ใช้แรงหมุนของเครื่องจักร เป็นต้นเพื่อส่งต่อไปยังจุดอื่น ล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทาน, ฟันเฟือง, สายพาน, โซ่
-1- ล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทานสามารถเปลี่ยนรอบหมุนได้อย่างต่อเนื่อง
เรามีวิธีใช้ประโยชน์จากแรงหมุนของเครื่องจักร เป็นต้น ได้อย่างชาญฉลาดหลายวิธี
ก่อนอื่น วิธีที่ง่ายที่สุดคือ การส่งถ่ายกำลังโดยใช้แรงเสียดทานจากการสัมผัสกันของวงกลม 2 วง ที่เรียกว่าล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทาน โดยมีชนิดต่าง ๆ ดังต่อไปนี้
- ชนิดของล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทาน
ล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทานที่เป็นทรงกระบอกจะเป็นสิ่งที่ใช้กันมากที่สุด (ผังที่ 4-1) เมื่อสัมผัสกันที่ด้านนอก ต่างก็จะหมุนไปในทิศทางตรงข้าม เมื่อสัมผัสกันที่ด้านใน จะหมุนไปในทิศทางเดียวกัน
กรณีที่ไม่เกิดการสลิป อัตราส่วนของการหมุนจะเป็นสัดส่วนผกผันกับอัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลมทั้งสอง นั่นก็คือ กรณีที่เส้นผ่านศูนย์กลางของ A 15 ซม. และเส้นผ่านศูนย์กลางของ B 5 ซม. อัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางคือ 3 : 1 ดังนั้น อัตราส่วนของการหมุนคือ 1 : 3 ระหว่างที่ A หมุน 1 รอบ B จะหมุน 3 รอบ
อีกทั้งล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทานรูปทรงกรวย จะใช้เมื่อต้องการจะเปลี่ยนทิศทางการหมุน (ผังที่ 4-2)
ล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทาน สามารถส่งกำลังได้ราบรื่นและเงียบกว่าฟันเฟือง แต่จำเป็นต้องใช้แรงเสียดทานมาก และมีการกดของล้อด้วยกัน จึงต้องใช้แรงในแนวดิ่งกับเพลาล้อ ตัวรองรับเพลา (ลูกปืน เป็นต้น) จะสึกหรอรุนแรง อีกทั้งยังมีข้อเสียที่ว่าระหว่างล้อเกิดสลิปได้ง่าย
- ล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทานที่เปลี่ยนรอบหมุนอย่างต่อเนื่อง
เมื่อใช้ล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทาน จะสามารถเปลี่ยนรอบหมุนอย่างแปรผันต่อเนื่องได้
ตัวอย่างเช่น ล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทานรูปแผ่นจานดังผังที่ 4-3 เมื่อ N1 หมุน จะส่งแรงไปที่ N2 โดยผ่านวงล้อและแผ่นจาน ในที่นี้ สมมุติว่าตำแหน่งของวงล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทานสามารถเปลี่ยนได้อย่างอิสระ เมื่อเป็นเช่นนั้น จะเห็นได้ว่า ยิ่งนำวงล้อเข้าใกล้ศูนย์กลางวงกลมของแผ่นจาน รอบหมุนของ N2 ก็ยิ่งสูงขึ้น เมื่อนำออกห่างจุดศูนย์กลาง รอบหมุนของ N2 ก็ยิ่งลดลง
ตัวอย่างเช่น สมมุติให้ความยาวของเส้นผ่านศูนย์กลางของวงล้อเป็น D1 และเส้นผ่านศูนย์กลางของวงที่วงล้อกับแผ่นจานสัมผัสกันเป็น D2 เมื่อคิดถึงสัดส่วนการหมุนเช่นเดียวกับเมื่อครู่ จะรู้ว่า ยิ่ง D2 ยาว รอบหมุนของแผ่นจานจะน้อยลง ระหว่างที่วงล้อหมุน 1 รอบ
นอกจากนั้น ยังมีแบบที่ใช้ล้อทรงกรวย และล้อทรงกลมดัง 2 ในผังที่ 4-3 ด้วย
-2- ฟันเฟืองที่ส่งกำลังอย่างมั่นคง
หากทำให้ผิวหน้าของล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทานเป็นร่องเป็นนูน และให้ขบกันและกันก็จะเป็นฟันเฟือง ฟันเฟืองจะไม่เกิดการสลิป และส่งกำลังที่แรงอย่างมั่นคงมากกว่าเมื่อเทียบกับล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทาน เพียงแต่ว่า มีการขบกันของฟันและฟัน ดังนั้น จึงมีจุดอ่อนที่มีเสียงดังกว่าล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทาน
- ชนิดของฟันเฟือง
เช่นเดียวกับล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทาน ฟันเฟืองก็มีประเภทต่าง ๆ อย่างหลากหลาย (ผังที่ 4-4) ก่อนอื่น มีเฟืองตรง (Spur Gears) ที่เป็นเฟืองที่มีเพลา 2 เพลาขนานกัน เฟืองวงแหวน (Internal Gears) ที่เฟืองด้านหนึ่งอยู่ด้านในของวงกลม นอกจากนั้นยังมี เฟืองสะพาน (Rack Gears) ที่ด้านหนึ่งเคลื่อนไหวเป็นแนวเส้นตรง
และยังมีฟันเฟืองที่มี 2 เพลาตัดกันเป็นมุมฉาก หรือมุมเฉียง (ผังที่ 4-5)
นอกจากนั้น ยังมีฟันเฟืองที่เรียกว่า เฟืองตัวหนอน (Worm Gears) ที่มีเฟืองเป็นรูปเกลียวและเฟืองที่ขบกัน (ผังที่ 4-6) เมื่อใช้เฟืองตัวหนอนนี้ จะลดความเร็วในการหมุนลงราว 1 ใน 100 ได้ จึงใช้ในการทดรอบลดความเร็วของเครื่องจักรต่าง ๆ
- การประยุกต์ใช้ฟันเฟือง
มีการเปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นการเคลื่อนที่แบบไม่ต่อเนื่อง ตัวอย่างเด่น ๆ ก็คือ ล้อกระเดื่อง (Escape Wheel) ที่ใช้ในนาฬิกา (ผังที่ 4-7) นอกจากนั้น ยังมีเฟืองเจเนวา (Geneva Wheel) ที่ใช้การหมุนของแผ่นจานที่มีพินติดอยู่ หรือว่าเฟืองฟันบางส่วนที่เฟืองจะเดินต่อเมื่อฟันขบกันเท่านั้น
- ขนาดของฟันเฟืองและขนาดของฟัน
สิ่งสำคัญในการใช้ฟันเฟือง คือต้องมีขนาดของฟันของแต่ละเฟืองที่เข้ากัน ทำให้เฟือง 2 ตัวขบกันได้
สมมุติว่ามีล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทานทรงกระบอกดังเส้นประในผังที่ 4-8 เรียกเส้นรอบวงนอกของล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทานนี้ว่าวงกลมพิตช์ (Pitch Circle) ฟันเฟืองก็ให้คิดถึงวงกลมพิตช์นี้แล้วติดส่วนนูนส่วนเว้าโดยมีวงกลมพิตช์นี้เป็นศูนย์กลาง
เมื่อเอาเส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลมพิตช์นี้หารด้วยจำนวนฟัน ก็จะเป็นเกณฑ์มาตรฐานของขนาดของฟัน เรียกว่าโมดูล เพื่อให้ฟันเฟือง 2 ตัวขบกันได้แน่น ต้องมีโมดูลที่มีค่าเท่ากัน
นั่นก็คือ เมื่อต้องการให้โมดูลใหญ่ขึ้นโดยใช้ฟันเฟืองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่าเดิม จำนวนฟันก็จะน้อยลง
ตัวอย่างเช่น ดังผังที่ 4-9 เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลมพิตช์ของฟันเฟืองตัวเล็กเป็น 32 มิลลิเมตร และให้มีจำนวนฟันเป็น 16 ซี่ โมดูลจะเป็น 2 มิลลิเมตร และฟันเฟืองตัวใหญ่ซึ่งขบกับตัวเล็กนั้นมีจำนวนฟันเป็น 32 ซี่ เส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลมพิตช์ก็จะเท่ากับ 2 (ความยาวของโมดูล) X 32 (จำนวนฟัน) = 64 มิลลิเมตร
จำนวนรอบหมุนของฟันเฟืองจะเป็นสัดส่วนผกผันกับจำนวนฟัน ตัวอย่างเช่น กรณีของฟันเฟืองเมื่อครู่ ระหว่างที่ฟันเฟืองเล็กหมุน 1 รอบ ฟันเฟืองใหญ่ จะเป็น 16 : 32 = 1 : 2 คือหมุน 1 ส่วน 2 รอบ
- กลไกของนาฬิกาไขลานที่ประกอบด้วยฟันเฟือง
นาฬิกาไขลาน จะเดินด้วยลานและฟันเฟืองประกอบกันมากมาย (ผังที่ 4-10)
ก่อนอื่น แรงขับเคลื่อนของลานหลักจะเคลื่อนที่ตามจังหวะที่แน่นอนด้วยล้อกระเดื่อง ทำให้ฟันแต่ละตัวเคลื่อนที่ไปทีละ 1 ซึ่งจะกลายเป็นการเคลื่อนที่ของเข็มชั่วโมงและเข็มนาทีแยกจากกัน
-3- สายพาน-โซ่ ที่ส่งแรงหมุนได้ไกล ๆ
ฟันเฟืองเป็นวิธีส่งกำลังที่มีประสิทธิผลเวลาที่วัตถุเคลื่อนไหว 2 ตัวอยู่ติดกัน ในเวลาที่ตัวส่งแรงกับตัวรับแรงอยู่ห่างกัน เราจะใช้สายพานหรือโซ่ ลักษณะพิเศษของสายพานและโซ่จะคล้ายความสัมพันธ์ของล้อที่ขับหมุนด้วยแรงเสียดทาน และฟันเฟือง นั่นก็คือ เพราะสายพานใช้แรงเสียดทาน จึงมีโอกาสสลิปได้ ด้วยเหตุนี้ จึงไม่เหมาะกับการส่งกำลังด้วยการหมุนด้วยความเร็วสูงเกินไป หรือใช้แรงขับเคลื่อนแรงมากเกินไปเพื่อส่งแรงหมุนจากวงล้อใหญ่ไปวงล้อเล็กเป็นพิเศษ
อัตราส่วนความเร็วของรอบหมุนของสายพานหรือโซ่ จะเหมือนฟันเฟือง เป็นสัดส่วนผกผันกับขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางของวงล้อแต่ละวง (ผังที่ 4-11)
กรณีของสายพาน ด้วยการติดล้อไกด์ ตำแหน่งของ 2 แกนจะสามารถเปลี่ยนได้อย่างหลากหลาย (ผังที่ 4-12)
เรียบเรียงโดย อาจารย์ณรงค์เกียรติ นักสอน
ที่ปรึกษา TPM-JIPM