雙螺桿壓縮機轉子

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吳平 B94611047 生機二

標題： 雙螺桿壓縮機轉子線形及程式設計
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由於電腦運算速度的進步，目前雙螺桿壓縮機(圖1)內一對共軛轉子端面線形(圖2)之設計已可透過最佳化方法，進行複雜之性能參數計算


圖1 雙螺桿壓縮機主體剖面圖


圖2 轉子端面線形及封閉線圖

以往之轉子線形設計，通常是在其中一轉子上定義其主要曲線，然後於另一轉子上創成其共軛之線形，然而此種方式不僅複雜化轉子之線形方程式，而且也不易應用於最佳化，因此，本研究提出利用齒輪原理中常見之齒條創成，先於齒條上定義組成曲線，再分別創成一對共軛之公、母轉子線形(圖3)，並得到較佳壓縮機性能之目的。此外，轉子線形設計之優劣往往侷限於其組成曲線之種類，本研究由改良其封閉線之觀點出發，利用最佳化方法並結合電腦輔助雙螺桿壓縮機分析軟體調整其封閉線，藉以利用此封閉線創成較佳性能之一對共軛轉子線形(圖4)的目的。有鑑於在壓縮機設計上常採用沒有效率之經驗法則，因此，本研究開發出一套雙螺桿壓縮機轉子線形設計軟體SCRPD (Screw Compressor Rotor Profile Design) (圖5)，藉以達到縮短轉子幾何設計時程之目的。


圖3 定義齒條創成公、母轉子線形及封閉線


圖4 封閉線與相對應之轉子線形區段圖


圖5 雙螺桿壓縮機轉子線形設計軟體SCRPD

在定義齒條曲線後，經由結合最佳化及電腦輔助螺旋式壓縮機分析程式後，得到一組另人相當滿易之設計，藉由實際加工試製(圖6)並實際量測組裝入壓縮機殼內之運轉風量，證實的確得到較佳之性能結果(圖7)。利用封閉線來改良轉子線形之研究方面，提出可藉由區段調整轉子封閉線之方法來調整轉子線形，此法具有非常良好之改良彈性且不必受轉子線形之限制(圖8)，本研究更找出控制封閉線之所有限制條件並應用於最佳化範例中，以一例證明經改良後之轉子線形(圖9)的確具有較佳之性能結果(表1)。


圖6 齒條創成之一對轉子及量測設備


圖7 實測風量及耗功比之比較圖


圖8 區段調整轉子封閉線圖


圖9 比較SRM-D原有(虛線)及最佳化後線形(實線)：(a)轉子線形及(b)接觸線

表1原來及最佳化後之 SRM-D轉子線形性能結果比較

項目	原來線形	最佳化後線形
回吹孔面積 (mm2)	10.029	4.928
接觸線長度 (mm)	168.34	175.786
總齒間面積 (mm2)	2024.6	2067.3
理論排形量 (m3/min)	5.69	5.792
耗功比 (m3/min/kW)	0.187	0.192

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行星齒輪

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吳平 B94611047 生機二

標 題： 行星齒輪系電腦輔助設計強度最佳化方法
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行星齒輪系（如圖一）是一種體積小、重量輕、傳遞效率高、負載能力大的齒輪結構，能達到對齒輪傳動高效率和小型化的要求。行星齒輪廣泛地應用在不同的機械結構中，如飛機的傳動系統中、飛機、汽車引擎、腳踏車內變速速器(如圖二、圖三)以及重負荷和高減速比的機器上。


圖一 行星齒輪機構


圖二 內變速行星齒輪機構


圖三 Shimano七速內變速器

傳統行星齒輪系的設計上，受到加工齒刀參數限制及符合中心距、防止過切及齒頂變尖限制條件，可用轉位係數有一定的範圍，想利用受限制的轉位係數來調整接觸率與平衡強度是一件相當浩大工程。為了突破傳統設計的限制，利用直接設計齒輪幾何的方法，可依據齒輪使用狀況、材料參數及壽命要求及符合中心距限制、接觸率要求，調整外嚙合齒輪對的強度來提升整體行星齒輪強度；最後利用撰寫程式來解決行星齒輪複雜的計算問題。設計者藉由操作軟體隨時檢驗設計的好壞來修正不良的設計，更可利用直接設計齒輪幾何的方法減少參數尋找的時間，提升設計的效率與正確性。

在行星齒輪中心距固定下，利用D.G.D.可調整幾何參數並保持接觸率(如圖四)以提高額定輸出扭矩，可突破傳統幾何設計的範圍，增大幾何係數運用範圍 (如圖五)，並根據齒輪運用狀況與材料強度，調整幾何參數J平衡外嚙合強度來提高輸出扭矩（如表一），並結合D.G..D.方法與傳統設計流程，提供高接觸率行星齒輪系的設計流程及行星齒輪系專用軟體。
EX：標準壓力角 =20°，齒數 =27與 =34，及中心距 =21.6233mm 、接觸率 =1.5675。


圖四 傳統與D.G..D.的接觸率變化


圖五 傳統與D.G..D.幾何參數調整範圍


表一 原設計、傳統與D.G..D.的額定力矩比較 Read more!

蝸線傘齒輪和戟齒輪

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標 題：蝸線傘齒輪及戟齒輪之設計製造
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蝸線傘齒輪及戟齒輪為空間相交軸和交錯軸的動力傳動元件，被廣泛應用在工具機、車輛差速器、推高機、舷外機以及非平行軸減速機等。


如圖1

蝸線傘齒輪及戟齒輪之設計與切製方法息息相關，現行之蝸線傘齒輪和戟齒輪的製造主要分為兩種，一種是以美國Gleason為主之面銑式切製法(Face- Milling Method)，其刀盤與工件旋轉角無關屬於非連續加工，齒形特徵為非等高齒，齒線形狀為圓弧線。另外一種則以瑞士Oerlikon(現與德國 Klingelnberg同屬於Sigma Pool集團)為主之面滾式切製法(Face-Hobbing Method)，其刀盤與工件旋轉角相關屬於連續加工，齒形特徵為等高齒，齒線形狀為延伸外擺線。

本硏究希望能建立一套完整的蝸線傘齒輪及戟齒輪之閉迴路製造系統(如圖2)。根據應用端之需求設計蝸線傘齒輪及戟齒輪之基本齒形，並應用齒面接觸分析 (Tooth Contact Analysis)以最佳化齒輪對接觸齒印。在製造迴路中透過三維齒面量測求得真實齒面因製造誤差和熱處理變形而與理論齒形的誤差值，藉由齒面修整技術調整刀具參數或機械設定以補償其誤差值，而得到與理論計算相當之齒輪齒面。在設計迴路中利用VH值測試模擬和單齒腹測試，來減少齒輪對裝配敏感度以及降低齒輪對嚙合振動與噪音。


如圖2

蝸線傘齒輪及戟齒輪之設計製造軟體開發(如圖3)，其中包含:

• 模擬面銑切製法如Gleason之SGT、HGT、SFT、HFT、SGM、HGM、SFM、HFM等切齒系統；面滾切製法如Oerlikon之刀傾半展成法(Spirac)、刀傾全展成法(Spiroflex)和Klingenberg的雙刀盤無刀傾全展成法(Cyclo-Palloid)。
• 齒面接觸分析、VH測試模擬。
• 各種一階、二階齒面修整技術如對角修整、齒廓修整、齒長修整、螺旋角修整、壓力角修整，以及其他高階齒面動態修整如Modified Roll、Helical Motion、Vertical Motion、Radial Motion、Angular Motion。
• 齒輪強度分析。

如圖3

蝸線傘齒輪及戟齒輪之大、小齒輪切齒加工動作模擬和齒輪對組裝模擬(如圖4)。



如圖4




如圖5




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盤形銑刀

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標題：盤形銑刀之設計
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通常在粗加工和半精加工方面，多採用滾削加工或銑削加工，而在精加工方面，則採用磨削加工，目前在轉子的製造方 面大多利用盤形銑刀(圖1)與盤形砂輪(圖2)來加工。


如圖1


如圖2

在盤形銑刀的設計方面，銑削刀片的排列方式都是依刀盤本身的幾何形狀來排列刀片，並沒有一套排列刀片的數學模式，而且一般的盤形銑刀的銑削刀片所都包含特殊刀片，使得刀盤的成本大大增加。因此，本研究依照刀片與刀盤本身的幾何特性提出一套全部以標準刀片排列刀盤的數學模式(圖3)。另外，此數學模式亦考慮到每片刀片的所銑削的工件體積使得刀片的磨損情形更為均勻，同時將後製的砂輪磨削工件體積當為設計參數(圖4)，能使砂輪的磨耗更為均勻。




如圖3


如圖4

選取一轉子線形(圖5)並考慮盤形砂輪所磨削的工件體積計算出盤形銑刀刀盤線形，然後依據標準刀片型錄計算刀片的排列並且考慮每片刀片的所銑削的工件體積 (圖6)來選定刀片片數，可以得到銑削刀片的排列情形(圖7)，另外加上容屑槽的計算及可以設計出一組盤形銑刀(圖8)。



如圖5


如圖6


如圖7


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滾刀

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標題：多牙口齒輪滾刀的加工誤差分析。
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滾刀 齒輪滾刀(圖 1)是業界常用來快速以及大量生產圓柱齒輪的刀具之一。


圖1

滾刀加工齒輪時，是以滾刀上刃口滾切齒輪齒面與不連續的軸向進給量，因此在齒面上形成波浪狀切削痕跡（圖 3 ） ，也就是俗稱的" 魚鱗紋" ；而切削痕跡直接反應加工齒輪的精度。本研究探討滾刀幾何、加工參數與切削痕跡的關係，並探討滾刀設計參數與齒面精度與加工時間關係，為設計者建立一張設計參數與加工精度時間關係的表格；藉以達到增加滾齒精度與縮短加工時間的目的。


圖2

滾刀加工齒輪時，是以滾刀上刃口滾切齒輪齒面與不連續的軸向進給量，因此在齒面上形成波浪狀切削痕跡（圖3），也就是俗稱的"魚鱗紋"；而切削痕跡直接反應加工齒輪的精度。本研究探討滾刀幾何、加工參數與切削痕跡的關係，並探討滾刀設計參數與齒面精度與加工時間關係，為設計者建立一張設計參數與加工精度時間關係的表格；藉以達到增加滾齒精度與縮短加工時間的目的。


圖3

經由一連串數學推導，我們可獲得分析的圖表，圖4、圖5為齒輪齒形方向與齒寬方向的切削痕跡；圖6為齒面上魚鱗紋邊界圖，圖7為依照誤差大小給訂顏色的三維魚鱗紋。表一為經由電腦重複計算後建立的設計參數表格。


圖4


圖5


圖6


圖7

表 1

牙口數	外徑	容削槽數	軸向進給量	誤差	時間比	牙口數	外徑	容削槽數	軸向進給量	誤差	時間比
1	73.5	10	10	2.15	4.00	2	73.5	10	10	5.56	2.00
1	73.5	10	20	6.12	2.00	2	73.5	10	20	8.92	1.00
1	73.5	10	40	12.32	1.33	2	73.5	10	40	15.67	0.67
1	73.5	12	10	1.97	4.00	2	73.5	12	10	3.97	2.00
1	73.5	12	20	5.63	2.00	2	73.5	12	20	7.49	1.00
1	73.5	12	40	12.05	1.33	2	73.5	12	40	13.73	0.67
1	85.5	10	10	2.16	4.00	2	85.5	10	10	5.83	2.00
1	85.5	10	20	5.53	2.00	2	85.5	10	20	8.91	1.00
1	85.5	10	40	10.84	1.33	2	85.5	10	40	14.28	0.67
1	85.5	12	10	1.69	4.00	2	85.5	12	10	4.03	2.00
1	85.5	12	20	4.95	2.00	2	85.5	12	20	7.22	1.00
1	85.5	12	40	10.41	1.33	2	85.5	12	40	11.97	0.67
1	97.5	10	10	2.21	4.00	2	97.5	10	10	6.14	2.00
1	97.5	10	20	4.80	2.00	2	97.5	10	20	9.25	1.00
1	97.5	10	40	9.76	1.33	2	97.5	10	40	13.09	0.67
1	97.5	12	10	1.70	4.00	2	97.5	12	10	4.22	2.00
1	97.5	12	20	4.49	2.00	2	97.5	12	20	7.09	1.00
1	97.5	12	40	9.10	1.33	2	97.5	12	40	11.31	0.67
3	73.5	10	10	11.48	1.33	4	73.5	10	10	19.73	1.00
3	73.5	10	20	14.91	0.67	4	73.5	10	20	22.39	0.50
3	73.5	10	40	20.67	0.44	4	73.5	10	40	28.23	0.33
3	73.5	12	10	7.19	1.33	4	73.5	12	10	13.34	1.00
3	73.5	12	20	11.28	0.67	4	73.5	12	20	17.02	0.50
3	73.5	12	40	17.71	0.44	4	73.5	12	40	22.96	0.33
3	85.5	10	10	11.36	1.33	4	85.5	10	10	21.39	1.00
3	85.5	10	20	15.45	0.67	4	85.5	10	20	25.29	0.50
3	85.5	10	40	20.93	0.44	4	85.5	10	40	30.44	0.33
3	85.5	12	10	7.84	1.33	4	85.5	12	10	14.27	1.00
3	85.5	12	20	10.81	0.67	4	85.5	12	20	17.85	0.50
3	85.5	12	40	16.16	0.44	4	85.5	12	40	21.80	0.33
3	97.5	10	10	12.00	1.33	4	97.5	10	10	24.32	1.00
3	97.5	10	20	15.07	0.67	4	97.5	10	20	25.25	0.50
3	97.5	10	40	19.29	0.44	4	97.5	10	40	29.27	0.33
3	97.5	12	10	8.55	1.33	4	97.5	12	10	14.72	1.00
3	97.5	12	20	10.87	0.67	4	97.5	12	20	17.86	0.50
3	97.5	12	40	15.98	0.44	4	97.5	12	40	20.85	0.33

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