การออกแบบเพลา

2.5.2.4  การออกแบบเพลา

                                เพลาเป็นชิ้นส่วนที่มีใช้อยู่ในเครื่องจักรเกือบทุกชนิด  ทำหน้าที่ในการส่งถ่ายกำลังหรือ ทำให้เกิดการหมุนระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ ของเครื่อง  ขณะใช้งานเพลาจะอยู่ภายใต้ภาระการกระทำชนิดต่างๆ  เช่น  แรงกด  แรงดึง โมเมนต์ดัด  และโมเมนต์บิดซึ่งอาจมีทั้งแรงสถิตและแรงแบบวัฎจักร  ทำให้เกิดการล้าได้เพลาอาจมีชื่อเรียกแตกต่างกันตามลักษณะการใช้งานดังนี้  คือ

เพลา (Shaft) เป็นชิ้นส่วนที่หมุนและใช้ในการส่งกำลัง

แกน (Axle) เป็นชิ้นส่วนลักษณะเดียวกันกับเพลาแต่ไม่หมุน ส่วนมากเป็นตัวรองรับชิ้นส่วนที่หมุน  เช่น  ล้อ ล้อสายพาน  เป็นต้น   อย่างไรก็ตามทั้งเพลาและแกนก็นิยมเรียกรวมกันว่า เพลา   ไม่ว่าชิ้นส่วนนั้นจะหมุนหรือไม่ก็ตาม

สพินเดิล (Spindle) เป็นเพลาขนาดสั้น เช่น เพลาที่หัวแท่นกลึง (Head-Stock spindle)เป็นต้น

สตับชาฟ (Stub Shaft)  เป็นเพลาที่ติดเป็นชิ้นส่วนต่อเนื่องกับเครื่องยนต์มอเตอร์  หรือ เครื่องต้นกำลังอื่นๆ มีขนาด  รูปร่าง  และส่วนยื่นออกมา  สำหรับใช้ต่อกับเพลาอื่น ๆ

เพลาแนว (Line Shaft) หรือเพลาส่งกำลัง (Power Transmission Shaft) หรือเพลาเมน (Mainshaft) เป็นเพลาซึ่งต่อตรงจากเครื่องต้นกำลัง ใช้ในการส่งกำลังไปยังเครื่องจักรกลอื่นๆ โดยเฉพาะ

แจ๊คชาฟ (Jack Shaft) เป็นเพลาขนาดสั้นที่ต่อระหว่างเครื่องต้นกำลังกับเพลาเมนหรือเครื่องจักรกล

เพลาอ่อน (Fiexble Shaft) เป็นเพลาที่สามารถอ่อนตัวหรือโค้งได้เพลาประเภทนี้ทำด้วย     สายลวดใหญ่ (Cable)    ลวดสปริงหรือลวดเหนียว (Wire Rope) ใช้ในการส่งกำลังในลักษณะที่   แกนหมุนทำมุมกันได้แต่ส่งกำลังได้น้อย

                                2.5.2.5  วัสดุเพลา

                                ในการเลือกวัสดุและวิธีที่ใช้ในการทำเพลา  นักออกแบบจะต้องคำนึงถึงสภาพการใช้งานและภาระที่เพลาต้องรับเป็นหลักโดยทั่วไปแล้ว  เราจะพิจารณาเลือกวัสดุและวิธีการผลิตเพลาตามขนาดระบุเพลา

วัสดุที่ใช้สำหรับทำเพลาทั่วไป  คือ เหล็กกล้าละมุน (Mild Steel) ถ้าต้องการให้มีความเหนียวและความทนทานต่อแรงกระตุกเป็นพิเศษแล้ว  มักจะใช้เหล็กกล้าผสมโลหะอื่นทำเพลา เช่น AISI 1347 , 3140 ,4150 เป็นต้น  เพลาที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางโตกว่า 90 มิลลิเมตร มักจะกลึงมาจากเหล็กกล้าคาร์บอน  ซึ่งผ่านการรีดร้อน  อย่างไรก็ตามเพื่อให้เพลามีราคาถูกที่สุด  ผู้ออกแบบควรพยายามเลือกใช้เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาก่อนที่เลือกใช้เหล็กกล้าชนิดอื่น

                                2.5.2.6  ขนาดของเพลา    

                                เพื่อให้เพลามีมาตรฐานเหมือนกัน  องค์การมาตรฐานระหว่างประเทศจึงได้กำหนดมาตรฐานของเพลา  ซึ่งระบุขนาด ใน  ISO / R 775 – 1969 เอาไว้สำหรับผู้ออกแบบเลือกใช้ ทั้งนี้เพื่อให้สามารถหาซื้อได้ทั่วไป  นอกจากนี้ยังเป็นขนาดที่สอดคล้องกับขนาดของแบริ่งที่ใช้รองรับเพลาด้วยขนาดระบุของเพลาดูได้จากตารางที่ 2.2

                                2.5.2.7  หลักพิจารณาในการออกแบบเพลา

                                การคำนวณหาขนาดเพลาที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน  ดังนั้นมุมบิดของเพลาที่เกิดขึ้นในขณะใช้งานจะต้องมีค่าไม่มากกว่าที่กำหนดไว้  นั่นคือ  เพลาจะต้องมีความแข็งเกร็งอยู่ภายในพิกัดที่ต้องการ  ถ้ามุมบิดมากไปนอกจากจะเสียความเที่ยงตรงทางด้านตำแหน่งแล้ว  ยังอาจก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนมีผลให้เฟืองและแบริ่งที่รองรับเพลาอยู่  เกิดความเสียหายได้ง่ายยิ่งขึ้น

ตารางที่  2.2   แสดงขนาดระบุของเพลาตามมาตรฐาน ISO / R 755 – 1969

( ที่มา  : วริทธิ์  อึ๊งภากรณ์ และชาญ  ถนัดงาน , 2537 )

2.5.2.8  การออกแบบเพลาตามโค้ดของ ASME

                                ก่อนปี  พ.ศ. 2497  ได้มีการยอมรับวิธีการคำนวณหาขนาดของเพลาส่งกำลังซึ่งกำหนดเป็นโค้ด(Code)  โดยสมาคมวิศวกรเครื่องกลแห่งสหรัฐอเมริกา (ASME)  แม้ว่าเวลาจะล่วงเลยมานานแล้วก็ตามวิธีการออกแบบเพลาตามโค้ดของ ASME  ก็ยังมีความสะดวกและง่ายต่อการใช้งาน  ซึ่งจะได้กล่าวถึงต่อไป

                                วิธีการดังกล่าวนี้ใช้ทฤษฏีความเค้นเฉือนสูงสุดและไม่พิจารณาถึงความล้าหรือความเค้นหนาแน่นที่เกิดขึ้นบนเพลา  ซึ่งเป็นการออกแบบโดยวิธีสถิตศาสตร์ (Static Design Method)  ในการหาสมการสำหรับออกแบบเพลาให้พิจารณาเพลาในรูปที่ 2.11

รูปที่ 2 .11  แสดงเพลาอยู่ภายใต้แรงต่าง ๆ

( ที่มา  : วริทธิ์  อึ๊งภากรณ์ และชาญ  ถนัดงาน , 2537 )

การออกแบบการคำนวณเพลา ในการออกแบบหาขนาดของเพลา จะต้องพิจารณาสิ่งเหล่านี้

-          กำลังงาน  (Power)  และภาระ (Load) ที่ใช้เพลาส่งกำลัง

-          ความเค้นที่เกิดขึ้นกับเพลา  รวมทั้งรูปร่างขนาด วัสดุ และผิวสำเร็จ ซึ่งเป็นสาเหตุในการเกิดความเค้นตกค้าง  (Stress Concentration) ขึ้น ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ของเพลา

-          ความแกร่ง  (Stiffness หรือ Rigidit) หมายถึง ความคงทนต่อการแอ่นตัวหรือการบิดไปของเพลา เมื่อรับภาระ

-          ความเร็ววิกฤติ (Critical Speed)  หมายถึง  การสั่นตัวของเพลาอันเป็นผลเนื่อง มาจากการแอ่นตัวของเพลา

                               

                                1)  การคำนวณหาโมเมนต์ดัดสูงสุด

                                                       =                                  ..............(2.1)

                                                                                                โดยที่            =    ค่าโมเมนต์ดัดสูงสุด

                                                   Mby          =    ค่าโมเมนต์ดัดในแนวแกน  y

                                              Mbz           =      ค่าโมเมนต์ดัดในแนวแกน z

                                2)  การคำนวณหาความเค้นแรงเฉือน

                                ในการออกแบบขนาดของเพลาสำหรับงานปกติทั่วไป  จะพิจารณาเฉพาะกำลังงานภาระ  และคำนวณตรวจความเค้นที่เกิดขึ้นกับเพลา  เพื่อให้ได้ค่าความปลอดภัยเพียงพอ  จึงพิจารณาถึงความแกร่ง  และความเร็ววิกฤติ  เพลาส่วนมากจะอยู่ภายใต้ความเค้นที่วัฏจักร  ทั้งนี้เพราะ      เพลาหมุนอยู่ตลอดเวลา  นอกจากนั้นแรงที่กระทำอาจจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาก็ได้  ดังนั้น   เพลาจึงเกิดความเสียหายเนื่องมาจากความล้าเป็นส่วนใหญ่  ดังนั้นจึงต้องมีตัวประกอบความล้า(Fatigue Factor)  มาเกี่ยวข้องด้วย  ค่าตัวประกอบความล้าสามารถเลือกใช้ตามลักษณะของแรงที่    มากระทำ  ซึ่งหาดูได้จากตารางที่ 2.3

                                โดยที่         C_m     =     ตัวประกอบความล้าเนื่องจากการดัด

                                                    C_t       =     ตัวประกอบความล้าเนื่องการบิด

ตารางที่  2.3  แสดงค่าตัวประกอบความล้า

เพลานอกจากรับโมเมนต์ดัดแล้ว  ในขณะเดียวกันจะรับโมเมนต์แรงบิดด้วย  ดังได้แสดงวิธีหามาแล้ว  โมเมนต์บิดนี้จะทำให้เกิดความเค้นแรงบิดขึ้น  ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสูตร

                                                     t_max    =   0.5sy/N = 16 / pD³ [(C_m .M)² + (C_t .T) ²]^1/2  .............. (2.2)               

                                โดยที่           sy      =     Yield Stress (N/mm²)

                                                  N             =      ค่าความปลอดภัย

                                                  C_m           =      ตัวประกอบจากการล้าเนื่องจากการดัด

                                                  C_t           =      ตัวประกอบจากการล้าเนื่องกากการบิด

                                                  M            =      โมเมนต์ดัด

                                                  T             =      แรงบิด  (N)