Apakah Nisbah Sentuhan Gear?

Time : 2025-09-05

Pemindahan kuasa melalui gear merupakan salah satu kaedah pemindahan mekanikal yang paling asas dan meluas penggunaannya, di mana prestasinya secara langsung menentukan kebolehpercayaan operasi, kecekapan, dan jangka hayat peralatan mekanikal. Di antara metrik prestasi utama sistem gear, Nisbah Sentuhan (CR) muncul sebagai penunjuk kritikal untuk menilai kelancaran pemindahan kuasa. Ia mempunyai pengaruh yang menentukan terhadap getaran, kebisingan, keupayaan membawa beban, dan ketepatan pemindahan. Artikel ini menyelami konsep-konsep utama, prinsip pengiraan, strategi reka bentuk, dan aplikasi praktikal kejuruteraan bagi nisbah sentuhan gear, serta memberikan panduan yang boleh diaplikasikan kepada jurutera dan praktik profesional.

1. Konsep Utama dan Kepentingan Nisbah Sentuh

1.1 Takrifan Nisbah Sentuh

Nisbah Sentuh (CR) ditakrifkan sebagai purata bilangan pasangan gigi yang terlibat secara serentak semasa penggigian gear. Secara geometri, ia mewakili nisbah panjang garisan penggigian sebenar kepada jarak asas (jarak antara titik-titik sepadan pada gigi bersebelahan di sepanjang bulatan asas). CR yang melebihi 1 adalah merupakan prasyarat bagi penghantaran gear yang berterusan —ia memastikan pasangan gigi seterusnya memasuki penggigian sebelum pasangan sebelumnya berhenti, seterusnya menghilangkan gangguan penghantaran.

1.2 Maksud Fizikal Nisbah Sentuh

Nisbah sentuh secara langsung mengawal ciri-ciri prestasi utama sistem gear:

Kelicinan Penghantaran : Nisbah CR yang lebih tinggi bermaksud lebih banyak gigi berkongsi beban secara serentak, mengurangkan fluktuasi beban setiap gigi dan meningkatkan kestabilan transmisi.
Kawalan Getaran dan Kebisingan : Nisbah CR yang mencukupi meminimumkan hentaman semasa gigi bersambung dan berasingan, seterusnya mengurangkan amplitud getaran dan tahap kebisingan.
Keupayaan Membawa Beban : Beban yang diagihkan kepada beberapa gigi mengurangkan tekanan pada setiap gigi secara individu, memanjangkan jangka hayat gear.
Kejituan Transmisi : Mengekalkan pemindahan pergerakan secara berterusan, mengurangkan ralat kedudukan dalam aplikasi yang memerlukan kejituan.

1.3 Pengelasan Nisbah Sentuhan

Nisbah sentuhan dikelaskan berdasarkan ciri struktur gear dan arah permeshan:

Nisbah Sentuhan Melintang (εα) : Dikira di satah akhir (satah jejari) gear, boleh digunakan untuk kedua-dua gear lurus dan gear heliks.
Nisbah Sentuhan Muka (εβ) : Khusus untuk gear heliks, ianya mengambil kira kekacauan sepanjang arah paksi (lebar gigi) disebabkan oleh sudut heliks.
Nisbah Sentuhan Jumlah (εγ) : Jumlah bagi nisbah sentuhan melintang dan nisbah sentuhan muka (εγ = εα + εβ), yang sepenuhnya mencerminkan prestasi kekacauan gear heliks.

2. Prinsip Pengiraan untuk Jenis Gear Berbeza

2.1 Pengiraan Nisbah Sentuhan Gear Lurus

Gear lurus hanya bergantung kepada nisbah sentuhan melintang (εα), dikira melalui tiga pendekatan utama berikut:

(1) Formula Hubungan Geometri

Formula asas untuk nisbah sentuhan melintang ialah:
εα = [√(ra₁² - rb₁²) + √(ra₂² - rb₂²) - a·sinα'] / (π·m·cosα)
Di mana:

ra₁, ra₂ = Jejari bulatan tambahan untuk gear pemandu dan gear yang dipandu
rb₁, rb₂ = Jejari bulatan asas untuk gear pemandu dan gear yang dipandu
a = Jarak pusat sebenar di antara gear
α' = Sudut tekanan operasi
m = Modul
α = Sudut tekanan piawai (biasanya 20°)

(2) Nisbah Panjang Garis Berkaitan

Memandangkan CR adalah bersamaan dengan nisbah panjang garis berkaitan sebenar (L) kepada jarak dasar (pb), formula tersebut juga boleh ditulis sebagai:
εα = L / pb = L / (π·m·cosα)

(3) Formula Ringkas untuk Gear Piawai

Untuk gear piawai (a = a₀) yang dipasang secara piawai (pekali kepala ha* = 1, pekali pelonggaran c* = 0.25), pengiraan menjadi lebih ringkas iaitu:
εα = [z₁(tanαa₁ - tanα') + z₂(tanαa₂ - tanα')] / (2π)
Di mana αa = Sudut tekanan bulatan kepala.

2.2 Pengiraan Nisbah Sentuhan Gear Heliks

Gear heliks mempunyai kedua-dua nisbah sentuhan melintang dan muka, menghasilkan jumlah nisbah sentuhan (CR) yang lebih tinggi dan kelancaran yang lebih baik berbanding gear lurus.

(1) Nisbah Sentuhan Melintang (εα)

Dikira dengan cara yang sama seperti gear lurus tetapi menggunakan parameter melintang (modul melintang mt, sudut tekanan melintang αt) sebagai pengganti parameter piawai.

(2) Nisbah Sentuhan Muka (εβ)

εβ = b·sinβ / (π·mn) = b·tanβ / pt
Di mana:

b = Lebar gigi
β = Sudut heliks
mn = Modul normal
pt = Sela melintang

(3) Nisbah Sentuhan Jumlah (εγ)

εγ = εα + εβ
Gear heliks biasanya mencapai nilai CR jumlah sebanyak 2.0–3.5, jauh melebihi julat 1.2–1.9 pada gear spur.

2.3 Pengiraan Nisbah Sentuhan Pasangan Gear Dalam

Pasangan gear dalam (di mana satu gear berselindung di dalam gear lain) menggunakan formula nisbah sentuhan melintang yang diubahsuai, dengan mengambil kira hubungan yang terbalik antara bulatan tambah dan bulatan kaki:
εα = [√(ra₁² - rb₁²) - √(ra₂² - rb₂²) + a·sinα'] / (π·m·cosα)
Nota: ra₂ di sini merujuk kepada jejari bulatan kaki gear dalam.

3. Faktor Utama yang Mempengaruhi Nisbah Sentuhan

3.1 Kesan Parameter Geometri

Parameter	Kesan terhadap Nisbah Sentuhan	NOTA
Bilangan Gigi (z)	Z yang lebih tinggi → Nisbah Kelangsiran (CR) yang lebih tinggi	Gear yang lebih kecil mempunyai kesan yang lebih ketara
Modul (m)	Kesan yang minima	Kebanyakannya mempengaruhi ketinggian gigi, bukan tindihan meshing
Sudut Tekanan (α)	Α yang lebih tinggi → CR yang lebih rendah	Standard α ialah 20°; 15° digunakan apabila memerlukan CR yang lebih tinggi
Pekali Addendum (ha*)	Ha* yang lebih tinggi → CR yang lebih tinggi	Nilai yang terlalu tinggi berisiko menyebabkan gangguan lengkung transisi

3.2 Kesan Parameter Tertentu Gear Heliks

Sudut Heliks (β) : β yang lebih besar meningkatkan nisbah sentuhan muka (εβ) tetapi juga meningkatkan daya paksi, memerlukan sokongan bebearing yang lebih kuat.
Lebar Gigi (b) : b yang lebih panjang meningkatkan εβ secara linear, walaupun terhad oleh ketepatan mesin dan jajaran pemasangan.

3.3 Kesan Parameter Pemasangan

Jarak Pusat (a) : a yang lebih besar mengurangkan CR; ini boleh diimbangi dengan menggunakan gear beranjak profil .
Pelesap Anjakan Profil : Pemindahan profil positif sederhana boleh meningkatkan CR, tetapi mesti diseimbangkan dengan metrik prestasi lain (contohnya, kekuatan akar gigi).

4. Reka Bentuk dan Pengoptimuman Nisbah Sentuhan

4.1 Prinsip Reka Bentuk Asas

Keperluan Minimum CR : Gear industri memerlukan εα ≥ 1.2; gear kelajuan tinggi memerlukan εα ≥ 1.4.
Julat Optimum : Gear lurus: 1.2–1.9; Gear heliks: 2.0–3.5.
Elakkan CR Integer : CR Integer boleh menyebabkan hentaman penjajaran terselar, meningkatkan gegaran.

4.2 Strategi untuk Meningkatkan Nisbah Sentuhan

Pengoptimuman parameter
- Tingkatkan bilangan gigi (kurangkan modul jika nisbah transmisi adalah tetap).
- Adopt sudut tekanan yang lebih kecil (contoh, 15° berbanding 20°).
- Tingkatkan pekali addendum (dengan semakan gangguan).
Pemilihan Jenis Gear
- Utamakan gear heliks berbanding gear lurus untuk jumlah CR yang lebih tinggi.
- Gunakan gear heliks berkembar atau gear herringbone untuk menghilangkan daya paksi sambil mengekalkan CR tinggi.
Reka Bentuk Peralihan Profil
- Peralihan profil positif sederhana memanjangkan garis meshing sebenar.
- Sudut tekanan berubah (peralihan profil berangulat) mengoptimumkan ciri-ciri meshing.
Pengubahsuaian Gigi
- Legap tambahan mengurangkan kesan keterlibatan.
- Pemutihan meningkatkan taburan beban di sepanjang lebar gigi.

4.3 Menyeimbangkan Nisbah Sentuh dengan Metrik Prestasi Lain

Kekuatan Pembezaan : Nisbah Sentuh yang tinggi mengurangkan beban pada satu gigi tetapi mungkin menipiskan akar gigi; laraskan ketebalan gigi jika diperlukan.
Kekuatan Sentuhan : Persilangan berbilang gigi memperpanjang jangka hayat keletihan sentuhan.
Kecekapan : Nisbah Sentuh yang terlalu tinggi meningkatkan geseran gelangsar; optimalkan untuk keseimbangan kelancaran dan kecekapan.
Bunyi : Nisbah Sentuh bukan integer menyebarkan tenaga frekuensi persilangan, mengurangkan bunyi berfrekuensi tinggi.

5. Aplikasi Kejuruteraan bagi Nisbah Sentuh

5.1 Reka Bentuk Pemindahan Gear

Kotak Gear Alat Mesin : Gear ketepatan menggunakan εα = 1.4–1.6 untuk memastikan operasi pemotongan yang stabil.
Transmisi Automotif : Gear heliks digunakan secara meluas untuk mengoptimumkan prestasi NVH (Bunyi, Getaran, Kekasarannya) melalui pelarasan εβ.

5.2 Diagnosis Kecacatan dan Penilaian Prestasi

Analisis getaran : Ciri-ciri CR muncul dalam pengubahsuaian frekuensi gigi; CR yang tidak normal sering dikaitkan dengan peningkatan getaran.
Kawalan Kebisingan : Pengoptimuman CR mengurangkan bunyi dengungan gear, terutamanya dalam aplikasi kelajuan tinggi (contohnya, sistem kuasa kenderaan elektrik).

5.3 Keadaan Operasi Khas

Transmisi Berat : Mesin perlombongan menggunakan εγ ≥ 2.5 untuk mengagihkan beban berat secara sekata.
Gear Kelajuan Tinggi : Gear aerospace memerlukan εα ≥ 1.5 untuk menampan hentakan kemasukan pada kelajuan pusingan tinggi.
Pemacu Presisi : Pengurang robot memberi keutamaan kepada pengoptimuman CR untuk meminimumkan ralat transmisi.

6. Kesimpulan dan Trend Masa Depan

Nisbah sentuhan adalah metrik asas untuk kualiti transmisi gear, dan rekabentuknya yang rasional adalah sangat penting dalam kejuruteraan mekanikal moden. Daripada parameter geometri statik, CR telah berkembang menjadi penunjuk menyeluruh yang menggabungkan ciri-ciri sistem dinamik, dipacu oleh kemajuan dalam teknologi pengkomputeran dan pengujian. Kajian pada masa depan akan memberi fokus kepada:

Analisis Berkopling Berbilang Fizik : Menggabungkan kesan terma, elastik, dan dinamik bendalir ke dalam pengiraan CR.
Pemantauan masa nyata : Sistem berasaskan IoT untuk penilaian CR secara dalam talian dan pemantauan keadaan.
Pelarasan Pintar : Gear kawalan aktif yang menyesuaikan ciri-ciri kekangan secara dinamik.
Impak Bahan Baru : Menyiasat kelakuan CR dalam gear bahan komposit.

Dalam amalan, jurutera perlu menyesuaikan parameter CR mengikut keadaan operasi tertentu, mengimbangkan kelancaran, kapasiti beban, dan kecekapan. Selain itu, kepersisan pengilangan dan kualiti pemasangan mempengaruhi CR sebenar secara langsung, maka kawalan kualiti yang ketat adalah penting untuk mencapai objektif reka bentuk.

Sebelumnya:Tiada

Seterusnya: Gambaran Menyeluruh Mengenai Rawatan Haba: Pengetahuan Utama dan Aplikasi

Semua Kategori

Berita