เหตุใดเฟืองเกลียวจึงมีแรงผลักตามแนวแกน? คำอธิบายทางวิศวกรรมอย่างละเอียด

แรงผลักตามแนวแกนของเฟืองเกลียวเป็นหนึ่งในหัวข้อทางวิศวกรรมที่นักออกแบบระบบขับเคลื่อนด้วยเฟืองถามถึงมากที่สุด ไม่ใช่เพราะมันซับซ้อน แต่เพราะที่มาของมันในรูปทรงของฟันเฟือง ทิศทางที่สัมพันธ์กับทิศทางของเกลียว และผลกระทบต่อการเลือกใช้ตลับลูกปืนนั้น จำเป็นต้องเข้าใจไปพร้อมกัน บทความนี้ครอบคลุมทั้งสามประเด็น พร้อมตัวอย่างเชิงตัวเลขที่แสดงวิธีทำ และวิธีแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่ได้รับการพิสูจน์แล้วสามวิธี

ปรึกษาเรื่องการเลือกตลับลูกปืนสำหรับไดรฟ์ของคุณ →

คำตอบโดยย่อ — เหตุใดจึงเกิดแรงผลักตามแนวแกน

ฟันเฟืองเดือยขนานกับแกนเพลา — แรงสัมผัสระหว่างฟันเฟืองจึงกระทำเฉพาะในระนาบการหมุนเท่านั้น (ส่วนประกอบในแนวสัมผัสและแนวรัศมี ส่วนประกอบในแนวแกนเป็นศูนย์) เฟืองเกลียว ฟันเฟืองเอียงทำมุม β กับแกนเพลา เมื่อฟันเฟืองส่งผ่านแรง แรงสัมผัสตามแนวฟันเฟืองที่เอียงจะทำมุม β จากระนาบขวาง และส่วนประกอบของแรงนี้ที่แยกออกมาตามแนวแกนเพลาคือแรงผลักตามแนวแกน ยิ่งมุมเกลียว β มีขนาดใหญ่เท่าใด แรงผลักตามแนวแกนก็จะยิ่งมากขึ้นเมื่อเทียบกับแรงสัมผัสที่ส่งผ่าน

ฟิสิกส์ — การวิเคราะห์แรงบนฟันเกลียว

ณ จุดเอียงของ เฟืองเกลียว ภายใต้แรงบิดที่ส่งผ่าน T จะมีแรงสามส่วนที่ตั้งฉากกันกระทำต่อบริเวณสัมผัสของฟันเฟือง:

ส่วนประกอบของแรง เครื่องหมาย สูตร ทิศทาง การกระทำต่อ
แรงสัมผัส เอฟ_ที F_t = 2T / d = 2T cos β / (M_n × z) เส้นสัมผัสกับวงกลมพิตช์ ตั้งฉากกับแกนเพลา ทำหน้าที่ส่งแรงบิด ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่ "มีประโยชน์"
แรงรัศมี เอฟอาร์ F_r = F_t × ตาล α_n / cos β แผ่ออกไปด้านนอกจากเส้นศูนย์กลางของเพลา แยกเฟืองทั้งสองออกจากกัน — รับภาระที่แบริ่งรัศมี
แรงผลักตามแนวแกน เอฟ_เอ F_a = F_t × tan β ขนานกับแกนเพลา — ต้นเหตุของปัญหา ตลับลูกปืนรับแรงผลักต้องรับแรงโดยตัวเรือน

สูตรแรงผลักตามแนวแกน F_a = F_t × tan β คือความสัมพันธ์ที่สำคัญ โปรดสังเกตว่า:

  • ที่ β = 0° (เฟืองตรง): tan 0° = 0 ดังนั้น F_a = 0 เฟืองตรงมีแรงผลักตามแนวแกนเป็นศูนย์ ปัญหาแรงผลักตามแนวแกนทุกอย่างกับ เฟืองเกลียว สุดท้ายแล้ว สาเหตุหลักมาจากมุมเกลียวที่ไม่เป็นศูนย์
  • ที่ β = 15°: F_a = F_t × tan 15° = 0.268 × F_t — แรงผลักตามแนวแกนคือ 27% ของแรงสัมผัส
  • ที่ β = 25°: F_a = F_t × tan 25° = 0.466 × F_t — แรงผลักตามแนวแกนคือ 47% ของแรงสัมผัส
  • ที่ β = 35°: F_a = F_t × tan 35° = 0.700 × F_t — แรงผลักตามแนวแกนเกือบเท่ากับแรงที่ส่งผ่าน

ตัวอย่างการคำนวณเชิงตัวเลข — การคำนวณแรงผลักตามแนวแกนของเฟืองเกลียว

ที่ให้ไว้: เฟืองเกลียว ข้อมูลจำเพาะของไดรฟ์

โมดูลปกติ M_n = 5
จำนวนฟัน z₁ = 24 (เฟืองตัวเล็ก), z₂ = 72 (เฟืองตัวใหญ่)
มุมเกลียว β = 25°
มุมความดันปกติ α_n = 20°
กำลังส่ง P = 75 กิโลวัตต์
ความเร็วของเฟืองตัวเล็ก n₁ = 1500 รอบต่อนาที

ขั้นตอนที่ 1: ระยะห่างระหว่างเกลียวของเฟืองตัวเล็ก

d₁ = M_n × z₁ / cos β = 5 × 24 / cos 25° = 120 / 0.906 = 132.4 มม.

ขั้นตอนที่ 2: แรงบิดที่ส่งผ่านไปยังเฟืองตัวเล็ก

T₁ = 9550 × P / n₁ = 9550 × 75 / 1500 = 477.5 N·m

ขั้นตอนที่ 3: แรงสัมผัส

F_t = 2T₁ / d₁ = 2 × 477,500 / 132.4 = 7,213 N

ขั้นตอนที่ 4: แรงผลักตามแนวแกน

F_a = F_t × tan β = 7,213 × tan 25° = 7,213 × 0.466 = 3,361 N

ขั้นตอนที่ 5: แรงแยกในแนวรัศมี

F_r = F_t × tan α_n / cos β = 7,213 × tan 20° / cos 25° = 7,213 × 0.364 / 0.906 = 2,898 N

สรุป: ตลับลูกปืนเฟืองต้องรองรับสิ่งต่อไปนี้:

แรงรัศมี F_r = 2,898 N + ส่วนประกอบน้ำหนักของเฟือง (ทิศทางรัศมี)
แรงสัมผัส F_t = 7,213 N (และยังส่งผลต่อแบริ่งรัศมีผ่านการดัดงอของเพลาด้วย)
แรงผลักตามแนวแกน F_a = 3,361 N (ต้องใช้ตลับลูกปืนแบบสัมผัสเชิงมุมหรือตลับลูกปืนลูกกลิ้งเรียวที่ปลายด้านหนึ่ง)

ทิศทางของแรงผลักตามแนวแกน — เกลียวขวาเทียบกับเกลียวซ้าย

เฟืองเกลียวเดี่ยวและเฟืองก้างปลาเกลียวคู่ แสดงทิศทางแรงผลักตามแนวแกนสำหรับการจัดเรียงเกลียวขวาและเกลียวซ้าย และวิธีที่เฟืองก้างปลาหักล้างแรงผลักทั้งสองแบบ

ทิศทางของแรงผลักตามแนวแกนขึ้นอยู่กับทิศทางของเกลียวและบทบาทของเฟือง (ตัวขับหรือตัวตาม) เฟืองเกลียวเดี่ยว (ซ้าย) สร้างแรงผลักที่ไม่สมดุล เฟืองก้างปลาเกลียวคู่ (ขวา) สร้างแรงผลักที่ตรงข้ามกันซึ่งหักล้างกันภายในจนได้แรงตามแนวแกนสุทธิเป็นศูนย์

ทิศทางของแรงผลักตามแนวแกนไปตามเพลา (ไปทางปลายด้านใดด้านหนึ่งของเพลา) ขึ้นอยู่กับสองปัจจัย: ว่าเฟืองเป็นแบบเกลียวขวาหรือเกลียวซ้าย และว่าเฟืองนั้นเป็นตัวขับ (รับแรงบิด) หรือตัวถูกขับ (ส่งแรงบิด) กฎมีดังนี้:

มือเกลียว เกียร์โรล ทิศทางการหมุน (มองจากด้านมอเตอร์) ทิศทางแรงผลักตามแนวแกน
มือขวา (RH) ตัวขับ (เฟืองเล็ก) ตามเข็มนาฬิกา ไปทางซ้าย (ห่างจากเครื่องยนต์)
มือขวา (RH) ตัวขับ (เฟืองเล็ก) ทวนเข็มนาฬิกา ไปทางขวา (ไปทางด้านเครื่องยนต์)
มือซ้าย (LH) ตัวขับ (เฟืองเล็ก) ตามเข็มนาฬิกา ไปทางขวา (ไปทางด้านเครื่องยนต์)
มือซ้าย (LH) ตัวขับ (เฟืองเล็ก) ทวนเข็มนาฬิกา ไปทางซ้าย (ห่างจากเครื่องยนต์)
หลักปฏิบัติ (วิธี “สกรูมือขวา”): ชี้ปลายนิ้วมือขวาของคุณไปในทิศทางของการหมุนและงอนิ้ว – นิ้วโป้งของคุณจะชี้ไปในทิศทางของแรงผลักตามแนวแกนสำหรับเฟืองเกลียวขวาที่ทำหน้าที่เป็นตัวขับ สำหรับเฟืองเกลียวซ้าย ให้ใช้มือซ้ายของคุณ เฟืองที่ประกบกัน (ตัวขับ) มีเกลียวตรงข้ามกัน ดังนั้นจึงสร้างแรงผลักในทิศทางตรงกันข้าม – แรงผลักของเฟืองทั้งสองจะอยู่ห่างจากกันบนเพลาของแต่ละตัว

มุมเกลียวมีผลต่อแรงผลักตามแนวแกนอย่างไร — วัดได้ในเชิงปริมาณ

มุมเกลียว β แทน β เอฟ_เอ / เอฟ_ที ความสามารถในการรับแรงตามแนวแกนของแบริ่งที่ต้องการ อัตราส่วนการติดต่อ ε_γ ผลประโยชน์
0° (เดือย) 0 ศูนย์ ลูกบอลร่องลึกเพียงพอแล้ว ไม่มีประโยชน์
0.140 14% หน้าสัมผัสเชิงมุมมาตรฐาน แรงกดล่วงหน้าเบา ลดเสียงรบกวนได้เล็กน้อย
15° 0.268 27% หน้าสัมผัสเชิงมุม C15 หรือลูกกลิ้งเรียว ช่วยลดเสียงรบกวนและลดภาระได้อย่างมาก
20° 0.364 36% หน้าสัมผัสเชิงมุมได้รับการจัดอันดับสำหรับรับน้ำหนักรวม ข้อกำหนดมาตรฐานสำหรับยานยนต์/เครื่อง CNC
25° 0.466 47% ลูกกลิ้งเรียวหรือหน้าสัมผัสเชิงมุมคู่ ประโยชน์จากอัตราส่วนการติดต่อเต็มรูปแบบ
30° 0.577 58% ลูกกลิ้งเรียวหนาหรือโครงสร้างเกลียวคู่ ประโยชน์สูงสุดของเกลียวเดี่ยว
35° 0.700 70% แนะนำอย่างยิ่งให้ใช้เกลียวคู่ ช่วงขนาดสำหรับเรือเดินทะเล/กองทัพเรือ

ผลลัพธ์เชิงปฏิบัติจากตารางนี้คือ แรงผลักตามแนวแกนจะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าที่คาดการณ์ไว้เมื่อมุมเกลียวเพิ่มขึ้น ระหว่าง β = 15° และ β = 25° ซึ่งเป็นช่วงการออกแบบทั่วไปในอุตสาหกรรม เฟืองเกลียว — แรงผลักตามแนวแกนเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่า (จาก 27% เป็น 47% ของ F_t) ในขณะที่ประโยชน์ด้านการลดเสียงรบกวนนั้นค่อนข้างน้อย นักออกแบบที่เพิ่มมุมเกลียวเกิน 25° โดยเฉพาะเพื่อลดเสียงรบกวนมากขึ้น ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแบริ่งรับแรงผลักที่มุมนี้ยังคงอยู่ในขีดความสามารถของแบริ่งสัมผัสเชิงมุมมาตรฐานก่อนที่จะระบุการเปลี่ยนแปลง

สามวิธีแก้ปัญหาทางวิศวกรรมสำหรับแรงขับตามแนวแกนของเฟืองเกลียว

วิธีแก้ปัญหาที่ 1 — ตลับลูกปืนแบบสัมผัสเชิงมุมหรือตลับลูกปืนลูกกลิ้งเรียว

วิธีแก้ปัญหาที่ง่ายที่สุดและพบได้บ่อยที่สุด ตลับลูกปืนแบบสัมผัสเชิงมุม (มุมสัมผัส 15°, 25° หรือ 40°) สามารถรับแรงทั้งในแนวรัศมีและแนวแกนพร้อมกันได้ สำหรับ... เฟืองเกลียว เพลา ปลายด้านหนึ่งของเพลามีตลับลูกปืนแบบสัมผัสเชิงมุมสองตัวประกบกัน ซึ่งรับแรงผลักตามแนวแกนในทิศทางเดียว ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งมีตลับลูกปืนแบบร่องลึก (รับแรงเฉพาะแนวรัศมี) เพื่อรองรับการขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเพลา นี่คือการจัดเรียงตลับลูกปืนมาตรฐานสำหรับเครื่องจักรส่วนใหญ่ เฟืองเกลียว ขับเคลื่อนที่ β = 15–25° ผลกระทบด้านต้นทุน: ตลับลูกปืนแบบสัมผัสเชิงมุมมีราคาประมาณ 1.5–2.5 เท่าของตลับลูกปืนเม็ดกลมร่องลึกที่มีขนาดรูเท่ากัน ซึ่งเป็นราคาที่สูงขึ้นเล็กน้อยแต่คุ้มค่าอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงประโยชน์ด้านเสียงรบกวนและความสามารถในการรับน้ำหนักของมุมเกลียว

วิธีแก้ปัญหาที่ 2 — กลไกเกลียวคู่ตรงข้ามแบบขับเคลื่อนหลายขั้นตอนคู่ขนาน

ในขั้นตอนที่ 2 หรือ 3 เฟืองเกลียว ในชุดเกียร์ทดรอบ การกำหนดเกลียวขวาในขั้นแรกและเกลียวซ้ายในขั้นที่สอง จะสร้างแรงผลักตามแนวแกนที่เท่ากันและตรงข้ามกันบนเพลาตัวกลาง ซึ่งเป็นเพลาที่รองรับเฟืองขับในขั้นแรกและเฟืองขับในขั้นที่สองบนเพลาเดียวกัน หากอัตราส่วนของทั้งสองขั้นใกล้เคียงกัน แรงผลักตามแนวแกนจะหักล้างกันบางส่วน และตลับลูกปืนของเพลาตัวกลางจะต้องรับแรงเพียงส่วนต่างเท่านั้น เทคนิคการออกแบบ "การหักล้างแรงผลักในขั้นคู่ขนาน" นี้เป็นเทคนิคที่คุ้มค่า ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการใช้ตลับลูกปืนรับแรงผลักสำหรับงานหนักบนเพลาตัวกลาง ในขณะที่ยังคงรักษาข้อดีด้านเสียงรบและอัตราส่วนการสัมผัสของเฟืองเกลียวในทั้งสองขั้นไว้ได้อย่างเต็มที่

วิธีแก้ปัญหาที่ 3 — การจัดเรียงแบบเกลียวคู่ (ก้างปลา)

เฟืองก้างปลาแบบเกลียวคู่เป็นวิธีแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่ช่วยขจัดแรงผลักตามแนวแกนของเฟืองเกลียวได้อย่างสมบูรณ์ โดยการสร้างแรงตามแนวแกนที่เท่ากันและตรงข้ามกันในแต่ละครึ่งเกลียว ซึ่งจะหักล้างกันที่ตัวเฟือง

เฟืองก้างปลาแบบเกลียวคู่ — โซลูชันทางวิศวกรรมที่สมบูรณ์แบบสำหรับแรงผลักตามแนวแกนของเฟืองเกลียว ส่วนเกลียวที่ตรงข้ามกันจะสร้างแรง F_a ที่เท่ากันและตรงข้ามกัน ซึ่งจะหักล้างกันที่ตัวเฟือง ทำให้ไม่มีแรงตามแนวแกนสุทธิบนเพลาสำหรับมุมเกลียวใดๆ

เฟืองเกลียวคู่ (ก้างปลา) มีส่วนเกลียวสองส่วน คือส่วนขวาและส่วนซ้าย ที่มีความกว้างหน้าตัดเท่ากันบนตัวเฟืองเดียวกัน แรงผลักตามแนวแกนจากส่วนขวาจะถูกหักล้างอย่างพอดีด้วยแรงผลักตามแนวแกนที่เท่ากันและตรงข้ามกันจากส่วนซ้าย แรงตามแนวแกนสุทธิบนเพลาเป็นศูนย์ ไม่ว่ามุมเกลียวจะเป็นเท่าใดก็ตาม ทำให้สามารถใช้มุมเกลียวขนาดใหญ่มาก (β = 30–45°) เพื่อให้ได้อัตราส่วนการสัมผัสสูงสุดและเสียงรบกวนน้อยที่สุดโดยไม่มีแรงผลักตามแนวแกนที่เพลา ข้อเสียคือความซับซ้อนในการผลิต: ร่องระบายตรงกลาง การกัดเฟืองแบบจับคู่ และข้อจำกัดในการเข้าถึงการเจียร ทำให้ต้นทุนต่อหน่วยของเฟืองเพิ่มขึ้น 25–601 ตัน เมื่อเทียบกับเฟืองเกลียวเดี่ยวที่มีความจุเท่ากัน ดูเพิ่มเติม เฟืองเกลียวคู่ สำหรับข้อมูลทางวิศวกรรมการออกแบบก้างปลาโดยละเอียด

แรงผลักตามแนวแกนก่อให้เกิดปัญหาในทางปฏิบัติเมื่อใด?

ที่สุด เฟืองเกลียว ระบบขับเคลื่อนสามารถรับแรงผลักตามแนวแกนได้โดยไม่มีปัญหาตลอดอายุการใช้งานตามที่ออกแบบไว้ กรณีที่แรงผลักตามแนวแกนก่อให้เกิดปัญหาในการทำงาน ได้แก่:

การเลือกขนาดตลับลูกปืนกันรุนที่เล็กเกินไป

สาเหตุหลักที่พบบ่อยที่สุดของการชำรุดของแบริ่งรับแรงดันก่อนกำหนดคือ... เฟืองเกลียว ในระบบขับเคลื่อน ผู้ออกแบบระบุตลับลูกปืนแบบสัมผัสเชิงมุมที่มีขนาดเหมาะสมกับแรงในแนวรัศมีของเฟืองเท่านั้น โดยมองข้าม F_a = F_t × tan β ที่ β = 25° หมายความว่าตลับลูกปืนกันรุนมีค่าต่ำกว่าความเป็นจริงด้วยปัจจัย tan 25° = 0.47 ซึ่งเกือบครึ่งหนึ่งของภาระรวมที่แท้จริงไม่ได้ถูกนำมาพิจารณา ในชุดเกียร์หลายขั้นตอนที่แต่ละเพลามีทั้งตัวขับและตัวตาม เฟืองเกลียวแรงตามแนวแกนสุทธิของเพลาคือผลรวมเวกเตอร์ของแรงผลักของเฟืองทั้งสอง ซึ่งอาจเสริมกันหรือหักล้างกันบางส่วน ขึ้นอยู่กับการเลือกทิศทางเกลียว

ส่วนประกอบปลายทางที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลง

ตลับลูกปืนแกนหมุนของเครื่องบดลูกบอล ตลับลูกปืนเพลาใบพัดเรือ ตลับลูกปืนแกนหมุนของเครื่องเหวี่ยง และตลับลูกปืนหัวจับของเครื่องรีดเกลียว ถูกออกแบบมาเป็นตลับลูกปืนรัศมีที่มีความสามารถในการรับแรงตามแนวแกนเป็นศูนย์หรือจำกัดมาก หากตลับลูกปืนเดี่ยว เฟืองเกลียว เมื่อกลไกเหล่านี้ทำงาน แรงผลักตามแนวแกนของมันจะส่งผลต่อแบริ่งด้านท้ายในทิศทางที่ไม่พึงประสงค์ วิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้องคือการใช้เฟืองเกลียวคู่หรือติดตั้งแบริ่งรับแรงผลักระหว่างเพลาเฟืองกับกลไกที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลง

การกลับทิศทางแรงขับ

ในระบบยกเครนและระบบขับเคลื่อนแบบกลับทิศทางนั้น เฟืองเกลียว ต้องส่งแรงบิดในทั้งสองทิศทาง เมื่อการหมุนกลับทิศทาง ทิศทางของแรงผลักตามแนวแกนก็จะกลับทิศทางเช่นกัน — ตลับลูกปืนที่เคยรับแรงอัดจะกลายเป็นตลับลูกปืนรับแรงดึง การจัดเรียงตลับลูกปืนต้องรองรับแรงตามแนวแกนแบบสองทิศทาง ตลับลูกปืนแบบสัมผัสเชิงมุมคู่เดียวที่วางประกบกันจะรับมือกับสิ่งนี้ได้อย่างถูกต้อง แต่ตลับลูกปืนแบบคู่ที่หันทิศทางเดียวกันทั้งสองข้างจะรับมือไม่ได้

Korea Ever-Power — บริการให้คำปรึกษาเกี่ยวกับการจัดวางตลับลูกปืนสำหรับงานเฟืองเกลียว

เฟืองเกลียวเจียรละเอียดต้องใช้ตลับลูกปืนรับแรงผลักที่ระบุไว้อย่างถูกต้องเพื่อดูดซับแรงผลักตามแนวแกนจากมุมเกลียวตลอดอายุการใช้งานตามที่ออกแบบไว้

เจียระไนอย่างแม่นยำโดย HÖFLER เฟืองเกลียว — แรงผลักตามแนวแกนจากมุมเกลียวจะต้องถูกดูดซับโดยระบบแบริ่งที่มีพิกัดเหมาะสม ซึ่งจะต้องกำหนดขนาดตั้งแต่ขั้นตอนการเสนอราคา ไม่ใช่มาพบหลังจากประกอบและติดตั้งเกียร์แล้ว

ทีมวิศวกรรมของ Korea Ever-Power ตรวจสอบข้อกำหนดการจัดวางตลับลูกปืนเป็นส่วนหนึ่งของทุกขั้นตอน เฟืองตัดเกลียว คำสั่งซื้อ — เพื่อยืนยันค่า F_a ที่ถูกต้อง ทิศทางแรงผลัก และคำแนะนำประเภทแบริ่ง เพื่อให้นักออกแบบเกียร์ของลูกค้ามีข้อมูลที่จำเป็นก่อนที่จะระบุรายละเอียดของตัวเรือนและแบริ่ง โดยตรง ผู้ผลิตเฟืองเกลียวบริษัท Korea Ever-Power ไม่เพียงแต่จัดหา... เฟืองเกลียว ตัวข้อมูลแรงทั้งหมด—F_t, F_r, F_a พร้อมเวกเตอร์ทิศทาง—เป็นสิ่งที่วิศวกรออกแบบตัวเรือนเกียร์และแบริ่งต้องการเพื่อใช้ในการออกแบบให้เสร็จสมบูรณ์

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดเฟืองตรงจึงไม่มีแรงผลักตามแนวแกน ในขณะที่เฟืองเฉียงมี?

ฟันเฟืองเดือยขนานกับแกนเพลา (มุมเกลียว β = 0°) แรงสัมผัส ณ จุดใดๆ บนฟันเฟืองเดือยจะอยู่ในระนาบขวางทั้งหมด — ไม่มีส่วนประกอบของแรงในทิศทางตามแนวแกน ดังนั้นจึงไม่เกิดแรงผลักตามแนวแกน เฟืองเกลียว ฟันเฟืองเอียงทำมุม β และแรงสัมผัสที่ผิวฟันเฟืองที่เอียงนั้นมีส่วนประกอบที่แยกย่อยตามแกนเพลา: F_a = F_t × tan β นี่คือเหตุผลทางเรขาคณิตพื้นฐาน: ฟันเฟืองที่เอียงจะแปลงแรงสัมผัสที่ส่งผ่านบางส่วนให้เป็นส่วนประกอบตามแนวแกน ในขณะเดียวกันก็กระจายแรงสัมผัสไปตามแนวเส้นสัมผัสทแยงมุมที่ยาวขึ้น ซึ่งให้ประโยชน์ทั้งหมดของรูปทรงเกลียวในด้านการลดเสียงรบกวนและความสามารถในการรับน้ำหนัก

อัตราทดเกียร์มีผลต่อแรงขับตามแนวแกนหรือไม่?

ไม่โดยตรง สูตรแรงผลักตามแนวแกน F_a = F_t × tan β ขึ้นอยู่กับแรงสัมผัส F_t (กำหนดโดยแรงบิดที่ส่งผ่าน T และเส้นผ่านศูนย์กลางพิทช์ d) และมุมเกลียว β อัตราทดเกียร์ i = z₂/z₁ ส่งผลต่อการแบ่งแรงบิดระหว่างเฟืองตัวเล็กและเฟืองตัวใหญ่: แรงบิดของเฟืองคือ T₂ = T₁ × i และเส้นผ่านศูนย์กลางพิทช์ของเฟืองคือ d₂ = d₁ × i ดังนั้นแรงสัมผัสของเฟือง F_t₂ = 2T₂/d₂ = 2T₁i/(d₁i) = F_t₁ — แรงสัมผัสบนเฟืองตัวเล็กและเฟืองตัวใหญ่มีขนาดเท่ากันและทิศทางตรงข้าม (กฎข้อที่สามของนิวตัน) ดังนั้นแรงผลักตามแนวแกนบนเพลาเฟืองตัวเล็กและเพลาเฟืองตัวใหญ่จึงมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้าม โดยไม่ขึ้นอยู่กับอัตราทดเกียร์

สามารถลดแรงผลักตามแนวแกนของเฟืองเกลียวเดี่ยวได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนไปใช้เฟืองเกลียวคู่หรือไม่?

ใช่แล้ว การลดมุมเกลียว β จะทำให้ F_a ลดลง F_a = F_t × tan β หมายความว่าค่า β ที่น้อยลงจะลด F_a ลงโดยตรง อย่างไรก็ตาม การลด β ก็จะลดประโยชน์ด้านเสียงรบกวนและความสามารถในการรับน้ำหนักลงด้วย เฟืองเกลียว ข้อดีของการใช้เฟืองแบบเกลียวแปรผันตามมุมเกลียว มุมเกลียวขั้นต่ำที่ใช้งานได้จริงเพื่อลดเสียงรบกวนอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับเฟืองตรงคือประมาณ β = 8–10° ค่าประนีประนอมทั่วไปในอุตสาหกรรม — β = 15–25° — ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อสร้างสมดุลระหว่างข้อดีด้านเสียงรบกวนและอัตราส่วนการสัมผัส กับข้อเสียด้านแรงผลักตามแนวแกน ที่ β ต่ำกว่า 15° แรงผลักจะน้อย แต่ข้อดีก็เช่นกัน ที่ β สูงกว่า 25° ข้อดีจะสูงสุด แต่ความต้องการตลับลูกปืนรับแรงผลักจะสูงขึ้นอย่างมาก

ควรใช้ตลับลูกปืนชนิดใดในการรับแรงผลักตามแนวแกนของเฟืองเกลียว?

สำหรับ เฟืองเกลียว สำหรับเพลาขับที่มีมุมสัมผัส β = 15–25° วิธีแก้ปัญหามาตรฐานคือการใช้ตลับลูกปืนเม็ดกลมสัมผัสเชิงมุมแบบคู่ที่จัดเรียงแบบกลับด้าน (DB) หรือตลับลูกปืนลูกกลิ้งเรียวเดี่ยว สำหรับ β = 25–35° จะใช้ตลับลูกปืนลูกกลิ้งเรียวสำหรับงานหนักหรือตลับลูกปืนสัมผัสเชิงมุมแบบคู่ ตลับลูกปืนต้องมีขนาดที่เหมาะสมกับภาระรวมในแนวรัศมีและแนวแกนโดยใช้การคำนวณภาระเทียบเท่าแบบไดนามิกของผู้ผลิตตลับลูกปืน: P = X × F_r + Y × F_a (โดยที่ X และ Y คือปัจจัยภาระในแนวรัศมีและแนวแกนสำหรับประเภทตลับลูกปืนและมุมสัมผัสที่เลือก) นอกจากนี้ ตลับลูกปืนต้องระบุว่าเป็นตลับลูกปืน "ประจำที่" — ตลับลูกปืนอีกตัวบนเพลาเป็นตลับลูกปืน "ลอยตัว" ที่สามารถเคลื่อนที่ในแนวแกนเพื่อรองรับการขยายตัวจากความร้อนและหลีกเลี่ยงการยึดติดมากเกินไป

จะเกิดอะไรขึ้นหากไม่พิจารณาแรงผลักตามแนวแกนของเฟืองเกลียวในการเลือกแบริ่ง?

ความเสียหายของตลับลูกปืนก่อนกำหนด — โดยทั่วไปจะเกิดขึ้นภายในไม่กี่เดือนถึงหนึ่งปีหลังจากการใช้งานครั้งแรก แทนที่จะเป็นอายุการใช้งาน L10 ที่ออกแบบไว้ 50,000–100,000 ชั่วโมง ลักษณะความเสียหายขึ้นอยู่กับชนิดของตลับลูกปืนที่ระบุไว้: ตลับลูกปืนเม็ดกลมร่องลึกที่ไม่มีความสามารถในการรับแรงตามแนวแกนจะเสียหายอย่างรวดเร็วเนื่องจากการแตกหักของกรงและการลื่นไถลของเม็ดลูกปืนจากการรับแรงตามแนวแกนที่ไม่คาดคิด; ตลับลูกปืนสัมผัสเชิงมุมที่มีขนาดเล็กเกินไปจะเสียหายเนื่องจากการรับแรงเกินพิกัดจนเกิดการกัดกร่อนของร่องวิ่งและในที่สุดก็เกิดการหลุดร่อน ในทั้งสองกรณี ความเสียหายจะปรากฏเป็น "ความเสียหายของตลับลูกปืน" และมักได้รับการวินิจฉัยผิดว่าเป็นปัญหาการหล่อลื่นหรือการติดตั้ง แทนที่จะเป็นสาเหตุที่แท้จริง: การเลือกตลับลูกปืนที่ไม่ถูกต้องสำหรับ เฟืองเกลียว แรงผลักตามแนวแกนที่มุมเกลียวที่กำหนด

ต้องการคำนวณแรงผลักตามแนวแกนสำหรับชุดขับเฟืองเกลียวของคุณหรือไม่?

Korea Ever-Power ให้ข้อมูลแรงที่สมบูรณ์แบบ — F_t, F_r, F_a พร้อมเวกเตอร์ทิศทาง — สำหรับชุดเฟืองเกลียวทุกแบบ ช่วยให้วิศวกรด้านตลับลูกปืนและตัวเรือนของคุณมีข้อมูลที่จำเป็นในการกำหนดรูปแบบตลับลูกปืนรับแรงขับได้อย่างถูกต้อง ส่งความต้องการด้านกำลัง ความเร็ว และมุมเกลียวของคุณมาได้เลย

F_t · F_r · F_a · เวกเตอร์ทิศทาง · คำแนะนำเกี่ยวกับแบริ่ง · เป็นมาตรฐานในทุกการสั่งซื้อ · ขั้นต่ำในการสั่งซื้อ 1 ชิ้น

บรรณาธิการ: Cxm