เกลียวส่งกำลังทางกล (Mechanical Power Screws)

เกลียวส่งกำลัง (Power screws) หรือเกลียวเคลื่อนที่ เป็นอุปกรณ์เชิงกลที่ใช้ในการแปลงการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น เพื่อส่งกำลังในงานต่างๆ เช่น เครื่องอัด (presses), แม่แรง (jacks), และเพลานำในเครื่องกลึง

1. รูปแบบเกลียวและกลศาสตร์

รูปแบบเกลียวที่ใช้บ่อยสำหรับเกลียวส่งกำลังคือ เกลียวสี่เหลี่ยม (Square thread), เกลียวแอคมี (Acme thread), และเกลียวฟันเลื่อย (Buttress thread) เกลียวแอคมีมักถูกนำมาใช้เนื่องจากผลิตได้ง่ายกว่าและสามารถใช้นอตผ่า (split nut) เพื่อชดเชยการสึกหรอได้

1.1 แรงบิดที่ต้องใช้ในการยกโหลด

แรงบิด $T_R$ ที่ต้องใช้ในการยกโหลด $F$ โดยใช้เกลียวส่งกำลังแบบเกลียวสี่เหลี่ยม มีความสัมพันธ์กับเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย $d_m$, ระยะนำ (lead) $l$, และสัมประสิทธิ์ความเสียดทาน $f$:

$T_R = \frac{F d_m}{2} \left( \frac{l + \pi f d_m}{\pi d_m - f l} \right) + \frac{F f_c d_c}{2}$

โดยที่:

• $F$ คือโหลดในแนวแกน
• $d_m$ คือเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของเกลียว
• $l$ คือระยะนำ (lead)
• $f$ คือสัมประสิทธิ์ความเสียดทานของเกลียว
• $f_c$ คือสัมประสิทธิ์ความเสียดทานของปลอกคอ (collar)
• $d_c$ คือเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของปลอกคอ

1.2 แรงบิดที่ต้องใช้ในการลดโหลด

ในการลดโหลด แรงบิดที่ต้องการ $T_L$ คือ:

$T_L = \frac{F d_m}{2} \left( \frac{\pi f d_m - l}{\pi d_m + f l} \right) + \frac{F f_c d_c}{2}$

2. สภาวะล็อกตัวเอง (Self-Locking Condition)

เกลียวส่งกำลังจะอยู่ในสภาวะล็อกตัวเองหากไม่ทำให้โหลดลดลงโดยปราศจากแรงบิดภายนอกที่กระทำ สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อความเสียดทานของเกลียวเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้เกลียวหมุนภายใต้โหลดในแนวแกน เงื่อนไขสำหรับการล็อกตัวเองคือ:

$f \ge \tan \lambda$

โดยที่ $\lambda$ คือมุมนำ (lead angle)

3. ประสิทธิภาพ (Efficiency)

ประสิทธิภาพ $e$ ของเกลียวส่งกำลังคืออัตราส่วนของงานที่มีประโยชน์ที่ได้ต่องานที่ป้อนเข้า:

$e = \frac{F l}{2 \pi T_R}$

ประสิทธิภาพที่สูงเป็นสิ่งที่พึงปรารถนา แต่มักขัดแย้งกับข้อกำหนดสำหรับการล็อกตัวเอง เกลียวที่ล็อกตัวเองได้โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพต่ำกว่า 50%