先說清楚兩根軸怎麼擺、需要轉多快和帶多重,再比較齒輪種類。
先問設備要做什麼,不急著挑齒輪名稱
需要減速,不一定只有一種齒輪能做到。真正的差別,常在軸要怎麼擺、可以放多大、需要多安靜,以及是否經常反轉。
例如同樣是機械手臂,關節要把重物穩定停在指定角度,末端工具可能更在意高速與體積。只說「機械手臂用」,還不足以決定齒輪。先把輸入轉速、輸出速度、連續與峰值扭矩,以及可用空間列出來,選型才有方向。
先看兩根軸的位置,候選範圍就能縮小
平行軸像兩支並排的筆,可以考慮正齒輪或斜齒圓柱齒輪;相交軸像兩條延伸後會交會的直線,可考慮傘齒輪;如果既不平行也不相交,就屬於交錯軸,需要再看蝸桿蝸輪、戟齒輪等不同配置。
同軸的輸入與輸出,也可以透過行星齒輪組連接。要注意,行星齒輪是由多個齒輪與行星架組成的機構,不能只把它當成另一種單顆齒輪的齒形。
| 型式 | 適合先考慮的需求 | 不能漏掉的條件 |
|---|---|---|
| 正齒輪 | 平行軸,結構直接。 | 噪音、動載與齒距誤差仍要評估。 |
| 斜齒圓柱齒輪 | 平行軸,希望接觸較連續。 | 需處理軸向力及支承。 |
| 直齒/螺旋傘齒輪 | 相交軸,需要改變動力方向。 | 安裝距離、齒隙與接觸齒印。 |
| 戟齒輪 | 兩軸需要偏置。 | 滑動、潤滑與發熱。 |
| 蝸桿與蝸輪 | 交錯軸,希望在一級取得較大減速比。 | 效率、溫升及能否回驅,須依實際條件確認。 |
| 行星齒輪組 | 同軸輸入輸出、多路嚙合。 | 裝配、負載分攤、行星銷與齒圈剛性。 |
選一下軸線關係,看看有哪些候選
先看軸線,再核對其他需求
只提供幾何架構候選;尚未評估扭矩、壽命、噪音、效率與成本。行星齒輪:不只自己轉,還會繞著中心轉
中間的是太陽齒輪,外面一圈是內齒圈,夾在兩者之間的是行星齒輪。行星齒輪裝在行星架上,可以一邊繞自己的軸轉,一邊跟著行星架繞中心轉。
先用預設數值觀察:太陽齒輪 24 齒、行星齒輪 18 齒、內齒圈 60 齒。把齒圈固定、由太陽齒輪輸入時,行星架會較慢地輸出。再切換成「行星架固定」,看看輸出方向怎麼改變。
同一組齒數,換固定構件就換了速比
太陽齒輪 S、行星齒輪 P、內齒圈 R、行星架 C。先看哪個固定,再決定輸入和輸出;行星齒輪同時公轉與自轉。
綠:太陽齒輪 S
金:行星齒輪 P
深綠:內齒圈 R
藍:行星架 C
動畫已降速,保留各構件的轉速比;線條是節圓與旋轉標記,內齒圈齒形為示意。三構件轉速以同一軸向觀察,正負號可直接比較。
轉速、尺寸與裝配條件
本例自動令 zᵣ = zₛ + 2zₚ,接著檢查等間隔裝配條件及相鄰行星齒頂間隙。未通過時停止作動動畫;即使通過,也還沒有完成內嚙合干涉、齒根、齒圈壁厚、行星銷與負載分配驗證。
三項初步裝配條件參考本文 S20。使用無變位、同模數 20° 直齒輪。輸出扭矩由假設效率換算,不代表單顆行星可承受的負載。動畫的內齒圈採簡化齒形,不可匯出作加工。
能放進齒輪,不等於能放進整個齒輪箱
箱體裡除了齒輪,還有軸、軸承、油封、螺帽與潤滑空間。外面也要留固定螺栓、工具和拆裝的位置。選型時只畫出齒輪外徑,容易等到裝配時才發現放不下。
縮小齒輪也會帶來取捨:相同扭矩由較小的直徑傳遞,輪齒作用力會增加;齒輪雖變小,支承可能反而需要加強。因此應比較整套裝置的尺寸、成本與可靠度,而非只看一對齒輪的價格。
幾個常見說法,先別當成保證
「行星數多,承載就直接乘上顆數」並不一定成立。各顆行星實際分到多少負荷,還受加工、裝配與剛性影響。中央大學的行星傳動研究也把齒輪、軸與軸承一併放進分析,而非只看單一路徑。[S10]
同樣地,蝸桿傳動不能一律視為自鎖;斜齒輪也不能保證一定安靜。若設備有煞車、安全保持或噪音要求,應把它列成可驗證的規格,不要只靠類型名稱推測。
詢價時,用這幾句話說明需求
- 馬達每分鐘轉多少圈?希望輸出轉多少圈?
- 平常需要多少扭矩?啟動、卡住或急停時,最大可能多少?
- 兩根軸怎麼擺?可用長、寬、高各是多少?
- 一天運轉多久?會不會反轉,預計用幾年?
- 定位間隙、聲音、溫升及漏油,有哪些明確限制?
- 用在什麼環境?樣品與年用量大約多少?
手上若已有圖面、安裝草圖或負載量測資料,一起提供。還不確定的地方也可以列出來,會比先選定某個齒輪名稱,更容易找到合適方案。
參考來源
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參考文獻(4 筆) · 展開查看
S05Calculation of Gear Dimensions
S10動態負載下修整型行星齒輪傳動機構嚙合齒面接觸特性研究
S20遊星歯車機構|行星齒輪機構
S22齒輪技術入門篇
中文技術手冊|KHK · 基礎教材/版本年份未標明以修平科技大學公開教材所附中文手冊核對名稱與符號,重點為幾何用語表及模數。此為技術手冊,不是台灣國家術語標準;本區例子與白話解釋另行撰寫。
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