從一組 20 齒與 40 齒的齒輪開始,理解轉速、尺寸與齒隙,再試著讀懂圖面。
齒輪傳動原理與轉速比
齒輪的工作,是把一根軸的旋轉傳給另一根軸。兩顆齒輪的輪齒依序接觸,把轉動與力量傳下去;這個接觸、帶動的過程,就叫嚙合。
先想像一顆 20 齒的小齒輪,帶動一顆 40 齒的大齒輪。小齒輪轉一圈,只推過 20 個齒;大齒輪要走完自己的 40 個齒,就得等小齒輪轉兩圈。因此,小齒輪每分鐘轉 1,200 圈時,大齒輪每分鐘轉 600 圈。兩顆外齒輪直接嚙合,從同一側看,旋轉方向相反。
這裡的 2:1,是輸入轉速與輸出轉速之比。若暫時不考慮損失,轉速減半,輸出扭矩便加倍。扭矩可以先理解為「讓軸轉動的力矩」;減速傳動不會憑空增加功率,而是在轉速與扭矩之間做轉換。
模數與齒數決定齒輪的尺寸
「30 齒」只告訴我們齒的數量,還不知道它有多大。想像兩把都有 30 個齒的梳子,一把齒距密、一把齒距疏,整體尺寸就不同。齒輪也需要一個表示輪齒尺寸的數字,這就是模數 m,常用單位為毫米。
對標準正齒輪,基準圓直徑等於模數乘上齒數。例如模數 2、30 齒,基準圓直徑是 60 mm。它的外徑還要再加上齒頂部分,並不是 60 mm。下方工具會把這兩個尺寸分開畫出來。
標準正齒輪算例:2 mm × 30 = 60 mm
配對齒輪必須有相容的齒距、壓力角與其他幾何條件。不能把「20 齒」與「40 齒」各買一顆,就認為一定能互相帶動。
圖上的幾個圓,各自代表什麼?
從齒輪端面看,最外面通過所有齒尖的圓,叫齒頂圓,也稱齒冠圓。齒槽底部所在的圓,叫齒根圓,也稱齒底圓。兩者都可以對照實體的外形理解。
基準圓則是規定齒輪尺寸的參考圓,中文教材也常稱標準節圓;它不是在零件上另外加工出來的線。基圓是另一個幾何基礎:可以想像把一條拉緊的線從圓上慢慢展開,線端走出的曲線,就是漸開線。許多圓柱齒輪的齒廓,就是依這種曲線形成。
「齒廓」指輪齒在指定截面上的輪廓曲線;「齒面」則是立體的工作表面。圖面上的模數、齒數、旋向與齒厚等資料,通常集中列在齒輪幾何參數表。下方表格保留常見別稱,方便對照不同教材與供應商圖面。[S17][S22]
動手調整:齒數與模數怎麼影響大小?
先保留螺旋角 0°,把模數由 2 調到 3,觀察整顆齒輪的尺寸變化。再把模數調回 2,只改齒數,看看外徑怎麼跟著改變。紅線是齒頂圓,會通過每一齒的最外端。
改一個參數,看懂尺寸為什麼跟著改變
選擇設計的模數、齒數及螺旋角,觀察基準圓及齒頂圓的差異。計算條件為外齒、無轉位、法向標準全齒高的規則。
齒頂圓以同一圓心、半徑 dₐ/2 繪製;每齒頂部沿圓弧連接。齒根過渡仍是示意,並非刀具創成曲線。斜齒圖顯示端面投影,不是側視圖。
完整計算結果與公式
齒頂圓通過每一齒的最外端;基準圓是計算尺寸的參考;基圓用來生成漸開線;齒根圓位於齒槽底部。這四個圓功能不同,不能互相替代。
遇到斜齒輪,還要分清楚量測截面
正齒輪的齒線與軸線平行;斜齒圓柱齒輪的齒線則繞著圓柱傾斜。傾斜程度由螺旋角 β表示。它與壓力角不同:壓力角描述接觸力的方向,不是輪齒看起來歪了幾度。
斜齒輪有兩種常用截面:垂直於軸線的是端面,垂直於齒線的是法面。同樣的齒距,從不同截面看,數值並不相同,所以模數要註明是法向模數 mₙ,還是端面模數 mₜ。端面模數在部分台灣資料中也稱正面模數。[S19]
例如法向模數 2 mm、30 齒的齒輪,螺旋角為 0° 時,基準圓直徑為 60 mm;改成 20° 時,直徑約為 63.85 mm。不是加工誤差,而是兩種截面的幾何換算結果。
進一步看公式與壓力角定義
d = z mₜ
tan αₜ = tan αₙ / cos β
在節點處,壓力角是兩齒廓接觸公法線與節圓公切線之間的夾角。法向、端面與工作壓力角須分開標示;本工具採無變位的基準幾何,不能直接套用傘齒輪。
齒隙不是瑕疵,也不是越小越好
把主動輪反轉時,它可能先走過一小段空行程,從動輪才開始反向轉動。其中一個來源,就是齒隙,業界也常稱背隙:一側齒面接觸時,另一側保留的間隙。
齒隙與加工誤差、裝配位置、溫度及潤滑等條件有關。太大會影響反轉定位;太小也可能在熱膨脹或誤差疊加後產生卡緊。它還要與頂隙分開:頂隙是齒頂與配對齒輪齒槽底部之間的空間,兩者不是同一個尺寸。
需要讀圖時,再查這張參數表
不用一次背完所有符號。先找模數、齒數、壓力角與齒寬;碰到檢驗或配對問題,再往下查齒厚、齒隙與量測方式。
表格可當成讀圖小字典;符號仍須配合圖面採用的標準確認。
| 符號 | 名稱 | 意義與核對重點 |
|---|---|---|
| m / mₙ / mₜ | 模數/法向模數/端面模數 | 用來表示輪齒的尺寸,單位 mm。正齒輪的基準圓直徑 d = mz;斜齒輪須分清 mₙ 與 mₜ,不能只寫「模數 2」。 |
| z | 齒數 | 一顆齒輪有幾個齒。配對齒數決定理想轉速比;齒數過少時,要另外檢查根切與嚙合干涉。 |
| αₙ / αₜ | 法向/端面壓力角 | 描述齒面接觸力的方向。與螺旋角不同;同一顆斜齒輪在兩種截面上的壓力角也不同。 |
| β / LH / RH | 螺旋角/左旋/右旋 | 螺旋角表示齒線在基準圓柱上的傾斜程度;LH、RH 表示旋向。圓柱齒輪與傘齒輪的角度定義須分開看。 |
| d / d_w | 基準圓/工作節圓直徑 | d 是規定尺寸的參考圓,中文教材也稱標準節圓;d_w 是配對齒輪實際工作時的節圓。標準中心距且無變位時,兩者可重合。 |
| d_b | 基圓直徑 | 用來生成漸開線齒廓的圓。它不是齒槽底部的齒根圓,也不是齒輪外徑。 |
| d_a / d_f | 齒頂圓/齒根圓直徑 | 齒頂圓通過每齒最外端;齒根圓位於齒槽底部。教材中也可見「齒冠圓」「齒底圓」。 |
| h_a / h_f / h | 齒頂高/齒根高/全齒高 | 由基準圓向外、向內量到齒頂與齒根的高度;兩者相加為全齒高。齒頂高亦稱齒冠高。 |
| p / p_b | 圓周節距/基節 | 沿指定圓周,從一齒量到下一齒同側對應點的弧長。圓周節距也稱周節;基節則在基圓上定義。 |
| s / W / M | 齒厚/跨齒厚/跨棒尺寸 | s 是指定圓上的齒厚;W 是跨數個齒量得的尺寸;M 是放入量棒或量球後的檢驗尺寸。三者不是同一個量。 |
| x / xₙ | 變位係數 | 亦稱轉位係數,描述加工時刀具基準位置的調整,會改變齒厚與齒根形狀。不是把加工好的齒輪整顆往旁邊移。 |
| b | 齒寬 | 沿齒寬方向可接觸的範圍。可把它理解為輪齒有多寬,但傘齒輪須依圖面確認量測方向。 |
| a / a_w | 中心距/工作中心距 | 兩根平行軸之間的距離。配對齒數、變位及工作壓力角都可能影響需要的中心距。 |
| j | 齒隙(背隙) | 兩齒輪嚙合時,非工作齒面間保留的間隙。要指定量測方向與位置;它不同於齒頂與齒槽底部之間的頂隙。 |
| εα / εβ / εγ | 端面/軸向/總接觸率 | 也稱重合度。用來描述嚙合接觸的延續程度;不是「接觸面積百分比」,也不能單靠它保證低噪音。 |
| Cα / Cβ | 齒廓/齒向修整量 | 依負載與變形需要,微量調整齒廓或齒向。符號定義、修整位置與形狀須以圖面為準,不能只註記一個數值。 |
| δ / R / βₘ | 節錐角/錐距/平均螺旋角 | 用於傘齒輪。δ 描述節錐與軸線的夾角;R 從共同錐頂沿節錐母線量取;βₘ 在平均截面定義。 |
| E / offset | 軸偏置量 | 例如戟齒輪的兩軸不相交,需要指定兩軸的偏置。不能以一般零偏置傘齒輪的公式直接代替。 |
| fα / fβ / Fp | 齒廓/齒向/齒距偏差 | 描述實際加工結果與規定幾何的差異。符號、公差及評定範圍,要依圖面指定標準解讀。 |
| Ra / Rz / HRC | 表面粗糙度/洛氏硬度 | 分別描述表面微觀起伏與硬度。它們不是齒形尺寸,但會影響接觸、磨耗與耐久;量測位置也要指定。 |
沒有符合的參數,請換個關鍵字。
把旋轉方向轉 90°:認識螺旋傘齒輪
若兩根軸要在交點轉向,常會使用傘齒輪。可以把它想成把圓柱形的齒輪改成錐形,兩個想像中的節錐共用一個頂點。螺旋傘齒輪的齒線是彎曲的;中文資料中也可見「彎齒傘形齒輪」這個名稱。
它從大端往小端收縮,所以要先問:這個模數、直徑是在大端,還是在齒寬中間?先把位置講清楚,才不會把不同尺寸混在一起。
相交軸 90°:先建立節錐,再看轉速與扭矩
以大端端面模數 mₑ 定義尺寸,齒寬沿節錐母線量取。這個工具計算節錐與平均截面幾何,不從圓柱齒輪外徑公式推算傘齒輪齒頂。
幾何、負載與能量:逐項計算
傘齒輪沿齒寬往小端收縮。同一顆齒輪,大端直徑與平均直徑不同;本例用平均直徑換算切向力。βₘ 改變平均法向模數,但在大端端面模數固定時,不會憑空改變節錐尺寸。
本例限零軸偏置、90° 軸交角與理想節錐,並保守限制 b ≤ Rₑ/3。幾何關係參考本文 S21。未求齒頂高分配、齒根錐、刀盤參數、安裝距離與接觸斑;η 是使用者假設值,不是預測效率。軸向/徑向力需依齒面、旋向與轉向另算。
用透明 3D 齒輪箱觀察相交軸作動 →拿到圖面,先確認這五件事
- 是哪一種齒輪,與哪一顆配對?
- 模數、壓力角及旋向是否寫清楚?
- 中心距或安裝距離,以哪個面、哪個軸為基準?
- 齒厚與齒隙要怎麼量,允收範圍是多少?
- 材料、熱處理與檢驗規範,是否已經約定?
讀懂這幾項,就能先與工程或製造人員討論;不需要在第一次看圖時,就把每一個公式全部算完。
參考來源
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參考文獻(6 筆) · 展開查看
S05Calculation of Gear Dimensions
S17具齒廓修形內嚙合非圓形齒輪創成之方法建立與其傳動誤差分析
S18傘齒輪齒胚與工程圖之 SolidWorks 自動建模方法之研究
S19螺旋齒輪的模數與加工
S21Gear Mathematics for Bevel & Hypoid Gears, Chapter 2
Gear Technology|技術專文 · 2015/基礎幾何傘齒輪節錐角、平均錐距與幾何系統的技術參考。本版工具只採零偏置、90° 軸交角的簡化節錐關係,非完整 Gleason/ISO 齒面計算。
查看原始來源 ↗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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