒根圓 ( ) 漸開線齒輪之優點是製造容易傳動緻密潤滑較佳傳動效率較高 ( ) 設正齒輪之齒數為 T, 節圓直徑為 D, 則其模數為 ( ) 齒頂圓直徑等於基圓直徑 +2 齒冠基圓直徑 -2 齒冠節圓直徑 - 2 齒冠節圓直徑 + 2 齒冠 ( ) 漸開線齒輪接觸點的軌跡為直線拋物線雙曲線螺旋線 ( ) 一對斜齒輪, 其中一輪之頂角為 180, 則該齒輪為齒輪蝸線斜齒輪冠狀齒輪斜方齒輪 29

30 ( ) 齒輪節圓上, 自齒上之某一點至相鄰齒上同位置之弧長, 稱為模數周節徑節齒寬 ( ) 兩相嚙合之正齒輪中, 其作用線與節點上節圓切線間之夾角稱為進角退角作用角壓力角 ( ) 兩相嚙合的正齒輪, 其節圓相切之點稱為節點切點交點接觸點 ( ) 擺線齒輪之壓力角恆定不變不一定由大變小後由小變大由小變大後由大變小 ( ) 蝸桿與蝸輪傳動作功時, 其兩軸在空間交角通常成 ( ) 凡連接兩平行軸之螺旋齒輪稱為正扭齒輪齒輪冠狀齒輪針齒輪 ( ) 如圖 (1) 螺旋齒輪,A 及 B 兩軸應加裝止推軸承, 其安裝之左右位置依 A B 軸之順序為左, 左右, 右左, 右右, 左 B A A 軸為主動軸圖 (1) ( ) 兩嚙合齒輪傳動時, 下列何者可不必相同? 節徑徑節周節模數 30

31 ( ) 若兩嚙合齒輪之齒冠為 h a, 齒根為 h b, 則下述何者錯誤? 間隙為 h b - h a 背隙為 h a - h b 工作深度為 2h a 全齒深為 h a + h b 1 ( ) 小齒輪與齒條之嚙合傳動組合, 當小齒輪迴轉圈時, 齒條移動 2 了 15.7cm, 若小齒輪之齒數為 50 齒, 則小齒輪之模數為 ( ) 兩嚙合正齒輪之作用弧長相等且小於周節相等且大於周節與轉速成反比且小於周節與轉速成反比且等於周節 6 ( ) 若 Fellows 短齒制之徑節為其意義為 P 8 d = 0.8 P d1 = 8, P d2 = 6 P d1 = 6,P d2 = 8 P d = 1.25 ( ) 漸開線齒輪之齒形決定於節圓齒根圓齒冠圓基圓 ( ) 下列何者非消除漸開線齒輪嚙合干涉的方法? 減少壓力角增大節圓直徑增加齒數採用短齒制 ( ) 一個漸開線齒輪之節圓直徑為 D, 壓力角為, 則基圓直徑為 sin tan cos cos ( ) 漸開線最常用於繪製螺紋齒輪彈簧鉚釘 ( ) 欲得較大減速比, 則應採用正齒輪組蝸桿與蝸輪組人字齒輪組斜齒輪組 ( ) 一般蝸輪蝸桿轉速比, 蝸輪轉速 / 蝸桿轉速 = 蝸桿直徑 / 蝸輪齒數蝸輪齒數 / 蝸桿直徑蝸桿螺旋數 / 蝸輪齒數蝸輪齒數 / 蝸桿螺旋數 31

32 ( ) 下列敘述何者錯誤? 漸開線齒比擺線齒之強度高擺線齒輪之壓力角會隨接觸點之改變而變化擺線齒之製造比漸開線齒困難擺線齒輪之優點為中心線略為改變仍能保有良好運轉二填充題兩齒輪的輪齒在接觸點的公法線必經過齒輪基本定律 : 兩相配合齒輪的曲線, 無論接觸點在哪處, 兩軸迴轉比為實際上齒輪的傳動接觸, 在齒面為 ; 在節點為兩相互嚙合的齒輪, 其節圓相切之點, 稱為齒輪齒頂圓半徑與節圓半徑之差, 稱為一齒輪的齒間與其相嚙合齒輪的齒厚間之空隙, 稱為全齒深減去間隙, 稱為沿節圓上, 自齒上之某一點至相鄰齒上同位置之弧長, 稱為 ; 亦即等於與之和通常模數徑節表示齒輪之大小若模數愈大, 則齒輪愈 ; 徑節愈大, 則齒輪愈齒輪的模數為與之比 ; 而徑節則為與之比, 但是我們不能說二者互為倒數, 是因為不同公制齒輪常用之壓力角有 ; 我國標準採用度之壓力角 32

33 作用弧與周節的比值, 稱為, 其值不得小於擺線齒輪之齒形曲線限制甚嚴格, 其齒面曲線均由滾圓與節圓描繪出之所決定一對相互嚙合之齒輪的必相等一正齒輪之齒數為 T, 節圓直徑為 D, 壓力角為, 則其基圓直徑為短齒漸開線的壓力角為, 株狀齒的壓力角為齒輪依傳動軸之關係可分為 : 及歪齒輪如用於起重機為防止上升後意外的下墜採用傳動較妥小齒輪與相嚙合後, 就能把旋轉運動變成直線運動漸開線齒輪接觸點的軌跡是一條, 而擺線齒輪接觸點的軌跡是一條普通齒輪被廣泛應用的壓力角有二種, 標準齒輪為度, 短齒齒輪為度而齒形則有線及線兩種一般所謂之齒條, 實際上乃是以基圓半徑為的齒輪用於相交而成直角的傳動齒輪, 多用齒輪螺旋齒輪易生, 應採用齒輪以消除蝸桿與蝸輪傳動之兩軸, 既不又不 33

34 三問答題何謂周節徑節模數? 三者有何關係? 試述齒輪傳動的優點及其功用何謂齒輪傳動的基本定律? 螺旋齒輪之優缺點有哪些? 應用三螺線之蝸桿與一 60 齒之蝸輪相嚙合, 若欲使蝸輪每分鐘轉 4 轉, 則蝸桿每分鐘之迴轉速為若干? 兩互相嚙合的外切正齒輪, 模數為 2, 其轉速比為 3:1, 兩軸中心距離為 100mm, 則兩齒輪的齒數相差多少? 一模氏標準正齒輪 M = 3, 齒數為 60 齒, 試求其節徑外徑及全齒深各為多少 mm? 兩正齒輪外切嚙合, 中心相距 600mm, 若以小齒輪為原動, 其齒數為 30, 轉速比為 2:1, 試求大齒輪之節圓直徑大齒輪之齒數模數 34

二次曲線人們對於曲線的使用及欣賞比曲線被視為一種數學題材來探討要早得多各種曲線中在日常生活常接觸的當然比較容易引起人們的興趣比如投擲籃球的路徑是拋物線盤子的形狀有圓形或橢圓形雙曲線是較不常見的然而根據科學家的研究彗星的運行軌道是雙曲線的一部分我們將拋物線圓與橢圓雙曲

二次曲線人們對於曲線的使用及欣賞比曲線被視為一種數學題材來探討要早得多各種曲線中在日常生活常接觸的當然比較容易引起人們的興趣比如投擲籃球的路徑是拋物線盤子的形狀有圓形或橢圓形雙曲線是較不常見的然而根據科學家的研究彗星的運行軌道是雙曲線的一部分我們將拋物線圓與橢圓雙曲 -1 圓方程式第章二次曲線 38 二次曲線人們對於曲線的使用及欣賞比曲線被視為一種數學題材來探討要早得多各種曲線中在日常生活常接觸的當然比較容易引起人們的興趣比如投擲籃球的路徑是拋物線盤子的形狀有圓形或橢圓形雙曲線是較不常見的然而根據科學家的研究彗星的運行軌道是雙曲線的一部分我們將拋物線圓與橢圓雙曲線合稱為圓錐曲線因為在平面坐標系中其對應的方程式均為二元二次式