國立中央大學 機械系 齒輪產學技術聯盟｜本聯盟榮獲國家科學及技術委員會計畫補助成立
國立中央大學 機械系 齒輪產學技術聯盟
本聯盟榮獲國家科學及技術委員會計畫補助成立
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核心技術
兼具降噪齒面磨紋及齒面修整之創成磨齒加工技術
隨著電動車市場的興起，有別於過去汽油引擎驅動之齒輪箱，以馬達為動力源之齒輪傳動設計及降噪問題將是產品競爭之關鍵技術，然而目前鮮少有關如何透過齒輪表面微結構加工以降低振動噪音之相關研究。
如圖 1 所示，後學在2019年獲得優秀年輕學者計畫之補助，自主開發數控磨齒機加工模擬程式，同時考慮修砂及磨齒動作，可獲得兼具降噪磨紋控制及齒面修整之齒面拓樸及粗糙度，結果亦近似於 Reischauer 之 LNS 磨紋，具磨紋控制之齒輪嚙合振噪實測目前亦在進行中。
本研究成果預期將可提升國內磨齒機之附加價值，並改善輪傳動品質。指導學生論文「基於蝸桿創成磨齒加工之齒面磨削紋理模擬及控制方法」更於2021年榮獲「第十七屆上銀機械碩士論文獎」金質獎、第37屆CSME學生論文競賽第1名、台灣創新技術博覽會發明競賽「金牌獎」、並與上銀邁萃斯完成1項技轉、及簽定1件兩年期產學合作計畫。
考量修砂及磨削運動之齒面磨紋控制及齒面修整
(圖 1)
內／外珩齒齒面修整技術之開發
珩齒 (Gear honing) 為一種齒輪精加工方法，尤其適用於硬化齒面研磨，且具有可加工長軸齒輪工件、研磨效率高、可產生較低噪音的齒面削紋理之優點，故逐漸受到重視，然而過去之研究多著重於珩輪及齒輪工件之幾何及加工數學模型的建立，有關透過珩齒加工進行齒面修整方法之研究仍少。後學先投入外嚙合珩齒加工之研究，基於 CNC 珩齒機進行齒面加工數學模型之建立，提出可珩磨出無扭曲 (Twist-Free) 修整之鼓型齒面的方法、及加工軸間之相對運動數學關係，並證實具 Twist-free 鼓型齒面相較於不具無扭曲修整的鼓型齒面，可降低齒輪對傳動誤差及改善齒面接觸應力分佈。
在具有前述基礎後，後學指導研究生進行 CNC 內嚙合珩齒加工及齒面修整技術之研究，創新提出可在具有長齒面寬之齒輪件上珩磨出雙鼓型修整之加工方法及數學模型 (圖 2)；另外，更提出在 CNC 珩齒機上進行閉迴路齒面拓樸修整之加工方法及數學模型 (圖 3)。亦應用內嚙合珩齒技術於螺桿轉子之精加工並建立相關數學模型 (圖 4)。目前國內齒輪製造廠現行之珩齒機為歐美廠牌，國內尚無自行研發珩齒機之廠商，若可掌握前述後學發展之技術，未來可有助 CNC 珩齒機之開發。指導學生博士論文榮獲 2020 年 CSME「博士論文獎佳作」。
齒長方向雙鼓行修整之內珩齒加工技術
(圖 2)
閉迴路內珩齒齒面拓樸修整技術
(圖 3)
螺桿轉子之內珩齒加工方法
(圖 4)
阻尼顆粒減振及動平衡技術開發
振動及動力響應一直是機械傳動系統中的熱門研究議題，後學與系上老師建立團隊，研究添加阻尼顆粒於齒輪本體孔中作為抑振機制，以降低齒輪傳動系統之齒輪接觸力、傳動誤差及轉軸質心加速度之問題，為國際上首次有研究團隊成功應用「多體動力學」及「離散單元法」雙向耦合分析技術於機械系統之抑振 (圖5)，由實驗結果得知，具顆粒齒輪對與同質量對照組相比下，系統之振動加速度方均根值可降低達 30％ (圖6)，研究成果更發表於力學領域知名期刊 Nonlinear Dynamics。
具阻尼顆粒齒輪對MBD-DEM耦合動力學模型
(圖 5)
具阻尼顆粒齒輪對振動量測實驗
(圖 6)
在轉子動平衡方面 (MOST 109-2622-E-008-019)，創新在減速機中的馬達轉子兩端裝置可填充顆粒、不同相位容置腔之校正盤，透過動平衡理論計算各腔所需填充顆粒質量，除利用已開發之雙向耦合分析技術檢驗動平衡功效外，更透過「轉子動平衡校正」實驗驗證，證實可達到 ISO1940 規範之 G2.5 動平衡等級內，並同時具有抑制振動之功效 (圖7 及圖8)。
馬達轉子動平衡校正實驗
(圖 7)
利用阻尼顆粒進行偏心轉子之動平衡
(圖 8)
螺桿壓縮機及螺桿真空泵之轉子設計及加工方法
後學持續多年在壓縮機及真空泵之產學合作計畫，提出高設計調整彈性及考量間隙設計之多級魯式真空泵新型IVEC轉子線型設計方法，以適用於多級壓力下的工作需求，也透過實驗量測證實在相同條件下測試，新型真空泵可具有較佳的極限壓力 (圖9)。
已知透過螺桿轉子間嚙合間隙之洩漏是影響壓縮機或泵性能的重要因子，後學基於過去已提出之雙螺桿壓縮機轉子齒面間間隙計算方法，延伸應用於逆向工程中，可在得知量測的轉子齒廓點資料，即可獲得一對原始理論共軛轉子齒形、並得知此對轉子間之嚙合間隙分佈，並提出透過指狀成形銑刀廓形修整及刀具安裝偏置量可達到降低單導程螺桿轉子加工誤差之成果 (圖10)，對廠商在解析競爭對手或廠內生產轉子之幾何設計、提升加工精度及評估性能，具有相當程度的貢獻。
多級魯式真空泵新型IVEC轉子線型設計及性能量測實驗
(圖 9)
考指狀成形銑刀加工螺桿轉子之誤差補償技術
(圖 10)
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