具點接觸型態之歪斜軸錐形齒輪對齒面疲勞破壞之初步研究

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許昭祥(Chao-Hsing Hsu) 查詢紙本館藏

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機械工程學系

論文名稱

具點接觸型態之歪斜軸錐形齒輪對齒面疲勞破壞之初步研究

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摘要(中)

錐形齒輪在空間中使用時具有多樣化組合的優點，可運用於平行軸、直交軸與歪斜軸配置中。當運用於歪斜軸配置時，錐形齒輪之嚙合型態雖多為點接觸，可具有組裝誤差敏感度低之優點，但因其齒面接觸應力過大，易造成齒面疲勞破壞的現象，從而限制其運用與發展。本論文針對不同材料之直齒錐形齒輪(S45C)與螺旋齒輪(SCM440)所構成之大偏位歪斜軸齒輪對，進行齒面疲勞強度實驗，探討點接觸之歪斜軸齒輪對齒面破壞之型態，以做為後續齒面強度研究之參考。
研究中使用赫茲理論計算出齒面間之接觸應力，並配合有限元素模擬分析，驗證理論計算之準確性。由計算值與齒輪材料強度值推估出錐形齒輪疲勞壽命曲線，並據此規劃負載，進行齒面疲勞破壞之實驗分析，以求得不同負載下，齒面疲勞破壞時程與齒面疲勞破壞之型態與位置。實驗結果與文獻記載之齒面破壞相互驗證後，發現除點蝕破壞外，齒面磨料磨損在不同材料所構成歪斜軸錐形齒輪對亦不可忽視。對此在本文中亦提出齒面破壞之原因與對策，以供後續研究之參考。

摘要(英)

Concial gears as spatial gearing have the advantages of possibilities to form different combinations for application in parallel, intersecting and skew axes. Skew conical gear drives that are in general in point contact have advantage of less sensitivity to transmission error caused by the assembly errors, but have also the disadvantage of higher tooth contact stress. The small surface durability restricts thus the their application for power transmission. The aim of this thesis is to explore the patterns of fatigue damage of a skew conical gear pair with a large offset through a tooth surface fatigue test. The test gear pair is composed of a straight conical gear (material S45C) and a helcial gear (SCM440).
The tooth contact stresses were calculated by using the Hertz’s theory in the research, and also verified with finite element analysis simulation. The test load and time interval of the fatigue test were planned according to the calculated contact stress and estimated fatigue strength value of the applied gear material. The fatigue test was conducted under two different loads. The test results, compared with the literature, showed that in addition to micro pitting of the tooth surfaces, tooth abrasive wear due to different materials in contact also can not be ignored. The causes of surface failure and the possible measures to avoid has also proposed in this thesis as reference for further research.

關鍵字(中)

★ 點蝕破壞
★ 齒面疲勞破壞
★ 有限元素分析
★ 錐形齒輪
★ 赫茲應力

關鍵字(英)

★ conical gear
★ Hertz stress
★ tooth surface fatigue
★ micro pitting
★ finite element analysis

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
謝誌 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 x
第1章緒論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 錐形齒輪的介紹 1
1.1.2 錐形齒輪的特性 1
1.2 齒輪對接觸應力 3
1.3 齒面破壞的模式 3
1.4 研究目的 9
第2章研究架構與方法 10
2.1 研究架構 10
2.2 赫茲理論 11
2.2.1 赫茲理論介紹 11
2.2.2 赫茲應力計算 12
2.3 齒面疲勞強度實驗 15
2.3.1 實驗設備工作原理 15
2.3.2 功率傳遞 16
2.3.3 齒輪齒面接觸校正 17
2.3.4 加載器加載 19
2.3.5 扭矩量測 20
2.4 齒面破壞標準與量測 25
第3章有限元素模擬分析與結果 26
3.1 FEM模型建立 26
3.2 FEM模型邊界條件設定 28
3.2.1 拘束條件與材料性質 28
3.2.2 施力條件 29
3.2.3 接觸設定 30
3.2.4 分析設定 32
3.3 FEM模擬結果 32
第4章齒面疲勞強度實驗 37
4.1 齒輪數據與材料 37
4.2 實驗基本條件 40
4.2.1 齒輪表面粗糙度 40
4.2.2 齒輪嚙合齒印 40
4.2.3 潤滑條件 42
4.3 實驗設備架構 43
4.3.1 齒輪背對背測試設備 43
4.3.2 潤滑裝置 46
4.3.3 電控模組 48
4.4 實驗規劃 50
4.4.1 實驗負載與運轉圈數 50
4.4.2 負載加載 50
4.4.3 實驗流程 51
第5章實驗結果與分析 53
5.1 實驗結果 53
5.1.1 齒面破壞型態 53
5.1.2 點蝕破壞率 56
5.2 結果分析與討論 58
5.2.1 齒面磨料磨損 59
5.2.2 點蝕與微點蝕 59
5.2.3 齒面破壞位置與型態 60
5.2.4 齒面點蝕破壞率 60
第6章結論與未來展望 62
6.1 結論 62
6.2 未來展望 62
參考文獻 64
附錄一齒輪檢驗報告 67
附錄二電控模組之電路圖 71
圖目錄
圖 1.1 齒輪加工成形[1] 1
圖 1.2 微點蝕 [25] 4
圖 1.3 破壞性點蝕[18] 5
圖 1.4 齒面剝落 5
圖 1.5 表層壓碎[26] 6
圖 1.6 刮痕破壞[27] 6
圖 1.7 齒面磨光[18] 7
圖 1.8 磨料磨損 7
圖 1.9 齒面擦傷 8
圖 1.10 干涉磨損 8
圖 1.11 齒面膠合 8
圖 2.1 研究架構圖 10
圖 2.2 二彈性體接觸位置[14] 12
圖 2.3 半橢圓球面上的壓力分佈情形 14
圖 2.4 齒面疲勞強度實驗設備架構示意圖 16
圖 2.5 功率傳遞方向示意圖 17
圖 2.6 齒印調整方式 18
圖 2.7 背隙調整方式 18
圖 2.8 扭矩加載方式 19
圖 2.9 扭力桿 20
圖 2.10 扭矩量測的方式 20
圖 2.11 軸件受扭矩下正向應力與剪應力狀態 21
圖 2.12 雙軸向的兩元件式應變規 22
圖 2.13 惠斯登半橋電路 23
圖 3.1 錐形齒輪模型與單齒齒輪對FEM模型 27
圖 3.2 修正過後的節點座標位置 27
圖 3.3 拘束條件設定 28
圖 3.4 齒輪對施加扭矩 29
圖 3.5 負載的負荷歷程 29
圖 3.6 接觸物體 30
圖 3.7 接觸狀態設定 31
圖 3.8 接觸距離設定與接觸距離容差的定義 32
圖 3.9 分析步驟設定與分析結果之參數 32
圖 3.10 負載150 Nm有限元素分析結果 33
圖 3.11 負載150 Nm FEM與Hertz齒面接觸應力比較 34
圖 3.12 負載100 Nm有限元素分析結果 34
圖 3.13 負載100Nm FEM與Hertz齒面接觸應力比較 35
圖 3.14 負載50 Nm有限元素分析結果 35
圖 3.15 負載50 Nm FEM與Hertz齒面接觸應力比較 36
圖 4.1 測試齒輪對外形圖 37
圖 4.2 歪斜軸配置 37
圖 4.3 S45C疲勞壽命曲線 39
圖 4.4 螺旋齒輪齒面寬上之錐形齒輪壓痕 42
圖 4.5 齒面疲勞強度實驗設備圖 43
圖 4.6 齒輪背對背測試設備圖 44
圖 4.7 齒輪聯軸器 46
圖 4.8 潤滑裝置與電控模組 47
圖 4.9 油過濾器外形圖 48
圖 4.10 泵浦與釋壓閥的構造圖 48
圖 4.11 實驗流程圖 51
圖 5.1 測試錐形單一齒面點蝕率 56
圖 5.2 測試錐形總齒面點蝕率 57
圖 5.3 測試螺旋單一齒面點蝕率 57
圖 5.4 測試螺旋總齒面點蝕率 58

參考文獻

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指導教授

蔡錫錚(Shyi-Jeng Tsai)

審核日期

2008-7-21

推文