การปรับแต่งเกียร์และการวิเคราะห์การสัมผัสของฟันเฟือง: หัวใจสำคัญของการส่งกำลังที่แม่นยำ

1. เหตุใดกีียร์จึงต้องมีการปรับแต่ง?

• ข้อผิดพลาดในการผลิตและการติดตั้ง :ความเบี่ยงเบนของมิติในการประมวลผลเกียร์หรือการจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องในระหว่างการประกอบทำให้เกิดการกระทบกันไม่เท่ากัน
• การเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น : เมื่ออยู่ภายใต้แรงกระทำ เฟืองและเพลาเกิดการงอหรือบิด ทำให้การสัมผัสคลาดเคลื่อน
• แรงกระแทกแบบไดนามิก :ในระหว่างการเข้าและออกจากกันของตาข่าย การเปลี่ยนแปลงกะทันหันในตำแหน่งสัมผัสจะทำให้เกิดแรงกระแทก ทำลายฟิล์มน้ำมัน และอาจทำให้เกิดรอยขีดข่วนบนพื้นผิวฟันภายใต้อุณหภูมิสูง

2. ประเภทของการปรับแต่งเฟือง

รายละเอียดสำคัญของการปรับแต่งทั่วไป

• การปรับแต่งลักษณะฟันเฟือง : เน้นที่ทิศทางความกว้างของฟันเฟือง การทำให้เกิดรูปทรงกลอง (drum-shaped modification) เป็นวิธีที่พบบ่อยที่สุด - สร้างรูปทรงคล้าย 'กลอง' เล็กน้อยบนพื้นผิวฟันเฟือง เพื่อชดเชยการดัดงอของเพลาภายใต้แรงโหลด ทำให้การสัมผัสเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ สูตรทั่วไปสำหรับปริมาณ crowning คือ: \(C_β = 0.5 × 10^{-3}b + 0.02m_n\) ( b = ความกว้างของฟันในหน่วยมิลลิเมตร; \(m_n\) = โมดูลมาตรฐานในหน่วยมิลลิเมตร)
• การปรับแต่งรูปทรงฟันเฟือง :ปรับทิศทางความสูงของฟันให้เหมาะสมที่สุด ซึ่งรวมถึงการปรับเปลี่ยนแบบยาว (ตั้งแต่จุดเริ่มต้น/จุดสิ้นสุดของการเมชไปจนถึงการเปลี่ยนฟันแบบเดี่ยวเป็นคู่) และการปรับเปลี่ยนแบบสั้น (ครึ่งหนึ่งของการปรับเปลี่ยนแบบยาว) โดยทั่วไปแล้วเฟืองโลหะจะใช้การปรับเปลี่ยนแบบสั้นเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ในขณะที่เฟืองพลาสติกมักใช้การปรับเปลี่ยนแบบยาว
• การปรับแต่งแบบผสม : รวมการปรับแต่งลักษณะแนวฟันและรูปทรงฟันเข้าด้วยกัน สำหรับสถานการณ์ซับซ้อน เช่น กล่องเกียร์สำหรับพลังงานลม วิธีนี้ช่วยสร้างสมดุลในการกระจายแรงโหลด การลดแรงกระแทก และความเสถียรขณะเคลื่อนที่ ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าการปรับแต่งแบบใดแบบหนึ่ง

3. หลักการออกแบบเพื่อการปรับแต่งที่มีประสิทธิภาพ

1. หลักการชดเชยแรงโหลด : ปริมาณการปรับ ≈ การบิดงอแบบยืดหยุ่น + ความผิดพลาดในการผลิต เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวฟันเข้ากันได้ดีภายใต้แรงโหลดจริง
2. หลักการเคลื่อนที่อย่างราบรื่น : ความผิดพลาดในการส่งผ่านแบบพีคทูพีค ≤ 1μm/เกรด เพื่อลดการสั่นสะเทือนให้น้อยที่สุด
3. หลักการสมดุลการสัมผัส : อัตราส่วนพื้นที่สัมผัส ≥ 60% เพื่อหลีกเลี่ยงการรวมตัวของแรงดัน

4. การวิเคราะห์การสัมผัสขณะฟันเฟืองทำงาน: การประเมินผลของการปรับแต่ง

ทฤษฎีและวิธีการพื้นฐาน

• ทฤษฎีการสัมผัสของเฮิร์ตซ์ : คำนวณความกว้างครึ่งส่วนสัมผัสและกระจายแรงดันระหว่างพื้นผิวฟันเฟือง ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการวิเคราะห์แรงดัน
• วิธีการวิเคราะห์เชิงตัวเลข :
  • วิธีการเชิงทฤษฎี: คำนวณเร็วแต่เป็นค่าประมาณ เหมาะสำหรับการประเมินเบื้องต้น
  • วิธีไฟไนต์อีเลเมนต์: มีความแม่นยำสูง เหมาะสำหรับการวิเคราะห์แรงดันอย่างละเอียด
  • วิธีเอลิเมนต์ขอบเขต: มีประสิทธิภาพสำหรับการคำนวณแรงดันสัมผัส
  • พลศาสตร์ของระบบหลายวัตถุ: ประเมินสมรรถนะเชิงพลศาสตร์ของระบบภายใต้สภาวะการใช้งาน

ตัวชี้วัดการประเมินหลัก

• แรงดันสัมผัสสูงสุด (σHmax) : เกี่ยวข้องโดยตรงกับอายุการใช้งานจากการเกิดความเมื่อยล้าของพื้นผิวฟันเฟือง
• ตัวประกอบรูปร่างของพื้นที่สัมผัส (λ) : อัตราส่วนความยาวต่อความกว้างของพื้นที่สัมผัส สะท้อนถึงความสม่ำเสมอของแรงที่รับ
• Transmission error (TE) :ระยะทางเพิ่มเติมที่ต้องใช้ในการประกบเนื่องจากการเสียรูป/ข้อผิดพลาด ซึ่งเป็นแหล่งสำคัญของการสั่นสะเทือน

5. ผลกระทบเชิงปฏิบัติของการปรับแต่ง: กรณีศึกษา

• เกียร์กล่องสำหรับกังหันลม (ความกว้างฟัน 200 มม.) : เมื่อปริมาณการโค้งเพิ่มขึ้น (0→30 มม.) ความเครียดจากการสัมผัสสูงสุดลดลงจาก 1250 MPa เป็น 980 MPa และความเร่งแรงสั่นสะเทือนลดลงจาก 15.2 m/s² เป็น 9.5 m/s²
• ระบบเกียร์สำหรับยานยนต์ (module 3.5) : การปรับแต่งรูปแบบพาราโบลา ลดแรงกระแทกได้ 35% และลดเสียงรบกวนได้ 3.2 dB; การปรับแต่งด้วยเส้นโค้งลำดับสูงสามารถลดแรงกระแทกได้ 52%
• เกียร์สำหรับอากาศยาน : การปรับปรุงแบบคอมโพสิตช่วยลดความไม่สม่ำเสมอของแรงสัมผัสจาก 58% เป็น 22%, ค่าความผิดพลาดในการส่งผ่านแบบพีคทูพีค (peak-to-peak) จาก 2.4 ไมครอน เป็น 1.1 ไมครอน และพลังงานการสั่นสะเทือนที่ 2000 รอบต่อนาทีลง 68%

6. การประยุกต์ใช้งานทางวิศวกรรมและการตรวจสอบ

• วิธีการตรวจสอบแบบอิมพรินต์สถิต : ใช้สีตะกั่วแดง (หนา 10-20 ไมครอน) ภายใต้แรงบิดที่กำหนด 30% เพื่อสังเกตบริเวณสัมผัส
• ระบบการทดสอบแบบไดนามิก :เซนเซอร์การเคลื่อนที่แบบไฟเบอร์ออปติก (ความละเอียด 0.1μm) และเครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดความเร็วสูง (การสุ่มตัวอย่าง 1kHz) ตรวจสอบการสร้างตาข่ายแบบเรียลไทม์

• เครื่องลดความเร็วสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า : การปรับปรุงรูปแบบแบบอสมมาตร (+5 ไมครอนที่ด้านรับแรง) และการเว้าขอบฟันที่ 30°×0.2 มม. ช่วยลดเสียงรบกวนลง 7.5 เดซิเบล (A) และเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งาน 0.8%
• เกียร์สำหรับเรือ : การปรับรูปทรงฟันล้อแบบ crown ขนาดใหญ่ (40μm) และการแก้ไขมุมเอียงแบบชดเชย (β'=β+0.03°) ช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของแรงดัดที่ผิวสัมผัสให้ต่ำกว่า 15% และยืดอายุการใช้งานให้ยาวขึ้นถึง 2.3 เท่า

สรุป

• ปริมาณการปรับรูปทรงฟันล้อแบบ crown ที่เหมาะสม มักจะอยู่ในช่วง 1.2-1.5 เท่าของขนาดการบิดตัวแบบยืดหยุ่น
• การปรับแต่งแบบผสม (Composite modification) ให้ประสิทธิภาพดีกว่าการปรับแต่งแบบเดี่ยวถึง 30-50%
• การปรับแต่งต้องอ้างอิงจากสเปกตรัมของแรงโหลดจริง และต้องได้รับการตรวจสอบยืนยันด้วยการทดสอบรอยสัมผัส (contact patch tests)