เฟืองเกลียวสำหรับระบบขับเคลื่อนมุมฉากแบบมือขวา

เฟืองเกลียวใช้ในระบบกลไกเพื่อส่งแรงบิด เฟืองดอกจอกเป็นเฟืองเกลียวชนิดหนึ่ง ประกอบด้วยเฟืองสองตัวที่ขบกัน เฟืองทั้งสองเชื่อมต่อกันด้วยตลับลูกปืน เฟืองทั้งสองต้องอยู่ในแนวการขบกันที่เหมาะสม เพื่อให้แรงผลักลบดันเฟืองเข้าหากัน หากเกิดการขยับตัวตามแนวแกนในตลับลูกปืน การขบกันของเฟืองจะไม่มีระยะคลอน นอกจากนี้ การออกแบบเฟืองเกลียวยังขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของฟันเฟืองด้วย

สมการสำหรับเฟืองเกลียว

ทฤษฎีการเบี่ยงเบนกำหนดให้รัศมีกรวยพิทช์ของเฟืองตัวเล็กและเฟืองตัวใหญ่ต้องเอียงไปในทิศทางที่แตกต่างกัน ซึ่งทำได้โดยการเพิ่มความชันของพื้นผิวด้านนูนของฟันเฟืองตัวใหญ่และลดความชันของพื้นผิวด้านเว้าของฟันเฟืองตัวเล็ก เฟืองตัวเล็กเป็นล้อรูปวงแหวนที่มีรูตรงกลางและแกนตามขวางหลายแกนที่เยื้องจากแกนของฟันเกลียว
เฟืองดอกจอกเกลียวมีลักษณะหน้าฟันเป็นเกลียว เกลียวจะสอดคล้องกับเส้นโค้งของใบมีดตัด มุมเกลียว b เท่ากับค่าองค์ประกอบเจเนทริกซ์ของกรวยพิทช์ มุมเกลียวเฉลี่ย bm คือมุมระหว่างค่าองค์ประกอบเจเนทริกซ์กับหน้าฟัน สมการในตารางที่ 2 เป็นสมการเฉพาะสำหรับเฟืองแบบใบมีดกระจายและเฟืองด้านเดียวของ Gleason
สมการด้านข้างฟันของเฟืองดอกจอกเกลียวลอการิทึมได้มาจากการใช้กลไกการก่อตัวของด้านข้างฟัน แรงสัมผัสในแนวสัมผัสและมุมแรงดันปกติของเฟืองดอกจอกเกลียวลอการิทึมพบว่ามีค่าประมาณ 20 องศาและ 35 องศาตามลำดับ สมการการเคลื่อนที่ทั้งสองประเภทนี้ถูกนำมาใช้เพื่อแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นในการกำหนดจุดหยุดนิ่งของระบบส่งกำลัง แม้ว่าทฤษฎีการทำงานของเฟืองดอกจอกเกลียวลอการิทึมจะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ก็เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับการทำความเข้าใจวิธีการทำงานของมัน
รูปทรงเรขาคณิตนี้มีวิธีแก้ปัญหาที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม สองวิธีหลักนั้นกำหนดโดยมุมโคนของเฟืองตัวขับและเฟืองตัวตาม และเส้นผ่านศูนย์กลางของเฟืองเกลียว ซึ่งวิธีหลังนี้ค่อนข้างยากที่จะกำหนดข้อจำกัดได้ ภาพร่าง 3 มิติของฟันเฟืองเอียงถูกใช้เป็นข้อมูลอ้างอิง รัศมีของโปรไฟล์ช่องว่างฟันถูกกำหนดโดยข้อจำกัดจุดปลายที่วางไว้ที่มุมด้านล่างของช่องว่างฟัน จากนั้น รัศมีของฟันเฟืองจะถูกกำหนดโดยมุม
ระยะห่างของกรวย Am ของเฟืองเกลียวเรียกอีกอย่างว่ารูปทรงเรขาคณิตของฟันเฟือง ระยะห่างของกรวยควรมีความสัมพันธ์กับส่วนต่างๆ ของเส้นทางการตัด ระยะห่างของกรวย Am ต้องสามารถสัมพันธ์กับมุมแรงดันของด้านข้างฟันเฟือง รัศมีฐานของเฟืองดอกจอกไม่จำเป็นต้องกำหนด แต่ควรพิจารณารูปทรงเรขาคณิตนี้หากเฟืองดอกจอกไม่มีการชดเชยไฮปอยด์ เมื่อพัฒนาเรขาคณิตของฟันเฟืองเกลียวแบบดอกจอก ขั้นตอนแรกคือการเปลี่ยนคำศัพท์จากเฟืองเป็นเฟืองตัวเล็ก
ระบบปกติมีความสะดวกกว่าสำหรับการผลิตเฟืองเกลียว นอกจากนี้ เฟืองเกลียวจะต้องมีมุมเกลียวเท่ากัน เฟืองเกลียวที่มีทิศทางตรงข้ามกันจะต้องขบกันได้ เช่นเดียวกับเฟืองเกลียวที่มีการเลื่อนรูปทรงซึ่งต้องการการขบกันที่ซับซ้อนกว่า เฟืองคู่นี้สามารถผลิตได้ในลักษณะเดียวกับเฟืองตรง ยิ่งไปกว่านั้น การคำนวณสำหรับการขบกันของเฟืองเกลียวแสดงอยู่ในตารางที่ 7-1

การออกแบบเฟืองดอกจอกเกลียว

การออกแบบเฟืองดอกจอกเกลียวที่เสนอใช้วิธีการจับคู่ฟังก์ชันกับรูปร่างเพื่อกำหนดรูปทรงเรขาคณิตของพื้นผิวฟันเฟือง จากนั้นจึงทดสอบแบบจำลองสามมิตินี้ด้วยวิธีการวัดความเบี่ยงเบนของพื้นผิวเพื่อตรวจสอบความถูกต้อง เมื่อเปรียบเทียบกับเฟืองมุมฉากประเภทอื่น เฟืองดอกจอกเกลียวมีประสิทธิภาพและกะทัดรัดกว่า เฟืองของบริษัท CZPT Gear Company เป็นไปตามมาตรฐาน AGMA ชุดเฟืองดอกจอกเกลียวคุณภาพสูงกว่าจะบรรลุประสิทธิภาพ 99%
บทความนี้เสนอและวิเคราะห์คู่เฟืองแบบเข้าคู่กันทางเรขาคณิตโดยใช้ส่วนประกอบทางเรขาคณิตสำหรับเฟืองดอกจอกเกลียว วิธีการนี้สามารถให้ความแข็งแรงในการสัมผัสสูงและไม่ไวต่อการเยื้องศูนย์ของมุมเพลา มีการสร้างแบบจำลองและอภิปรายส่วนประกอบทางเรขาคณิตของเฟืองดอกจอกเกลียว มีการตรวจสอบรูปแบบการสัมผัส ตลอดจนผลกระทบของการเยื้องศูนย์ต่อความสามารถในการรับน้ำหนัก นอกจากนี้ ยังมีการสร้างต้นแบบของการออกแบบและทำการทดสอบการกลิ้งเพื่อตรวจสอบความถูกต้อง
องค์ประกอบพื้นฐานสามอย่างของเฟืองดอกจอกเกลียว ได้แก่ คู่เฟืองตัวเล็กและตัวใหญ่ เพลาอินพุตและเอาต์พุต และด้านข้างเสริม เพลาอินพุตและเอาต์พุตอยู่ในสภาวะบิด คู่เฟืองตัวเล็กและตัวใหญ่มีความแข็งแกร่งต่อแรงบิด และความยืดหยุ่นของระบบมีน้อย ปัจจัยเหล่านี้ทำให้เฟืองดอกจอกเกลียวเหมาะอย่างยิ่งสำหรับแรงกระแทกจากการเข้าคู่กัน เพื่อปรับปรุงแรงกระแทกจากการเข้าคู่กัน จึงได้มีการพัฒนารูปแบบทางคณิตศาสตร์โดยใช้พารามิเตอร์ของเครื่องมือและการตั้งค่าเครื่องจักรเริ่มต้น
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าหลายอย่างในเทคโนโลยีการผลิต ทำให้สามารถผลิตเฟืองดอกจอกเกลียวประสิทธิภาพสูงได้ นักวิจัยอย่างเช่น Ding และคณะ ได้ปรับการตั้งค่าเครื่องจักรและรูปทรงใบมีดตัดให้เหมาะสม เพื่อขจัดปัญหาการสัมผัสของขอบฟัน และผลลัพธ์ที่ได้คือเฟืองดอกจอกเกลียวที่มีความแม่นยำและขนาดใหญ่ อันที่จริง กระบวนการนี้ยังคงใช้ในการผลิตเฟืองดอกจอกเกลียวในปัจจุบัน หากคุณสนใจในเทคโนโลยีนี้ คุณควรอ่านต่อ!
การออกแบบเฟืองดอกจอกเกลียวมีความซับซ้อนและละเอียดอ่อน ต้องอาศัยทักษะของช่างเครื่องผู้เชี่ยวชาญ เฟืองดอกจอกเกลียวเป็นเทคโนโลยีล้ำสมัยสำหรับการส่งกำลังจากระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง แม้ว่าในอดีตการผลิตเฟืองดอกจอกเกลียวจะทำได้ยาก แต่ปัจจุบันเป็นเรื่องปกติและใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายๆ การใช้งาน อันที่จริง เฟืองดอกจอกเกลียวถือเป็นมาตรฐานทองคำสำหรับการส่งกำลังในมุมฉาก ในขณะที่เครื่องจักรผลิตเฟืองดอกจอกแบบดั้งเดิมสามารถใช้ในการผลิตเฟืองดอกจอกเกลียวได้ แต่การผลิตเฟืองดอกจอกคู่มีความซับซ้อนมาก ชุดเฟืองดอกจอกเกลียวคู่ไม่สามารถผลิตได้ด้วยเครื่องจักรผลิตเฟืองดอกจอกแบบดั้งเดิม ดังนั้นจึงได้มีการพัฒนาวิธีการผลิตใหม่ๆ ขึ้นมา วิธีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างต้นแบบสำหรับชุดเฟืองดอกจอกเกลียวคู่ และการผลิตเครื่องจักร CNC แบบหลายแกนจะตามมาในภายหลัง
เฟืองดอกจอกเกลียวเป็นส่วนประกอบสำคัญของเฮลิคอปเตอร์และเครื่องยนต์อากาศยาน ความทนทาน อายุการใช้งาน และประสิทธิภาพการทำงานของเฟืองเหล่านี้มีความสำคัญต่อความปลอดภัย นักวิจัยหลายคนจึงหันมาใช้เฟืองดอกจอกเกลียวเพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ ความท้าทายอย่างหนึ่งคือการลดเสียงรบกวน ปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งกำลัง และเพิ่มอายุการใช้งาน ด้วยเหตุนี้ เฟืองดอกจอกเกลียวจึงสามารถมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าเฟืองดอกจอกตรงได้ หากคุณสนใจเฟืองดอกจอกเกลียว โปรดอ่านบทความนี้

ข้อจำกัดของรูปทรงฟันที่ได้จากการคำนวณทางเรขาคณิต

รูปแบบฟันเฟืองเกลียวที่ได้มาทางเรขาคณิตสามารถคำนวณได้จากปัญหาการเขียนโปรแกรมแบบไม่เชิงเส้น ค่าการเข้าใกล้ฟัน Z คือข้อผิดพลาดการกระจัดเชิงเส้นตามแนวตั้งฉากสัมผัส สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรที่กำหนดในสมการ (23) พร้อมพารามิเตอร์เพิ่มเติมอีกเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์จะไม่ถูกต้องสำหรับโหลดขนาดเล็ก เนื่องจากอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของสัญญาณความเครียดมีขนาดเล็ก
รูปทรงฟันเฟืองที่ได้จากการคำนวณทางเรขาคณิตสามารถนำไปสู่รูปทรงฟันเฟืองแบบสัมผัสเป็นเส้นและแบบสัมผัสเป็นจุดได้ อย่างไรก็ตาม รูปทรงเหล่านี้มีข้อจำกัดเมื่อส่วนของฟันเข้าไปรบกวนรูปทรงฟันเฟืองที่ได้จากการคำนวณทางเรขาคณิต ซึ่งเรียกว่าการรบกวนของรูปทรงฟัน แม้ว่าข้อจำกัดนี้จะสามารถแก้ไขได้ด้วยวิธีการอื่นๆ อีกหลายวิธี แต่รูปทรงฟันเฟืองที่ได้จากการคำนวณทางเรขาคณิตก็มีข้อจำกัดอยู่ที่การเข้าคู่กันและความแข็งแรงของฟันเฟือง จึงสามารถใช้งานได้ก็ต่อเมื่อการเข้าคู่กันของเฟืองมีความเหมาะสมและการเคลื่อนที่สัมพัทธ์มีมากพอเท่านั้น
ในระหว่างการวัดรูปทรงฟันเฟือง ตำแหน่งสัมพัทธ์ระหว่างเฟืองและ LTS จะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา พื้นผิวการติดตั้งเซ็นเซอร์ควรขนานกับแกนหมุน การวางแนวที่แท้จริงของเซ็นเซอร์อาจแตกต่างจากอุดมคตินี้ ซึ่งอาจเกิดจากความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตของตัวรองรับเพลาเฟืองและแท่นวาง อย่างไรก็ตาม ผลกระทบนี้มีน้อยมากและไม่ใช่ปัญหาที่ร้ายแรง ดังนั้นจึงสามารถได้รูปทรงฟันเฟืองเกลียวที่ได้จากการคำนวณทางเรขาคณิตโดยไม่ต้องผ่านขั้นตอนการทดลองที่ยุ่งยากและมีค่าใช้จ่ายสูง
กระบวนการวัดรูปทรงฟันเฟืองเกลียวที่ได้จากรูปทรงเรขาคณิตนั้น อาศัยโปรไฟล์อินโวลูตในอุดมคติที่สร้างขึ้นจากการวัดด้วยแสงที่ปลายด้านหนึ่งของเฟือง โปรไฟล์นี้ถือว่าเกือบสมบูรณ์แบบโดยพิจารณาจากทิศทางโดยรวมของ LTS และแกนการหมุน มีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยในมุมพิทช์และมุมยอว์ ขอบเขตล่างและขอบเขตบนถูกกำหนดไว้ที่ -10 และ -10 องศา ตามลำดับ
รูปทรงฟันของเฟืองเกลียวได้มาจากรูปทรงฟันของเฟืองตรง อย่างไรก็ตาม รูปทรงฟันของเฟืองเกลียวยังคงมีข้อจำกัดต่างๆ อยู่ นอกจากรูปทรงฟันแล้ว เส้นผ่านศูนย์กลางของเกลียวยังส่งผลต่อระยะห่างเชิงมุมด้วย ค่าของพารามิเตอร์ทั้งสองนี้จะแตกต่างกันไปในแต่ละเฟืองที่ประกบกัน โดยมีความสัมพันธ์กันตามอัตราส่วนการส่งกำลัง เมื่อเข้าใจหลักการนี้แล้ว ก็จะสามารถสร้างเฟืองที่มีรูปทรงฟันที่เหมาะสมได้
เนื่องจากความยาวและระยะห่างฐานตามขวางของเฟืองเกลียวเท่ากัน มุมเกลียวของแต่ละโปรไฟล์จึงเท่ากัน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำงานที่ราบรื่น ระยะห่างฐานที่ไม่สมบูรณ์จะส่งผลให้การกระจายภาระระหว่างฟันเฟืองไม่เท่ากัน ทำให้ภาระในบางฟันสูงกว่าค่าปกติ ส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนและเสียงดัง นอกจากนี้ จุดเชื่อมต่อระหว่างส่วนโค้งที่โคนฟันและส่วนโค้งด้านในอาจลดลงหรือกำจัดจุดสัมผัสก่อนถึงเส้นผ่านศูนย์กลางปลายฟันได้

แก้ไขโดย czh 2023-01-28