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高考申論題 107年 [汽車工程] 汽車動力學(包括應用力學及機動學)

第 一 題

📖 題組:
如下圖所示之齒輪系為一馬達驅動之滾刀(為一蝸桿)切削一齒輪坯之布置,括弧內之數字代表齒數,其中齒輪坯(齒輪 1)和蝸輪(齒輪 9)安裝在同一軸上並一起旋轉。 (圖略)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

如果齒輪坯順時針被切削,請決定滾刀(齒輪 8)的旋向(試繪出此機構之簡圖並標示各齒輪之旋轉方向,未畫出簡圖者不予計分)。(10 分)

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本題重點在於『螺旋傳動的運動方向判定』與『齒輪系的轉向傳遞』。首先必須定義觀察視角(如由左向右看)。接著根據齒輪坯的順時針旋轉,推導蝸輪頂部的接觸點向右移動;再利用右旋蝸桿的特性(螺帽法則或右手定則),反推上方蝸桿軸的旋轉方向。最後,沿著外齒輪嚙合轉向相反、同軸轉向相同的原則,一步步推導至馬達與滾刀所在的下方軸,即可得出結論並繪製簡圖。

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【解題思路】利用機構運動學之轉向傳遞原則與螺旋傳動法則(右手定則),由齒輪坯之旋轉方向反推蝸桿轉向,再依序經由外齒輪系推導出滾刀之旋轉方向。 【詳解】 已知:

小題 (二)

若要將齒輪坯切削成 75 齒,請決定齒輪 3 和齒輪 5 之速比(ω3/ω5)。(10 分)

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看到滾刀切削齒輪的問題,首先要想到「創成運動」的運動學條件:滾刀與齒輪坯的轉速比,等於齒輪坯齒數與滾刀線數(齒數)之比。接著運用「同軸等速」以及「相互嚙合齒輪轉速與齒數成反比」的基本原理,將傳動鏈拆解為「馬達至齒輪5」與「馬達至齒輪3」兩條路徑,分別用馬達的角速度來表示兩者,最後相除即可得到速比。

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【解題關鍵】滾刀切削齒輪時需滿足創成運動條件:滾刀轉速與齒輪坯轉速之比等於齒輪坯齒數與滾刀線數之比;再搭配齒輪系之傳動比公式即可求解。 【解答】 計算:

小題 (三)

選擇一組滿足此速比之齒輪 3 和齒輪 5 的齒數,可挑選的齒輪齒數從 15 齒到 40 齒。(6 分)

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本題考查滾齒機傳動鏈的運動學分析。首先利用單頭滾刀與齒坯的加工速比要求,建立滾刀與齒坯的轉速關係式;接著依序推導齒輪系從馬達軸到蝸輪的傳動比,將兩者等號聯立,即可求出變換齒輪 3 與 5 的齒數比。由於題目未明示蝸輪 9 的齒數,可藉由合理假設或分析參數範圍來給出符合 15~40 齒條件的組合解。

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【解題關鍵】建立滾切加工的相對運動方程式(滾刀轉速與齒坯轉速比)與機構傳動方程式,兩者聯立求解變換齒輪比。 【詳解】 Step 1:依據加工條件建立轉速需求

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