ตัวอย่างการคำนวณนี้แสดงวิธีการหาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเพลาเครื่องจักร (Shaft Diameter) ที่เล็กที่สุดที่สามารถรับภาระแรงดัดและแรงบิดร่วมกันได้ โดยใช้ทฤษฎีความเค้นเฉือนสูงสุด (Maximum Shear Stress Theory) ซึ่งเป็นแนวทางพื้นฐานในการออกแบบเพลาเพื่อป้องกันการวิบัติจากการคราก (Yielding)
เพลาเครื่องจักรทำจากเหล็กกล้าซึ่งมีค่าความเค้นคราก () เท่ากับ 200 MPa เพลานี้ต้องรับแรงบิด () 250 N·m และโมเมนต์ดัด () 150 N·m ในเวลาเดียวกัน จงคำนวณหาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพลาที่ปลอดภัย () ตามทฤษฎีความเค้นเฉือนสูงสุด (Maximum Shear Stress Theory) โดยกำหนดให้ใช้ค่าเผื่อความปลอดภัย (Safety Factor, ) เท่ากับ 2.5 (หมายเหตุ: สามารถแก้ไขตัวแปรได้ในส่วนข้อมูลนำเข้า)
ไม่มีค่าตายตัว แต่สำหรับการออกแบบเบื้องต้นมักพิจารณาประมาณนี้:
| ลักษณะงาน | ค่าความปลอดภัย (SF) โดยประมาณ |
|---|---|
| โหลดคงที่ ทราบแน่นอน วัสดุควบคุมได้ | 1.5 - 2.0 |
| เครื่องจักรทั่วไป โหลดมีการเปลี่ยนแปลง | 2.0 - 3.0 |
| มีแรงกระแทก โหลดไม่แน่นอน หรือความเสียหายมีผลสูง | 3.0 - 5.0 |
| เพลาหมุนที่ต้องวิเคราะห์ความล้า | มักเริ่มพิจารณา 2.0 - 3.0 และวิเคราะห์ fatigue แยก |
ขั้นตอนที่ 1: คำนวณหาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขั้นต่ำสุดตามทฤษฎี () (เป็นขนาดเพลาที่ทำให้ความเค้นเฉือนถึงจุดครากพอดี โดยยังไม่เผื่อความปลอดภัย)
ขั้นตอนที่ 2: คำนวณหาขนาดเพลาสำหรับการออกแบบ () (นำขนาดขั้นต่ำสุดมาเผื่อความปลอดภัย เพื่อชดเชยความไม่แน่นอนในการใช้งานจริง)
จากการคำนวณในขั้นตอนแรกจะได้ขนาดเพลาขั้นต่ำสุด (Minimum Theoretical Diameter) เท่ากับ mm ซึ่งหมายความว่าถ้าสร้างเพลาขนาดนี้ เมื่อรับโหลดสูงสุด ความเค้นเฉือนจะถึงจุดครากพอดี (จุดเริ่มต้นของการวิบัติ)
ดังนั้นในขั้นตอนที่สอง เมื่อเราออกแบบโดยใช้ทฤษฎีความเค้นเฉือนสูงสุดร่วมกับค่าเผื่อความปลอดภัย จะได้ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพลาที่ต้องการเท่ากับ mm การใช้ เป็นการชดเชยความไม่แน่นอนของวัสดุ สภาวะการรับแรงในสภาพจริง และข้อจำกัดในการผลิต ดังนั้นในการออกแบบจริง วิศวกรจะนำค่านี้ไปพิจารณาเพื่อเลือกขนาดเพลามาตรฐานที่มีขายในท้องตลาด ซึ่งจะมีขนาดใหญ่กว่าค่าที่คำนวณได้เสมอ (เช่น 35 mm หรือ 40 mm) เพื่อความปลอดภัยสูงสุด