เครื่องคำนวณแรงบิดสลัก - ข้อกำหนดแรงบิดสลักที่แม่นยำ

เครื่องคำนวณแรงบิดโบลต์ใช้ประเมินแรงบิดที่จำเป็นสำหรับขันโบลต์ให้ได้แรงยึดรัดตามเป้าหมาย โดยใช้เส้นผ่านศูนย์กลางโบลต์ ระยะพิตช์เกลียว วัสดุ และเกรดความแข็งแรงของโบลต์ เพื่อคำนวณค่าแรงบิดในหน่วยนิวตัน-เมตร (Nm)

การทำงานของแรงบิดขันโบลต์

การหมุนโบลต์ด้วยประแจทำให้เกิดแรงบิด ซึ่งเป็นแรงหมุน แรงบิดส่วนใหญ่ใช้เอาชนะแรงเสียดทาน โดยบางส่วนเกิดในเกลียว และส่วนที่มากกว่าเกิดใต้หัวโบลต์ มีเพียงส่วนน้อยที่ทำให้โบลต์ยืดตัวเล็กน้อยคล้ายสปริง และสร้างแรงกดรัดที่ยึดรอยต่อไว้ด้วยกัน แรงกดรัดนี้เรียกว่าแรงพรีโหลดหรือแรงดึง เนื่องจากแรงเสียดทานใช้แรงบิดไปเกือบทั้งหมด สภาพพื้นผิวของโบลต์และการมีสารหล่อลื่นจึงมีผลต่อปริมาณแรงกดรัดที่เกิดจากแรงบิดค่าหนึ่ง

วิธีคำนวณแรงบิดขันโบลต์

สูตรมาตรฐานสำหรับความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับแรงดึงคือ:

$T = K \times D \times F$

• T — แรงบิด มีหน่วยเป็นนิวตัน-เมตร (Nm)
• K — สัมประสิทธิ์แรงบิด ซึ่งเป็นปัจจัยแรงเสียดทานที่กำหนดโดยวัสดุและสารหล่อลื่น
• D — เส้นผ่านศูนย์กลางระบุของโบลต์ มีหน่วยเป็นเมตร
• F — แรงยึดจับ (แรงขันล่วงหน้า) มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)

เส้นผ่านศูนย์กลางต้องใช้หน่วยเป็นเมตร ไม่ใช่มิลลิเมตร โบลต์ขนาด 10 มม. ต้องป้อนเป็น 0.01 ม. ในสูตรนี้ การใช้ค่ามิลลิเมตรโดยตรงจะทำให้แรงบิดมีค่ามากเกินจริง 1,000 เท่า

สัมประสิทธิ์แรงบิด (K)

สัมประสิทธิ์แรงบิดใช้แทนผลของแรงเสียดทาน ค่า K ที่ต่ำกว่าหมายถึงสูญเสียแรงบิดไปกับแรงเสียดทานน้อยลง ดังนั้นแรงบิดจึงเปลี่ยนเป็นแรงกดรัดได้มากขึ้น เครื่องคำนวณนี้ใช้ค่าดังต่อไปนี้:

แรงกดรัด (F)

แรงยึดรัดคือแรงตามแนวแกนที่โบลต์ซึ่งขันแน่นแล้วกระทำต่อรอยต่อ เครื่องคำนวณนี้กำหนดแรงยึดรัดเป้าหมายไว้ที่ 75% ของแรงพิสูจน์ของโบลต์ ซึ่งเป็นเป้าหมายทั่วไปสำหรับรอยต่อที่อาจถอดและประกอบกลับได้:

$F = 0.75 \times S_p \times A_s$

Sp คือความเค้นพิสูจน์ขั้นต่ำของชั้นคุณสมบัติโบลต์ ซึ่งกำหนดโดยมาตรฐาน ISO 898–1 ส่วน As คือพื้นที่รับความเค้นดึง หรือพื้นที่หน้าตัดใช้งานของก้านเกลียวที่รับแรง:

$A_s = \frac{\pi}{4} \times (d - 0.9382 \times P)²$

ในที่นี้ d คือเส้นผ่านศูนย์กลางระบุ และ P คือระยะพิตช์เกลียว โดยทั้งสองค่ามีหน่วยเป็นมิลลิเมตร As มีขนาดเล็กกว่าพื้นที่ก้านเรียบ เนื่องจากการทำเกลียวตัดเนื้อวัสดุออก

ความเค้นพิสูจน์ตามชั้นคุณสมบัติ:

เครื่องคำนวณนี้กำหนดวัสดุและชั้นคุณสมบัติแยกจากกัน การเลือก “เหล็กกล้าไร้สนิม” ไม่ได้เปลี่ยนหรือจำกัดชั้นคุณสมบัติที่เลือกได้ ชั้นคุณสมบัติทั้งห้าข้างต้นใช้ได้กับวัสดุทุกชนิด

ตัวอย่างพร้อมวิธีทำ

พิจารณาโบลต์เหล็ก M10 ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระบุ 10 มม. ระยะพิตช์เกลียว 1.5 มม. ชั้นคุณสมบัติ 8.8 และขันในสภาพแห้ง

1. พื้นที่รับความเค้นดึง: As = (π/4) × (10 − 0.9382 × 1.5)² ≈ 57.99 mm²
2. ความเค้นพิสูจน์: Sp = 580 MPa เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 16 มม.
3. แรงกดรัด: F = 0.75 × 580 × 57.99 ≈ 25,225 N
4. แรงบิด: T = 0.20 × 0.01 × 25,225 ≈ 50.45 Nm

โบลต์ตัวเดิมเมื่อใช้สารหล่อลื่นแทนการขันแห้ง (K = 0.15) ต้องใช้แรงบิดประมาณ 37.84 Nm ซึ่งน้อยลงราวหนึ่งในสี่ สารหล่อลื่นลดแรงเสียดทาน ทำให้สูญเสียแรงบิดน้อยลงและเปลี่ยนเป็นแรงกดรัดได้มากขึ้น

ตารางอ้างอิงอย่างรวดเร็ว: โบลต์เหล็ก ชั้นคุณสมบัติ 8.8

แรงบิดโดยประมาณสำหรับระยะพิตช์เกลียวหยาบมาตรฐาน และพรีโหลด 75%:

ค่าดังกล่าวคำนวณโดยสมมติให้ใช้ชั้นความแข็งแรง 8.8 และตั้งเป้าหมายแรงพรีโหลดไว้ที่ 75% ชั้นความแข็งแรง วัสดุ หรือแรงพรีโหลดที่แตกต่างกันจะทำให้ผลลัพธ์เปลี่ยนไป ดังนั้นควรใช้เครื่องคำนวณข้างต้นเพื่อหาค่าที่แม่นยำ

การคำนวณแรงบิดด้วยโค้ด

1def bolt_torque(diameter_mm, torque_coefficient, tension_n):
2    diameter_m = diameter_mm / 1000  # convert mm to m
3    return round(torque_coefficient * diameter_m * tension_n, 2)
4
5torque = bolt_torque(10, 0.20, 25225)
6# 50.45
7

ต้องหารเส้นผ่านศูนย์กลางด้วย 1000 ก่อนนำไปคูณกับ K และ F หากข้ามขั้นตอนนี้ แรงบิดที่ได้จะมากเกินจริง 1,000 เท่า

สมมติฐานของเครื่องคำนวณ

• อุณหภูมิห้อง ประมาณ 20–25°C
• เกลียวสะอาดและไม่ชำรุด โดยขบเกลียวกันอย่างเหมาะสม
• เป้าหมายพรีโหลดเท่ากับ 75% ของแรงพิสูจน์ของโบลต์
• รอยต่ออยู่กับที่ ไม่ได้รับแรงสั่นสะเทือนรุนแรงหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นรอบ

เครื่องคำนวณนี้รองรับเส้นผ่านศูนย์กลางระบุตั้งแต่ 3 มม. ถึง 36 มม. สำหรับรอยต่อที่การชำรุดอาจทำให้เกิดการบาดเจ็บหรือความเสียหายร้ายแรง เช่น ภาชนะรับแรงดัน โครงสร้างเหล็ก และชิ้นส่วนอากาศยาน ควรใช้ข้อกำหนดแรงบิดของผู้ผลิตหรือมาตรฐานวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องแทน รอยต่อจริงมีปัจจัยเพิ่มเติม เช่น การอัดปะเก็น การขยายตัวเนื่องจากความร้อน และความแปรผันของแรงเสียดทานระหว่างตัวยึดแต่ละตัว ซึ่งสูตรทั่วไปไม่สามารถครอบคลุมได้

คำถามที่พบบ่อย

เครื่องคำนวณแรงบิดขันโบลต์คืออะไร?

เครื่องมือสำหรับประมาณค่าแรงบิดขันที่ต้องใช้ในหน่วยนิวตัน-เมตร เพื่อให้โบลต์ได้แรงยึดรัดตามเป้าหมาย โดยรับเส้นผ่านศูนย์กลางโบลต์ ระยะพิตช์เกลียว วัสดุ และชั้นคุณสมบัติเป็นข้อมูลนำเข้า

จะคำนวณแรงบิดขันโบลต์ด้วยมือได้อย่างไร?

$T = K \times D \times F$ โดย D มีหน่วยเป็นเมตร ค่า K มาจากตารางค่าสัมประสิทธิ์แรงบิดสำหรับวัสดุของสลักเกลียวและสภาวะการหล่อลื่น ค่า F มาจากชั้นคุณสมบัติของสลักเกลียวและพื้นที่หน้าตัดรับแรงดึง โดยปกติจะกำหนดไว้ที่ 75% ของแรงพิสูจน์สำหรับรอยต่อที่นำกลับมาใช้ซ้ำ

จะเกิดอะไรขึ้นหากขันโบลต์ด้วยแรงบิดมากเกินไป?

โบลต์อาจยืดเกินขีดจำกัดยืดหยุ่น เกลียวรูด หรือขาดได้ เกลียวที่อยู่ในอะลูมิเนียมรูดได้ง่ายเป็นพิเศษ การขันด้วยแรงบิดมากเกินไปยังทำให้อายุความล้าของโบลต์สั้นลง เนื่องจากโบลต์ทำงานใกล้จุดครากมากขึ้น จึงเหลือเผื่อสำหรับรับแรงเพิ่มเติมระหว่างการใช้งานน้อยลง

จะเกิดอะไรขึ้นหากขันโบลต์ด้วยแรงบิดน้อยเกินไป?

รอยต่ออาจคลายตัวเมื่อมีแรงสั่นสะเทือน รั่วซึมหากมีการอัดปะเก็น หรือทำให้ชิ้นส่วนเคลื่อนตัวเมื่อรับแรงด้านข้าง โบลต์ที่ขันด้วยแรงบิดน้อยเกินไปยังมีแนวโน้มแตกร้าวจากวัฏจักรความเค้นซ้ำมากขึ้น เพราะแรงกดรัดซึ่งปกติช่วยดูดซับความเค้นนั้นมีค่าต่ำเกินไป

การหล่อลื่นเปลี่ยนปริมาณแรงบิดที่โบลต์ต้องการหรือไม่?

เปลี่ยน การหล่อลื่นลดสัมประสิทธิ์แรงบิดโดยลดแรงเสียดทาน ทำให้สูญเสียแรงบิดที่ใช้ขันน้อยลง และเปลี่ยนเป็นแรงกดรัดได้มากขึ้น โดยทั่วไปโบลต์เหล็กที่มีสารหล่อลื่นต้องใช้แรงบิดน้อยกว่าโบลต์ตัวเดียวกันในสภาพแห้งประมาณ 25% เพื่อให้ได้แรงกดรัดเท่ากัน

แรงบิดกับแรงดึงในโบลต์แตกต่างกันอย่างไร?

แรงบิดคือแรงหมุนที่ใช้กับประแจ ส่วนแรงดึงหรือพรีโหลดคือการยืดตัวของโบลต์ที่เกิดจากการขัน ซึ่งทำให้เกิดแรงกดรัด ทั้งสองค่ามีความสัมพันธ์กันผ่านแรงเสียดทาน ดังนั้นแรงบิดค่าเดียวกันอาจทำให้เกิดแรงดึงต่างกันได้ ขึ้นอยู่กับการหล่อลื่นและสภาพพื้นผิว

เครื่องคำนวณนี้ใช้กับโบลต์เหล็กกล้าไร้สนิมได้หรือไม่?

ได้ เหล็กกล้าไร้สนิมมีสัมประสิทธิ์เฉพาะในเครื่องคำนวณนี้ คือ 0.22 ในสภาพแห้ง และ 0.17 เมื่อมีสารหล่อลื่น ซึ่งทั้งสองค่าสูงกว่าเหล็กทั่วไป เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมมีแรงต้านการเลื่อนสูงกว่าและมีแนวโน้มเกิดการจับติด ซึ่งเป็นการติดขัดของเกลียวเนื่องจากแรงเสียดทาน โดยทั่วไปจะใช้สารป้องกันการกัดติดกับรอยต่อเหล็กกล้าไร้สนิมกับเหล็กกล้าไร้สนิมเพื่อป้องกันปัญหานี้

เอกสารอ้างอิง

1. องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐาน. ISO 898-1:2013 — คุณสมบัติทางกลของตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าผสม ส่วนที่ 1: โบลต์ สกรู และสตัดที่มีชั้นคุณสมบัติกำหนด
2. Fastenal Engineering. ความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับแรงดึง ชั้นคุณสมบัติตาม ISO 898–1 4.6, 8.8, 10.9 และ 12.9 เกลียวหยาบเมตริก
3. Motosh, N. (1976). “การพัฒนาแผนภูมิการออกแบบสำหรับโบลต์ที่ใส่พรีโหลดจนถึงช่วงพลาสติก” Journal of Engineering for Industry, 98(3), 849–851