แร็คเกลียวคืออะไร? — เฟืองเกลียวรัศมีอนันต์
แร็คเกลียวมีรูปทรงเรขาคณิตเหมือนกับ เฟืองเกลียว โดยรัศมีพิทช์ได้รับอนุญาตให้ขยายไปจนถึงอนันต์ — วงกลมพิทช์โค้งกลายเป็นเส้นพิทช์ตรง โปรไฟล์ฟันโค้งกลายเป็นฟันเฉียงด้านตรง และตัวเฟืองกลายเป็นแผ่นหรือแท่งแบน เฟืองตัวเล็กแบบเกลียวที่ขบกับแร็คเป็นแบบมาตรฐาน เฟืองเกลียว ด้วยรัศมีพิตช์ที่จำกัด ระบบเฟืองเกลียวและแร็คจะแปลงพลังงานร่วมกัน เฟืองเกลียว การหมุนของเฟืองตัวเล็กเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้นของแร็ค (หรือของตัวเลื่อนเฟืองตัวเล็กหากแร็คอยู่กับที่) โดยมีข้อดีในการเข้าคู่ฟันเฟืองเช่นเดียวกับ เฟืองเกลียว ชุดเฟืองคู่: การสัมผัสแนวทแยงแบบก้าวหน้า อัตราส่วนการสัมผัสสูงขึ้น ข้อผิดพลาดในการส่งกำลังต่ำลง และเสียงรบกวนน้อยลง เมื่อเทียบกับเฟืองแร็คและเฟืองปีกนกแบบตรง
ระยะการเคลื่อนที่เชิงเส้นต่อ เฟืองเกลียว จำนวนรอบการหมุนของเฟืองตัวเล็กถูกกำหนดโดยเส้นรอบวงของฟันเฟืองตัวเล็ก: s = π × d₁ = π × Mn × z₁ / cos β นี่คือสมการพื้นฐานสำหรับการกำหนดขนาดของชุดขับแร็คแบบเกลียว ซึ่งระบุความเร็วเชิงเส้น (มม./นาที = s × RPM) และความสามารถในการรับแรงเชิงเส้นจาก เฟืองเกลียว แรงบิดของเฟืองตัวเล็ก
แร็คแบบเกลียวเทียบกับแร็คแบบตรง — ทำไมแร็คแบบเกลียวจึงคุ้มค่ากับความซับซ้อน
| พารามิเตอร์ | แร็คตรง (β = 0°) | แร็คเกลียว (β = 15–25°) |
|---|---|---|
| เสียงรบกวน (ที่ความเร็วเส้นเสียงเท่ากัน) | สูงขึ้น — การเข้าของฟันแบบเต็มความกว้างเกิดขึ้นอย่างกระทันหัน | ลดระดับเสียงลง 5–10 dB(A) — การเข้าในแนวทแยงช่วยลดการกระตุ้นจากการกระแทก |
| ความสามารถในการรับน้ำหนัก (โมดูลและหน้ากว้างเท่ากัน) | ฐาน | 10–25% สูงกว่า — อัตราส่วนการสัมผัสที่สูงขึ้นจะกระจายแรงกดไปตามความยาวของฟันมากขึ้น |
| อัตราส่วนการสัมผัส | ε_α ≈ 1.4–1.6 เท่านั้น | ε_γ = 2.0–3.5 (ε_α + ε_β) สำหรับ เฟืองเกลียว ตาข่าย |
| แรงตามแนวแกนบนแบริ่งเฟือง | ศูนย์ | F_a = F_t × tan β (ต้องใช้ตลับลูกปืนแบบสัมผัสเชิงมุมที่เฟืองตัวเล็ก) |
| ความเรียบเนียนในการจัดตำแหน่ง | การกระเพื่อมของความเร็วที่ความถี่การเข้าคู่ของฟันเฟือง | คลื่นความเร็วต่ำลงเนื่องจากอัตราส่วนการสัมผัสสูงขึ้น |
| การผลิต | ง่ายกว่า — การกัดหรือกลึงฟันตรง | ซับซ้อนยิ่งขึ้น — การกัดเฟืองเกลียวพร้อมการชดเชยมุมเกลียว การจับคู่ทิศทางเกลียวระหว่างแร็คและเฟืองตัวหนอนมีความสำคัญอย่างยิ่ง |
การเลือกมุมเกลียวสำหรับระบบขับเคลื่อนแบบแร็คแอนด์พิเนียน
การเลือกมุมเกลียวสำหรับชุดขับแร็คแบบเกลียวเป็นไปตามหลักการเดียวกับชุดขับแร็คแบบอื่นๆ เฟืองเกลียว คู่ดังกล่าวมีข้อพิจารณาเพิ่มเติมอีกประการหนึ่งคือ ความกว้างของหน้าสัมผัสของแร็คไม่ได้ถูกจำกัดด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเฟือง ดังนั้นอัตราส่วนการสัมผัสทับซ้อน ε_β = b × sin β / (π × Mn) สามารถทำได้ด้วยค่า b และ β ใดๆ ก็ได้ สำหรับแกนเชิงเส้นของเครื่องมือกล CNC ช่วงมาตรฐานคือ β = 15–25°
- β = 15°: ลดเสียงรบกวนได้ปานกลาง แรงตามแนวแกนบนแบริ่งเฟืองอยู่ในระดับปานกลาง (tan 15° = 0.27 × F_t) เหมาะสำหรับระบบขับเคลื่อนแกนมาตรฐานที่เสียงรบกวนไม่ใช่ปัจจัยหลัก มักใช้กับเครนยกแบบโครงสร้างทั่วไปในอุตสาหกรรม เฟืองเกลียว เฟืองขับและระบบขับเคลื่อนแร็คสำหรับขนถ่ายวัสดุ
- β = 19–20°: ข้อกำหนดมาตรฐานสำหรับแกนเครื่องมือกล CNC (เราเตอร์แบบโครงสร้าง, แกนเครื่องกัด, ศูนย์เครื่องจักรกล) เน้นความสมดุลระหว่างการลดเสียงรบกวนและแรงตามแนวแกนที่ควบคุมได้ในระดับแรงป้อนทั่วไป (100–5000 N) หาซื้อได้ทั่วไปจากผู้จำหน่ายชิ้นส่วนแบบแร็ค
- β = 25°: ใช้งานได้จริงสูงสุดสำหรับชุดขับแร็คเกลียวมาตรฐาน ใช้สำหรับแร็คพวงมาลัยรถยนต์ไฟฟ้า (ซึ่งเสียงรบกวนมีความสำคัญและแรงตามแนวแกนได้รับการจัดการโดยการออกแบบตัวเรือนเฟืองพวงมาลัย) แกน CNC ความเร็วสูงกว่า 60 เมตร/นาที ซึ่งเสียงรบกวนที่ความถี่การเข้าคู่กันจะได้ยินได้ที่ β = 20°
การควบคุมการคลายตัวในระบบขับเคลื่อนแร็คเกลียว — ความท้าทายที่สำคัญในการกำหนดตำแหน่ง
เฟืองตัวหนอนเกลียวเจียรสำหรับแกนแร็คแอนด์พิเนียน CNC — ความหนาของฟันเฟืองตัวหนอนกำหนดตามมาตรฐาน DIN 3967 คลาส g หรือ h เพื่อให้ได้ระยะคลอนที่แคบตามที่ต้องการสำหรับความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่ง หากมีระยะคลอนในเฟือง จะทำให้เกิดการสูญเสียการเคลื่อนที่เมื่อแกนเปลี่ยนทิศทาง
การคลายตัว (Backlash) ในระบบขับเคลื่อนแบบแร็คเกลียวจะปรากฏให้เห็นโดยตรงเป็นข้อผิดพลาดในการกำหนดตำแหน่งเมื่อตัวเลื่อนเปลี่ยนทิศทาง: มอเตอร์จะหมุนผ่านมุมที่เทียบเท่ากับการคลายตัวก่อนที่ตัวเลื่อนจะเริ่มเคลื่อนที่ สำหรับเฟืองตัวเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 75 มม. และการคลายตัว 0.1 มม. มุมที่เทียบเท่าจะอยู่ที่ประมาณ 0.1 / (π × 75 / 360) = 0.153° ของการหมุนของเฟืองตัวเล็ก ซึ่งสอดคล้องกับการสูญเสียการเคลื่อนที่เชิงเส้น 0.1 มม. ในการใช้งานการกำหนดตำแหน่งด้วยเครื่อง CNC นี่เป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้และต้องควบคุมให้ต่ำกว่า 0.01–0.03 มม. สำหรับแกนมาตรฐาน และต่ำกว่า 0.005 มม. สำหรับศูนย์เครื่องจักรกลความแม่นยำสูง
วิธีที่ 1 — ความคลาดเคลื่อนของความหนาฟันที่เข้มงวด (DIN 3967 Class g/h)
ระบุเฟืองตัวเล็กและเฟืองตัวใหญ่ให้เป็นไปตามมาตรฐาน DIN 3967 คลาส g หรือ h (ตามที่อธิบายไว้ในบทความเรื่องระยะคลายตัว) การทำเช่นนี้จะช่วยลดระยะคลายตัวที่ระบุไว้ แต่ไม่ได้กำจัดออกไปทั้งหมด แม้แต่ค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบก็ยังมีระยะคลายตัวอยู่ในช่วง 0 ถึงประมาณ 0.03–0.08 มม. สำหรับชุดขับเฟือง M3–M5 ซึ่งเพียงพอสำหรับแกน CNC มาตรฐานที่มีการชดเชยระยะคลายตัวด้วยซอฟต์แวร์ แต่ไม่เพียงพอสำหรับแกนการขึ้นรูปที่ต้องการความแม่นยำสูง
วิธีที่ 2 — ระบบขับเคลื่อนป้องกันการคลายตัวแบบเฟืองคู่
เฟืองตัวเล็กสองตัวที่เหมือนกันถูกติดตั้งบนแร็คเดียวกัน โดยขับเคลื่อนผ่านชุดเกียร์แบ่งแรงบิดที่มีแรงกดเชิงมุมเล็กน้อยระหว่างกัน เฟืองตัวเล็กทั้งสองจะขบกับด้านตรงข้ามของฟันแร็คพร้อมกัน — ตัวหนึ่งดันแร็คไปข้างหน้า อีกตัวดันไปข้างหลัง — ซึ่งช่วยขจัดช่องว่างการคลายตัวโดยการกดด้านฟันทั้งสองด้านอย่างต่อเนื่อง นี่คือวิธีการมาตรฐานสำหรับระบบขับเคลื่อนแร็คเกลียวของเครื่องมือกล CNC ที่มีความแม่นยำสูงที่ความเร็วมากกว่า 5 เมตร/นาที ซึ่งต้องการความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งต่ำกว่า ±0.010 มม. แรงบิดในการกดต้องคำนวณอย่างระมัดระวัง: ถ้าต่ำเกินไป ช่องว่างการคลายตัวจะไม่ถูกขจัดออกไปอย่างสมบูรณ์ ถ้าสูงเกินไป อัตราการสึกหรอของฟันแร็คจะเพิ่มขึ้นจากการรับน้ำหนักอย่างต่อเนื่องของเฟืองตัวเล็กที่ไม่ได้ใช้งาน
การเลือกโมดูลจาก Linear Force — การกำหนดขนาดของไดรฟ์แร็คเกลียว
โมดูลแร็ค Mn สำหรับ เฟืองเกลียว เฟืองตัวเล็กจะถูกเลือกโดยพิจารณาจากแรงเชิงเส้นสูงสุดที่ต้องการ F_linear และความเค้นดัดที่โคนฟันที่ยอมรับได้ของเฟืองตัวเล็ก:
F_linear = T_pinion / r_pinion = T_pinion × 2 × cos β / (Mn × z₁)
การจัดเรียงใหม่สำหรับ เฟืองเกลียว โมดูลจากแรงที่ต้องการและแรงบิดของเฟืองที่พร้อมใช้งาน:
Mn = T_pinion × 2 × cos β / (F_linear × z₁)
สำหรับแกนเครื่องมือกล CNC ที่มีแรงตัดทั่วไป 2000–8000 N และแรงบิดมอเตอร์ 5–50 N·m โมดูล M3–M6 ครอบคลุมการใช้งานส่วนใหญ่ สำหรับเครนยกของหนักที่รับน้ำหนัก 5–50 ตัน โมดูล M8–M16 เป็นแบบทั่วไป บริษัท Korea Ever-Power ผลิตส่วนรางเกลียวตั้งแต่ M2 ถึง M20 ในความยาวมาตรฐาน 500–2000 มม. พร้อมคุณสมบัติการเชื่อมต่อ (รูเดือย รูเจาะปลาย) สำหรับการเชื่อมต่อเป็นรางเกลียวยาวต่อเนื่อง
ข้อกำหนดเฉพาะของแกนเครื่องจักร CNC — สิ่งที่ต้องระบุสำหรับชุดขับแร็คเกลียว
| พารามิเตอร์ | เครื่องเราเตอร์ CNC มาตรฐาน / โครงสร้างแบบคาน | ศูนย์เครื่องจักรกลความแม่นยำสูง |
|---|---|---|
| โมดูล Mn | M3–M5 | M2–M4 |
| มุมเกลียว β | 20° | 20–25° |
| ระดับความแม่นยำ DIN | DIN 7–8 (การกัดเฟืองละเอียด) | DIN 5–6 (กราวด์) |
| ระดับความหนาของฟัน | DIN 3967 fg (แคบ) | DIN 3967 gh (แน่น) |
| วัสดุสำหรับชั้นวาง | 45# QT HB 220–280 หรือ C45E | เหล็กกล้าคาร์บอน-โลหะไทเทเนียม 20CrMnTi ชุบแข็ง HRC 58–62 ขัดเงา |
| วิธีแก้ปัญหาการต่อต้าน | เฟืองเดี่ยวพร้อมระบบชดเชยด้วยซอฟต์แวร์ | เฟืองขับป้องกันการคลายตัวคู่พร้อมข้อกำหนดแรงบิดก่อนโหลด |
| ความยาวแร็คต่อส่วน | 500–1000 มม. พร้อมการจัดแนวเดือย | 500 มม. เพื่อการจัดแนวรอยต่อที่แม่นยำ |
Korea Ever-Power — ความสามารถในการจัดหาเฟืองและแร็คแบบเกลียว
บริษัท Ever-Power ของเกาหลี ผลิตแร็คเกลียวแบบจับคู่และ เฟืองเกลียว ชุดเฟืองตัวเล็กเป็นผลิตภัณฑ์มาตรฐาน ส่วนเฟืองตัวใหญ่ผลิตในขนาด M2–M20 มุมเกลียว β = 15–25° ความยาว 500–2000 มม. ต่อส่วน (เชื่อมต่อเป็นชิ้นเดียวต่อเนื่องกันด้วยข้อต่อเดือย) เฟืองเกลียว เฟืองตัวเล็กผลิตขึ้นในขนาดมาตรฐานครบทุกขนาด เฟืองเกลียว ขนาดต่างๆ พร้อมด้วย เฟืองเกลียว ความหนาของฟันระบุตามมาตรฐาน DIN 3967 คลาส g หรือ h สำหรับการใช้งานกำหนดตำแหน่ง ส่วนของแร็คและเฟืองตัวเล็กที่เข้าชุดกันจะถูกวัดร่วมกันเป็นชุด โดยตรวจสอบระยะห่างระหว่างฟันก่อนจัดส่ง (หมายเหตุ: ข้อความต้นฉบับไม่ชัดเจน จึงไม่ได้แปลความหมาย) ผู้ผลิตเฟืองเกลียวบริษัท Korea Ever-Power จัดเตรียมเอกสารทางวิศวกรรม ได้แก่ มุมเกลียว ระดับการคลายตัว ระดับความแม่นยำตามมาตรฐาน DIN และความสามารถในการรับแรงเชิงเส้น สำหรับชุดเฟืองและแร็คทุกชุด
คำถามที่พบบ่อย
ใช่ ถ้าหากระยะห่างของฐานยึดตรงกัน และเปลี่ยนเฟืองตัวเล็กพร้อมกันด้วยเฟืองตัวเล็กที่ตรงกัน เฟืองเกลียว เฟืองตรงและเฟืองตรงไม่สามารถใช้ร่วมกับเฟืองเกลียวและเฟืองเกลียวได้ เนื่องจากเกลียวของเฟืองต้องตรงกัน และฟันตรงจะไม่เข้ากันกับฟันเกลียวอย่างถูกต้อง ระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของเฟืองเกลียวและเฟืองตรงในโมดูลเดียวกันจะแตกต่างจากแบบตรง (เนื่องจากค่า cos β ในสูตรเส้นผ่านศูนย์กลางพิทช์) ดังนั้นตำแหน่งการติดตั้งมอเตอร์/เกียร์บ็อกซ์อาจต้องปรับแต่ง บริษัท Korea Ever-Power ยืนยันความเข้ากันได้ของขนาดสำหรับ เฟืองเกลียว การประยุกต์ใช้ในการปรับปรุงแก้ไขเป็นส่วนหนึ่งของการตรวจสอบใบเสนอราคา
แต่ละส่วนของแร็คผลิตขึ้นโดยมีรูปแบบรูเดือยที่ผ่านการกลึงอย่างแม่นยำที่ปลายแต่ละด้าน เมื่อเชื่อมต่อสองส่วนเข้าด้วยกัน เดือยจัดแนวในรางจะช่วยให้ระยะห่างของฟันที่จุดเชื่อมต่อเท่ากับระยะห่างของฟันภายในแต่ละส่วน โดยมีความคลาดเคลื่อนประมาณ ±1 ระยะห่าง สำหรับแกน CNC ที่มีความแม่นยำสูง ปลายข้อต่อของส่วนที่อยู่ติดกันจะถูกขัดเงาให้เป็นคู่ที่เข้ากันหลังจากประกอบบนแท่นเครื่อง เพื่อให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนระยะห่างของฟันที่ข้อต่อจะไม่ก่อให้เกิดการรบกวนความเร็วที่ตรวจจับได้เมื่อเฟืองตัวเล็กเคลื่อนที่ผ่านด้วยความเร็วสูง
ความเร็วสูงสุดที่ใช้งานได้จริงสำหรับแร็คเกลียวและ เฟืองเกลียว ระบบขับเคลื่อนเฟืองตัวเล็ก (pinion drive) มีความเร็วประมาณ 3–5 เมตร/วินาที (180–300 เมตร/นาที) สำหรับชุดเฟืองแร็คและเฟืองตัวเล็กที่ผ่านการเจียรแต่งมาตรฐานและมีการหล่อลื่นอย่างเหมาะสม หากความเร็วสูงกว่านี้ พลังงานจากการกระแทกของฟันเฟืองที่ความถี่การเข้าคู่กันจะสูงมากพอที่จะทำให้เกิดการสึกหรอเร็วขึ้น แม้ว่าจะมีการควบคุมระยะห่างระหว่างฟันเฟืองอย่างแน่นหนาแล้วก็ตาม ระบบขับเคลื่อนไฮดรอลิกและมอเตอร์เชิงเส้นมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเฟืองแร็คและเฟืองตัวเล็กที่ความเร็วมากกว่า 5 เมตร/วินาที สำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง สำหรับระบบขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของเครนแบบโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ต้องการความแม่นยำต่ำกว่า ความเร็วของเฟืองแร็คและเฟืองตัวเล็กแบบเกลียวที่ 1–2 เมตร/วินาที ถือเป็นมาตรฐาน
ไดรฟ์แร็คเกลียวแบบเปิดที่มีส่วนประกอบที่มองเห็นได้ เฟืองเกลียว เฟืองตัวเล็ก (ที่ไม่ได้อยู่ในกล่องเกียร์) จะได้รับการหล่อลื่นด้วยจาระบีหรือละอองน้ำมันที่ฉีดพ่นลงบนฟันเฟืองเป็นระยะๆ สำหรับแกนเครื่องมือกล CNC ที่มี เฟืองเกลียว สำหรับเฟืองขับ ระบบหล่อลื่นอัตโนมัติจะจ่ายน้ำมันเกียร์ ISO VG 460 หรือ VG 680 (น้ำมันหรือจาระบีชนิดกระเด็นน้อย) ไปยังฟันเฟืองตามช่วงเวลาที่ตั้งโปรแกรมได้ โดยทั่วไปทุกๆ 30-60 นาทีของการเคลื่อนที่ของแกน สำหรับเฟืองขับของเครนยกกลางแจ้ง จะใช้จาระบีเกียร์แบบเปิด NLGI เกรด 1 หรือ 2 ที่มีสารเติมแต่งเพื่อยึดเกาะ (เพื่อต้านทานการกระเด็นออกเนื่องจากแรงเหวี่ยงที่วงกลมพิตช์ของเฟืองขับ) ทุกวันหรือผ่านระบบหล่อลื่นอัตโนมัติ สารหล่อลื่นต้องเข้าถึงบริเวณด้านข้างของฟันเฟืองที่ใช้งานอยู่ หากใช้เฉพาะด้านบนของเฟือง อาจไม่ถึงเส้นพิตช์ที่เกิดการสัมผัส
ระบุรายละเอียดระบบขับเคลื่อนเฟืองและแร็คแบบเกลียวของคุณ
โปรดระบุแรงเชิงเส้น ความเร็วในการเคลื่อนที่ ระยะชัก ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่ง และประเภทการใช้งานที่ต้องการ บริษัท Korea Ever-Power จะเลือกโมดูล มุมเกลียว ระดับความแม่นยำ และวิธีแก้ปัญหาการคลายตัวที่เหมาะสมที่สุด พร้อมทั้งตรวจสอบความสามารถในการรับแรงเชิงเส้น ความราบรื่นของความเร็ว และความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งก่อนเริ่มการผลิต
M2–M20 · β = 15–25° · DIN 5–8 · ชุดเฟืองแร็คและเฟืองปีกนกที่เข้าคู่กัน · เฟืองปีกนกแบบป้องกันการคลายตัว · การใช้งานกับเครื่อง CNC และเครน
บรรณาธิการ: Cxm
