เฟืองเกลียวไขว้คืออะไร? — เรขาคณิตของระบบขับเคลื่อนเพลาเฉียง
ไขว้กัน เฟืองเกลียว คู่หนึ่งประกอบด้วยอินโวลูตมาตรฐานสองอัน เฟืองเกลียว — แต่ละแบบสามารถใช้ในงานที่มีเพลาขนานกันตามปกติได้ — โดยติดตั้งบนเพลาที่เอียง (ไม่ขนานและไม่ตัดกัน) มุม Σ ระหว่างเพลาทั้งสองเป็นพารามิเตอร์ที่กำหนดรูปแบบการติดตั้งแบบกากบาท:
Σ = β₁ + β₂ (เมื่อเฟืองทั้งสองมีทิศทางเกลียวเดียวกัน — ทั้งคู่เป็นเกลียวขวาหรือทั้งคู่เป็นเกลียวซ้าย)
Σ = β₁ − β₂ (เมื่อเฟืองมีทิศทางเกลียวตรงข้ามกัน)
สำหรับมุมเพลา 90°: β₁ + β₂ = 90° การแบ่งมุมเท่ากันแบบมาตรฐานใช้ β₁ = β₂ = 45° ทำให้เฟืองทั้งสองสามารถใช้แทนกันได้ การรวมกันของ β₁ และ β₂ อื่นๆ ที่รวมกันได้ 90° ก็ใช้ได้เช่นกัน — ตัวอย่างเช่น β₁ = 30°, β₂ = 60° ซึ่งจะทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของฟันเฟืองทั้งสองแตกต่างกัน เฟืองเกลียว.
ความแตกต่างที่สำคัญ — การสัมผัสแบบจุด กับ การสัมผัสแบบเส้น
ในเพลาขนานมาตรฐาน เฟืองเกลียว ในคู่ฟันเฟือง การสัมผัสของฟันคือเส้นที่ลากเฉียงข้ามหน้าฟันขณะที่ฟันขบกัน — เส้นสัมผัสเฉียงที่ทำให้เกิด เฟืองเกลียว ข้อดีด้านเสียงรบกวนและความสามารถในการรับน้ำหนัก ในแบบไขว้ เฟืองเกลียว คู่สัมผัสจะเสื่อมสภาพลงเป็น จุดด้านข้างของฟันเฟืองที่ประกบกันมีลักษณะโค้งไปในทิศทางที่ไม่เข้ากัน ณ จุดสัมผัส โดยด้านหนึ่งโค้งนูนไปในทิศทางสัมผัส และอีกด้านหนึ่งก็โค้งนูนเช่นกัน ดังนั้นจึงสัมผัสกันที่จุดทางเรขาคณิตจุดเดียว แทนที่จะสัมผัสกันตามแนวเส้นตรง
การสัมผัสแบบเลื่อน — เหตุใดการหล่อลื่นจึงแตกต่างออกไป
เพลาขนานมาตรฐาน เฟืองเกลียว การสัมผัสของฟันส่วนใหญ่เป็นการหมุน โดยมีส่วนประกอบของการเลื่อนเล็กน้อย ไขว้กัน เฟืองเกลียว การสัมผัสของฟันเฟืองส่วนใหญ่เป็นการเลื่อน โดยจุดสัมผัสจะเคลื่อนที่ไปตามด้านข้างของฟันในทิศทางที่เอียงไปตามรูปทรงของฟัน ทำให้เกิดเส้นทางการเลื่อนแบบเกลียว แทนที่จะเป็นเส้นทางการเลื่อนแบบรัศมีตามปกติของเฟืองเพลาขนาน การเคลื่อนที่แบบเลื่อนนี้:
- สร้างความร้อนมากขึ้นต่อหน่วยแรงที่ส่งผ่าน มากกว่าเพลาขนาน เฟืองเกลียว — เนื่องจากระยะการเลื่อนต่อการสัมผัสแต่ละครั้งนั้นยาวกว่ามาก ซึ่งจำกัดความเร็วในการเลื่อนสูงสุดที่อนุญาตสำหรับพื้นผิวที่ตัดกัน เฟืองเกลียว ความเร็วของเพลาคู่ขนานอยู่ที่ประมาณ 2–5 เมตร/วินาที โดยไม่ต้องใช้สารหล่อลื่นแรงดันสูงพิเศษ เทียบกับ 50 เมตร/วินาทีขึ้นไปสำหรับเพลาคู่ขนานที่ผ่านการเจียระไนแล้ว เฟืองเกลียว.
- ต้องใช้สารหล่อลื่นทนแรงดันสูง (EP) แม้ในสภาวะโหลดเบา ระบบการหล่อลื่นแบบขอบเขตจะครอบงำบริเวณสัมผัส เนื่องจากแรงเลื่อนทำให้ไม่เกิดการก่อตัวของฟิล์ม EHL อย่างสมบูรณ์ที่ความเร็วใดๆ น้ำมัน ISO VG 220 หรือ VG 320 ที่มีสารเติมแต่ง S/P EP เป็นข้อกำหนดขั้นต่ำ น้ำมันแร่ที่ไม่มีสารเติมแต่ง EP จะทำให้เกิดรอยขีดข่วนอย่างรวดเร็วบนพื้นผิวที่สัมผัสกัน เฟืองเกลียว ด้านข้างของฟันภายในไม่กี่ชั่วโมง
- นิยมใช้ทองแดงหรืออะลูมิเนียมบรอนซ์สำหรับเกียร์ที่อ่อนกว่า (เทียบเท่ากับเฟืองตัวหนอนในระบบขับเคลื่อนเฟืองตัวหนอน) วัสดุที่อ่อนกว่าจะช่วยลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่จุดสัมผัสแบบเลื่อน และให้ความยืดหยุ่นที่ดีกว่า ทำให้วงรีที่สัมผัสสามารถขยายตัวเล็กน้อยในช่วงการใช้งานแรกเริ่ม ลดความเค้นสัมผัสเริ่มต้น
ความสัมพันธ์ระหว่างมุมเพลา — การเลือกมุมเกลียวสำหรับมุมเพลาที่ต้องการ
ไขว้ เฟืองเกลียว คู่ — แกนทั้งสองไม่ขนานกันและไม่ตัดกัน มุมของแกน Σ = β₁ + β₂ (มือข้างเดียวกัน) หรือ β₁ − β₂ (มือข้างตรงข้าม) ทำให้สามารถส่งผ่านการเคลื่อนที่ได้ระหว่างมุมของแกนใดๆ ตั้งแต่เกือบขนานกันจนถึง 90°
| มุมเพลาที่ต้องการ Σ | มุมเกลียวมาตรฐานแบบแยก | เกียร์ 1 β₁ | เกียร์ 2 β₂ | บันทึก |
|---|---|---|---|---|
| 90° | แบ่งเท่าๆ กัน | 45° | 45° | เฟืองทั้งสองตัวเหมือนกันทุกประการ — มีขนาดกะทัดรัดที่สุด; แรงกดสัมผัสเท่ากัน |
| 90° | ไม่เท่ากัน — คนขับตัวเล็ก | 20° | 70° | คนขับอยู่ในระดับมาตรฐาน เฟืองเกลียววงจรขับเป็นแบบเกลียวชัน ลดความเร็วในการขับเพื่อให้ได้ผลลัพธ์เท่าเดิม |
| 60° | ปานกลาง | 25° | 35° | การเลื่อนที่ไม่รุนแรงเท่ากับ 90°; รับน้ำหนักได้มากกว่าคู่ 90° ที่มีโมดูลเดียวกัน |
| 45° | ปานกลาง | 20° | 25° | ประสิทธิภาพใกล้เคียงกับเพลาขนานมากที่สุด รับน้ำหนักได้มากกว่า แต่มีขนาดกะทัดรัดน้อยกว่าเพลาคู่ 90 องศา |
ความสามารถในการรับน้ำหนัก — การเปรียบเทียบเชิงปริมาณกับเฟืองเกลียวเพลาขนาน
ความสามารถในการรับน้ำหนักของสิ่งของที่ไขว้กัน เฟืองเกลียว คู่ไม่สามารถแสดงออกมาได้ง่ายๆ ในกรอบเดียวกันกับเพลาขนาน เฟืองเกลียว (ISO 6336) เนื่องจากกลไกการสัมผัสแตกต่างกันโดยพื้นฐาน ข้อมูลการออกแบบเชิงประจักษ์สำหรับเหล็กบนบรอนซ์แบบไขว้ เฟืองเกลียว คู่ที่มีมุมเพลา 90° จะให้แรงสัมผัสสูงสุดต่อหน่วยความกว้างหน้าตัดโดยประมาณ:
F_t_max / b ≈ 0.6 × Mn × d₁^0.5 [N/mm โดยที่ d₁ มีหน่วยเป็น mm]
สำหรับม้าไขว้ทั่วไป เฟืองเกลียว สำหรับ M5, d₁ = 60 มม.: F_t_max / b ≈ 0.6 × 5 × 7.75 ≈ 23 N/mm สำหรับ b = 30 มม.: F_t_max ≈ 690 N เทียบเท่ากับเพลาขนาน เฟืองเกลียว (โมดูลเดียวกัน ความกว้างหน้าตัดเท่ากัน เหล็กกล้าคาร์บอน 20CrMnTi ชุบแข็ง) ทนแรง F_t ได้ประมาณ 5,000–8,000 N ซึ่งสูงกว่า 7–12 เท่า อัตราส่วนนี้แสดงให้เห็นว่าทำไมเหล็กฉากจึงมีความสำคัญ เฟืองเกลียว มีข้อจำกัดในการใช้งานเฉพาะกับอุปกรณ์วัดและระบบส่งกำลังที่มีน้ำหนักเบาเท่านั้น
การใช้งานที่เฟืองเกลียวไขว้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสม
ชุดเฟืองไขว้เหมาะสำหรับใช้งานในกลไกขนาดเล็ก เช่น กลไกขับสายวัดความเร็ว อินพุตของตัวเข้ารหัสเชิงมุม ตัวบ่งชี้ตำแหน่งวาล์ว และกลไกแคม ที่ต้องการการเปลี่ยนทิศทางเพลา 90° อย่างกะทัดรัดด้วยแรงบิดต่ำมาก (ต่ำกว่า 0.5–2 นิวตันเมตร) การเข้ากันอย่างราบรื่นและความสามารถในการล็อคตัวเองของชุดเฟืองไขว้ที่มุมเพลาและสภาวะแรงเสียดทานบางอย่าง ทำให้เหมาะสำหรับงานกลไกขนาดเล็ก
กลไกปรับมุมใบพัด (ระยะห่าง) ในพัดลมแบบแรงเหวี่ยงและอุปกรณ์ HVAC ใช้การออกแบบแบบไขว้ เฟืองเกลียว ประกอบด้วยชิ้นส่วนคู่สำหรับเชื่อมต่อเพลาปรับแกนเข้ากับหมุดยึดใบพัดที่วางตัวในแนวรัศมี ข้อดีของการออกแบบคือการเปลี่ยนมุมเพลา 90° ในแคปซูลขนาดกะทัดรัดและครบวงจร ทำให้ภาระเบามาก (มีเพียงแรงเฉื่อยของใบพัดเท่านั้น)
ระบบขับเคลื่อนเพลาหลักไปยังแกนเข็มในจักรเย็บผ้าอุตสาหกรรมแบบดั้งเดิมมักใช้แบบไขว้ เฟืองเกลียว เฟืองคู่หรือชุดขับแกนเฉียงที่เทียบเท่าสำหรับการเปลี่ยนทิศทาง 90° ขนาดกะทัดรัดและภาระเบา (ต่ำกว่า 20 วัตต์ที่แกนเข็ม) อยู่ในขอบเขตความสามารถของเฟืองประเภทนี้
กลไกการปรับเบาะและกระจกมองข้างที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้ากำลังต่ำ ใช้เฟืองคู่ไขว้ (บางครั้งเรียกว่าเฟืองเกลียวในบริบทของยานยนต์) สำหรับการเปลี่ยนทิศทาง 90° การจัดวางที่กะทัดรัด และเสียงรบกวนต่ำโดยธรรมชาติในโครงสร้างเหล็กผสมโพลีเมอร์
เฟืองเกลียวไขว้เทียบกับเฟืองตัวหนอน — ควรใช้แบบไหนในสถานการณ์ใด
ทั้งคู่ข้ามไป เฟืองเกลียว และ เฟืองตัวหนอน ระบบนี้ใช้ส่งกำลังระหว่างเพลาที่ไม่ขนานกัน แต่มีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านความสามารถในการรับน้ำหนัก ช่วงอัตราส่วน และประสิทธิภาพ:
| พารามิเตอร์ | เฟืองเกลียวไขว้ | เฟืองตัวหนอน |
|---|---|---|
| ช่วงอัตราทดเกียร์ (แบบขั้นเดียว) | อัตราส่วนการปฏิบัติ 1:1 ถึงประมาณ 5:1 | อัตราส่วน 5:1 ถึง 100:1 ขึ้นไป สามารถทำได้ง่ายๆ |
| ประเภทการติดต่อ | จุดติดต่อ | การสัมผัสเป็นเส้น (พื้นผิวที่สอดคล้อง) |
| ความสามารถในการรับน้ำหนัก | ต่ำมาก — เฉพาะไดรฟ์อุปกรณ์เท่านั้น | ระดับปานกลางถึงสูง — กระบวนการผลิตและอุตสาหกรรม |
| ประสิทธิภาพ | 70–85% (การสูญเสียจากการเลื่อนสูง) | 50–90% ขึ้นอยู่กับมุมนำ |
| ความยืดหยุ่นของมุมเพลา | สามารถปรับมุมได้ตั้งแต่ 0° ถึง 90° — มีความยืดหยุ่นสูง | โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 90° เท่านั้น — คงที่ |
| การผลิต | การกัดเฟืองแบบมาตรฐาน — แบบง่าย | เฟืองหนอนแบบพิเศษ — ซับซ้อนกว่า |
| เลือกเมื่อใด | มุมเพลาตามต้องการ; โหลดเบามาก; ต้องใช้เครื่องมือมาตรฐาน | อัตราส่วนสูง; รับน้ำหนักปานกลาง; มุมเพลา 90°; ต้องการระบบล็อคตัวเอง |
บริษัท Korea Ever-Power — จัดจำหน่ายเฟืองเกลียวไขว้
บริษัท Ever-Power ของเกาหลีเป็นผู้ผลิตชิ้นส่วนรถยนต์ เฟืองตัดเกลียว ตามข้อกำหนดของลูกค้าเป็นมาตรฐาน เฟืองเกลียว ชิ้นส่วนต่างๆ สามารถประกอบเข้ากับมุมเกลียวที่กำหนดได้ — ลูกค้าระบุมุมเพลาที่ต้องการ Σ และมุมเกลียวที่แบ่งระหว่างเฟือง 1 และเฟือง 2 จากนั้น Korea Ever-Power จะผลิตชิ้นส่วนคู่ที่เข้ากันพร้อมมุมเกลียวที่ได้รับการยืนยันและการตรวจสอบด้วยเครื่องวิเคราะห์เฟืองโดยตรง ผู้ผลิตเฟืองเกลียวเครื่องมือมาตรฐานของ Korea Ever-Power ครอบคลุมขนาดเกลียว M1–M20, มุม β = 5°–45° ในวัสดุเหล็ก บรอนซ์ และอลูมิเนียมบรอนซ์ ซึ่งครอบคลุมทุกขนาดที่จำเป็นสำหรับการใช้งานในเครื่องมือและกลไกต่างๆ ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ กลุ่มผลิตภัณฑ์เฟืองเกลียว สำหรับขนาดมาตรฐาน
คำถามที่พบบ่อย
ใช่ — อินโวลูตมาตรฐานสองอันใดก็ได้ เฟืองเกลียว สามารถวางโมดูลปกติและมุมแรงดันปกติเดียวกันบนเพลาเฉียงเพื่อสร้างโครงสร้างไขว้ได้ เฟืองเกลียว คู่เฟือง โดยไม่คำนึงถึงว่าเดิมทีได้รับการออกแบบมาเพื่อจุดประสงค์นี้หรือไม่ มุมของเพลาจะถูกกำหนดโดยผลรวมหรือความแตกต่างของมุมเกลียวของเฟือง การจัดเรียงเกลียวไขว้แบบ "โดยบังเอิญ" นี้เกิดขึ้นเป็นครั้งคราวเมื่อประกอบเกียร์บ็อกซ์ด้วยการวางแนวเพลาที่ไม่ถูกต้อง เฟืองยังคงขบกัน (ให้การสัมผัสแบบจุด) แต่มีกำลังรับน้ำหนักลดลงอย่างมากและมีการสูญเสียจากการเลื่อนสูงกว่าที่ตั้งใจไว้มาก
ไขว้ เฟืองเกลียว ระบบสามารถล็อกตัวเองได้ (เฟืองตามไม่สามารถหมุนย้อนกลับได้) เมื่อมุมนำมีขนาดเล็กและแรงเสียดทานสูง สำหรับการกำหนดค่ามุมเพลา 90° โดยที่ β₁ = β₂ = 45° เฟืองทั้งสองจะมีมุมเกลียวเท่ากัน และการขับเคลื่อนจะไม่ล็อกตัวเองในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง — การหมุนย้อนกลับเกิดขึ้นได้ง่าย สำหรับการแบ่งมุมเกลียวที่ไม่เท่ากันมาก (เช่น β₁ = 5°, β₂ = 85°) เฟืองเกลียวตื้นจะมีมุมนำขนาดเล็ก และการกำหนดค่าจะเข้าใกล้การล็อกตัวเองเมื่อสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่จุดสัมผัสเกินแทนเจนต์ของมุมนำ ในทางปฏิบัติ การล็อกตัวเองแบบไขว้ในโครงสร้างแบบไขว้ไม่น่าเชื่อถือสำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัย เนื่องจากขึ้นอยู่กับแรงเสียดทาน ซึ่งแปรผันตามอุณหภูมิ การหล่อลื่น และสภาพการสึกหรอ
อัตราทดเกียร์ของรถไขว้ เฟืองเกลียว อัตราส่วนของจำนวนฟันเฟืองต่อจำนวนฟันนั้น คือ i = z₂/z₁ เช่นเดียวกับเฟืองเพลาขนานมาตรฐาน ไม่มีข้อจำกัดทางเรขาคณิตสำหรับอัตราส่วนนี้ เฟืองที่มี z₁ = 10 และ z₂ = 100 จะให้ค่า i = 10:1 ที่มุมเพลา 90° อย่างไรก็ตาม เมื่ออัตราส่วนเพิ่มขึ้น ขนาดของเฟืองทั้งสองจะแตกต่างกันมาก (d₁ เล็ก d₂ ใหญ่) และเฟืองขับขนาดเล็กที่มุมเกลียวสูง (ใกล้ 45°) จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางพิทช์ที่เล็กมาก ซึ่งจำกัดความสามารถในการรับแรงบิด ในทางปฏิบัติ อัตราส่วนที่สูงกว่าประมาณ 5:1 จะทำได้ดีกว่าด้วยระบบขับเคลื่อนเฟืองตัวหนอน ซึ่งมีเกลียวต่อเนื่องบนตัวหนอน (เทียบเท่ากับเฟืองเกลียวที่มี z = 1) และมีความสามารถในการรับแรงบิดสูงกว่ามากที่เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเท่ากัน
เฟืองดอกจอกส่งแรงบิดระหว่างเพลาที่ตัดกัน — เส้นศูนย์กลางของเพลาทั้งสองมาบรรจบกันที่จุดหนึ่ง และการสัมผัสของเฟืองดอกจอกเกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวรูปกรวย เฟืองเกลียว การส่งแรงบิดระหว่างเพลาที่ไม่ตัดกัน (เพลาเฉียง) — เส้นศูนย์กลางของเพลาจะเยื้องไปในอวกาศและไม่บรรจบกัน สำหรับมุมเพลา 90° ที่เส้นศูนย์กลางของเพลาตัดกัน (ในระนาบเดียวกัน) เฟืองดอกจอกเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม — การสัมผัสแบบเส้นตรงของเฟืองดอกจอกทำให้รับน้ำหนักได้สูงกว่ามาก เฟืองเกลียว วิธีนี้เหมาะสมเฉพาะในกรณีที่จำเป็นต้องให้เส้นศูนย์กลางของเพลาเยื้องศูนย์ (ไม่ตัดกัน) ซึ่งเป็นข้อกำหนดทั่วไปในการออกแบบกลไกขนาดกะทัดรัดที่ตำแหน่งของเพลาถูกจำกัดโดยโครงสร้างของเครื่องจักร
สอบถามเกี่ยวกับชุดเฟืองเกลียวไขว้
ระบุค่ามุมเพลา แรงบิดที่ส่งผ่าน โมดูล และค่าชดเชยศูนย์กลางเพลาที่ต้องการ บริษัท Korea Ever-Power จะคำนวณค่ามุมเกลียวแยกส่วน ตรวจสอบความสามารถในการรับน้ำหนักสำหรับโครงสร้างเกลียวไขว้ และผลิตคู่เกียร์ที่เหมาะสมพร้อมการตรวจสอบด้วยเครื่องวิเคราะห์เกียร์
มุมเพลาใดๆ 0–90° · M1–M20 · เหล็ก, บรอนซ์, อะลูมิเนียมบรอนซ์ · การตรวจสอบคู่ที่เข้ากัน · ขั้นต่ำ 1 คู่
บรรณาธิการ: Cxm
